авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Межзеренное обменное взаимодействие в наноструктурированных сплавах системы рзм-3d-металл-бор и его роль в формировании их фундаментальных и гистерезисных магнитных свойств

На правах рукописи

Волегов Алексей Сергеевич

Межзеренное обменное взаимодействие в наноструктурированных

сплавах системы РЗМ-3d-металл-бор и его роль в формировании их

фундаментальных и гистерезисных магнитных свойств

01.04.11 – Физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Тверь – 2012 1

Работа выполнена в отделе магнетизма твердых тел и на кафедре магнетизма и магнитных наноматериалов Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина

Научный руководитель доктор физико-математических наук, старший науч ный сотрудник Кудреватых Николай Владимирович.

Официальные оппоненты Баранов Николай Викторович, доктор физико математических наук, профессор, заведующий лабо раторией микромагнетизма Института физики метал лов УрО РАН, заведующий кафедрой физики конден сированного состояния Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина;

Супонев Николай Петрович, кандидат физико математических наук, доцент, Тверской государст венный университет, доцент кафедры магнетизма.

Ведущая организация Институт металлургии и материаловедения им.

А.А. Байкова РАН.

Защита состоится «16» ноября 2012 г. в 1400 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.263.09 при Тверском государственном университете по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый пер., 35, ауд. 226.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тверского государст венного университета Автореферат разослан «_» октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ляхова Марина Борисовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Среди функциональных магнитных материалов особое место занимают магнитот вердые материалы (МТМ), изделия из которых представляют собой источники по стоянных магнитных полей без затрат энергии. Изделия из МТМ – постоянные маг ниты (ПМ) – нашли самое широкое применение в электродвигателях, генераторах, магнитных муфтах, магнитных сепараторах, магнитных системах фокусировки за ряженных частиц и др. Научно-технический прогресс и связанная с ним миниатюри зация исполнительных механизмов технических устройств предъявляют повышен ные требования к энергоемкости ПМ и условиям их эксплуатации, обеспечить кото рые на сегодняшний день могут лишь редкоземельные МТМ.

За длительное время исследования магнетизма редкоземельных интерметаллических соединений накоплено колоссальное количество экспериментального материала и построены теории основных взаимодействий, определяющих их магнитные свойст ва. На протяжении последних тридцати лет особенно тщательным исследованиям был подвергнут высокоанизотропный интерметаллид Nd2Fe14B ввиду его высоких спонтанной намагниченности (Ms) и одноосной магнитокристаллической анизотро пии (МКА). Указанные фундаментальные магнитные свойства позволили даже в се рийном производстве получать на его основе ПМ с величиной максимального энер гетического произведения (BH)max до 50 МГсЭ. Экспериментально достигнутая ве личина (BH)max=59,6 МГсЭ [1] очень близка к теоретическому пределу теор(BH)max= 64 МГсЭ. Принято считать, что дальнейшее увеличение (BH)max у МТМ может быть достигнуто в результате как нахождения новых магнитных фаз с более высокими чем у фазы Nd2Fe14B величинами Ms и одноосным типом МКА, так и создания тех нологий получения МТМ на основе известных магнитотвердой и магнитомягкой фаз с текстурированными обменно-связанными структурными элементами наноразмер ного масштаба, и в частности интерметаллида Nd2Fe14B и -Fe [2].

Перед разработкой такой технологии должен быть решен ряд фундаментальных ис следовательских задач:

1) определение зависимости фундаментальных магнитных характеристик (Ms, K, Tc) интерметаллида Nd2Fe14B от размера зерен и физических причин такой зависимости;

2) разработка физических основ методов оценки энергии межзеренного обменного взаимодействия (МОВ);

3)разработка физических основ технологии получения текстурованных нано кристаллических сплавов системы Nd-Fe-B достехиометрического по редкоземель ному элементу состава относительно стехиометрической пропорции фазы Nd2Fe14B.

Решение первой задачи позволит понять механизмы влияния размера частиц соеди нения типа Nd2Fe14B на их фундаментальные магнитные характеристики и, возмож но, использовать эти механизмы для целенаправленного их изменения.

Решение второй из указанных задач позволит уточнить представления об обменно связанных материалах, построить их модель, более адекватную действительности, и, соответственно, с большей точностью рассчитывать параметры петли гистерезиса, которая может быть получена на текстурованном композиционном материале в раз личных сочетаниях высокоанизотропной фазы, и фазы с более высокой Ms., Цель работы и задачи исследования Цель настоящей работы заключалась в разработке универсального метода регистра ции межзеренного обменного взаимодействия (МОВ) в наноструктурированных сплавах;

разработке методов оценки величины энергии МОВ в наноструктуриро ванных сплавах системы Nd-Fe-B;

установлении характера зависимости величин фундаментальных магнитных характеристик фазы типа Nd2Fe14B, формирующейся в быстрозакаленных сплавах (БЗС) такого типа от размеров ее кристаллитов.



Для достижения указанных целей в работе ставились и решались следующие задачи:

• выбор и аттестация исследуемых объектов;

• исследование гистерезисных свойств наноструктурированных и микрокристал лических сплавов системы Nd-Fe-B в области состава фазы типа Nd2Fe14B в ши роких диапазонах магнитных полей и температур;

• исследование обратимых и необратимых процессов намагничивания и перемаг ничивания в указанных объектах;

• установление характера зависимостей температуры спонтанного спин переориентационного перехода (Tсп) и температуры Кюри (Тс) от размера кри сталлитов фазы типа Nd2Fe14B;

• анализ возможных механизмов влияния размера кристаллитов на температуры указанных фазовых переходов.

В данной работе были получены и выносятся на защиту:

1) результаты исследования магнитной восприимчивости вдоль и поперек направле ния остаточной намагниченности наноструктурированных обменно-связанных бы строзакаленных сплавов (БЗС) системы Nd-Fe-B вблизи состава фазы Nd2Fe14B при одноосном типе МКА в этой фазе;

2) результаты исследования температурных зависимостей остаточной намагничен ности микро- и наноструктурированных сплавов системы Nd-Fe-B вблизи состава фазы Nd2Fe14B при разной величине энергии МОВ;

3) метод определения величины параметра МОВ в наноструктурированных сплавах со спонтанным спин-переориентационным переходом (СПП) типа ось легкого на магничивания – конус осей легкого намагничивания по температурным зависимо стям их остаточной намагниченности и сопоставлению этих данных с таковыми для микрокристаллических сплавов аналогичного состава;

4) представление о процессе перемагничивания наноструктурированных обменно связанных БЗС путем образования квазидоменов и движения квазидоменной стенки;

5) представление о возрастающем влиянии приповерхностного слоя, имеющего иную по сравнению с внутренним объемом атомную структуру на величину темпе ратур СПП и Тс. при уменьшении размеров зерен интерметаллида R2T14B, Достоверность полученных результатов подтверждается независимыми измерения ми магнитных характеристик исследованных образцов в постоянных магнитных по лях с помощью вибрационных магнитометров (ВМ) КВАНС-1 и КВАНС-2 и магни тоизмерительной установки MPMS-XL-7 EC, аттестацией методик измерения и ка либровкой оборудования, утвержденными ФГУП УНИИМ. Структура и фазовый состав образцов исследовались независимыми методами рентгеноструктурного ана лиза, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, электронной микродифракции. Полученные результаты согласуются между собой. Кроме того, высококоэрцитивные, согласно магнитным измерениям БЗС были апробированы в качестве порошковых наполнителей в ПМ с полимерным связующим. Магнитные свойства у полученных ПМ, измеренные в пермеаметре сильных магнитных полей (гистерезисграф ГГ=111) (остаточная индукция (Вr), коэрцитивная сила (Hc), (BH)max) соответствовали ожидаемым значениям, основанным на измерениях этих характеристик с помощью ВМ и измерительной установки MPMS-XL-7 EC.

Научная и практическая значимость работы Получены экспериментальные данные о гистерезисных магнитных свойствах прак тически важных наноструктурированных сплавов системы РЗМ-3d-металл-бор во всей области температур магнитоупорядоченного состояния, что позволяет прогно зировать магнитные характеристики МТМ на их основе (магнитопластов и магнито эластов) и производить их обоснованный выбор для конкретных практических при менений. Разработаны и опробованы методики определения плотности энергии МОВ, температуры СПП. Эти методики могут быть рекомендованы для использова ния другим исследователям в их практической деятельности с целью определения факторов, влияющих на величину МОВ в магнитоупорядоченных сплавах. Опреде лено значение параметра МОВ в серийно производимых БЗС типа MQP и БЗМП, со ставившее величину 8 эрг/см2.

Научная новизна Впервые получены следующие результаты.

1. Показана возможность регистрации межзеренного обменного взаимодействия (МОВ), сравнимого по порядку величины с энергией МКА, с использованием ре зультатов экспериментального исследования магнитной восприимчивости вдоль и поперек направления остаточной намагниченности наноструктурированных сплавов системы Nd-Fe-B при одноосной МКА в фазе типа Nd2Fe14B.

2. Показано, что рост остаточной намагниченности наноструктурированных спла вов системы Nd-Fe-B ниже температуры СПП в фазе типа Nd2Fe14B «ось легкого намагничивания» – «конус осей легкого намагничивания» связан с наличием взаимодействия обменного типа между соседними зернами сплава.





3. Разработан метод определения величины параметра энергии МОВ в нанострук турированных сплавах со спонтанным СПП «ось легкого намагничивания» – «конус осей легкого намагничивания» по температурным зависимостям их оста точной намагниченности и сопоставлению этих данных с таковыми для микро кристаллических сплавов аналогичного состава.

4. Разработан метод оценки величины параметра энергии МОВ по температурным зависимостям их остаточной намагниченности после охлаждения в размагничи вающем поле и сопоставлению этих данных с величиной энергетического барье ра, разделяющего оси легкого намагничивания при типе анизотропии «конус осей легкого намагничивания».

5. Дана трактовка процессам перемагничивания в ансамблях наноразмерных маг нитоодносных зерен, к каким относятся наноструктурированные сплавы систе мы Nd-Fe-B вблизи состава фазы типа Nd2Fe14B, на основе модели квазидоменов и движения границ между ними при изменении величины магнитного поля.

6. Подтверждены имевшиеся в научной литературе сведения о снижении величин температур Тс и СПП в фазе Nd2Fe14B при уменьшении размера ее зерен в нано структурированных сплавах системы Nd-Fe-B и дано объяснение этим зависимо стям из представлений о возрастающей роли приповерхностного слоя, имеющего иные расстояния между атомами и их локальные окружения по сравнению с та ковыми во внутреннем объеме нанозерен этой фазы.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитированной лите ратуры. Общий объем диссертации – 160 страниц, включая 63 рисунка, 9 таблиц и список цитированной литературы из 77 наименований.

Апробация результатов Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе представлены на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах: II Всероссийской конферен ции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (4-6 мая г., Томск);

III Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высо коэнергетических систем» (24-27 апреля 2007 г., Томск);

XVI Международной кон ференции по постоянным магнитам (17-21 сентября 2007 г., Суздаль);

VIII Моло дежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния веще ства (19-25 ноября 2007 г., Екатеринбург);

XVII Международной конференции по постоянным магнитам (21-25 сентября 2009 г., Суздаль);

X Молодежной школе семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (9-15 нояб ря 2009 г., Екатеринбург);

Всероссийской конференции с элементами научной шко лы для молодежи (16-20 ноября 2009 г., Белгород);

IV Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism»: Nanospintronics (28 июня - 2 июля 2010 г., Екатеринбург);

21st Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications (29 августа – сентября 2010 г., Блед, Словения);

XI Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (15-21 ноября 2010 г., Екатерин бург);

Moscow Interanational Symposium on Magnetism (21-25 августа 2011 г., Моск ва);

XVIII Международной конференции по постоянным магнитам (19-23 сентября 2011 г., Суздаль);

XII Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конден сированного состояния вещества (14-20 ноября 2011 г., Екатеринбург), 22nd Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications (2-5 сентября 2012 г., Нагасаки, Япония), V Байкальская международная конференция «Магнит ные материалы. Новые технологии» (21-25 сентября 2012 г., Иркутск).

По теме диссертации опубликованы 2 научные статьи в ведущих рецензируемых на учных журналах, определенных ВАК, 9 статей в других рецензируемых изданиях и трудах международных конференций и тезисы 17 докладов.

Основные исследования по теме диссертации выполнены в отделе магнетизма твер дых тел НИИ физики и прикладной математики Института естественных наук УрФУ. Измерения теплоемкости и нейтронографические измерения выполнены в Институте физики металлов УрО РАН.

Настоящая работа выполнена при поддержке госконтрактов №16.552.11.7020, № 01.648.12.3015, №2.1.1/1682, гранта Конкурса молодых ученых УрФУ на проведение научно-исследовательских работ 2011 и 2012 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагается часть вопросов, рассмотренных в Общей характеристике работы автореферата: актуальность темы, цель работы, научная новизна.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященный природе магнитоупо рядоченного состояния в соединениях переходных 3d-4f элементов. Рассмотрены кристаллическая структура и фундаментальные магнитные характеристики интер металлидов R2Fe14B;

межзеренное обменное взаимодействие (МОВ) и его влияние на гистерезисные магнитные свойства сплавов системы Nd-Fe-B;

некоторые модели процессов перемагничивания и методы расчетов петель магнитного гистерезиса;

существующие методы регистрации МОВ;

влияние спонтанного СПП на магнитную восприимчивость;

существующие гипотезы, связывающие зависимость температуры СПП в интерметаллиде Nd2Fe14B с размерами его фазовых выделений (зерен).

Вторая глава посвящена методике проведения эксперимента и результатам атте стации образцов. Описаны методики аттестации и измерения магнитных свойств, теплоемкости исследованных объектов;

методика компьютерного эксперимента.

Конкретными объектами исследования явились промышленно выпускаемые БЗС марок MQP-B, MQP-B+, MQP-16-7, MQA-36-18, MQA-37-11 (производитель MAG NEQUENCH Int.), БЗМП-2Б, БЗМП-2Д, БЗМП-3В (производитель ВНИИ НМ им.

академика А.А. Бочвара), металлокерамические ПМ и порошки из сплавов системы R-T-B (R–РЗЭ, T– 3d-переходный металл) вблизи состава фазы R2T14B, синтезиро ванные по методике HDDR, а также моно- и поликристаллические образцы интер металлида Nd2Co7. Кристаллическая структура и фазовый состав образцов БЗС ис следованы методом рентгеноструктурного анализа (РСА). Средние размеры кри сталлитов в сплавах определены по уширению линий на рентгенограммах (формула Селякова-Шеррера) и методами сканирующей и просвечивающей электронной мик роскопии (СЭМ и ПЭМ), а также сканирующей зондовой микроскопии. Микро структура сплавов изучена методом ПЭМ высокого разрешения на тонких фольгах.

Ориентация магнитного момента в фазе типа Nd2Fe14B определялась нейтроногра фически на дифрактометре Д-3, смонтированном на одном из горизонтальных кана лов реактора ИВВ-2М (Заречный, Россия).

Экспресс-измерения полевых и температурных зависимостей намагниченности и магнитной восприимчивости проведены с помощью ВМ КВАНС-1 и КВАНС-2.

Максимальное значение напряженности магнитного поля обоих ВМ - 25 кЭ. Темпе ратурный диапазон измерений КВАНС-2 от 85 до 900 К. КВАНС-1 - только при комнатной температуре.

Полевые и температурные зависимости намагниченности и магнитной восприимчи вости измерены с помощью магнитоизмерительной установки MPMS-XL-7 EC (QUANTUM DESIGN, USA) с первичным преобразователем на основе СКВИДа.

Показатель точности результатов измерений магнитного момента наноструктурных материалов (P=0,95)=±1,0 %. Пределы допускаемой абсолютной погрешности из мерения температуры образца ±0,5 %. Пределы допускаемой относительной по грешности установки напряженности магнитного поля ±1,0 %.

Измерения магнитной восприимчивости проведены при частоте переменного маг нитного поля f=0,5 Гц.

Измерения теплоемкости проведены на низкотемпературном адиабатическом кало риметре в лаборатории ферромагнитных сплавов ИФМ УрО РАН. Погрешность из мерений теплоемкости составляет 3% в диапазоне температур 5100 K и 0,7% в диапазоне 100350 K.

Третья глава посвящена описанию влияния МОВ на магнитные свойства изотроп ного ансамбля магнитоодноосных частиц на примере БЗС системы Nd-Fe-B.

В первом параграфе приводятся соотношения для расчета магнитной восприимчи вости () такого ансамбля в отсутствие взаимодействия между частицами, а также приводится обоснование применимости этих соотношений к интерпретации экспе риментальных результатов.

Во втором параграфе рассмотрены возможные факторы влияния МОВ на величину в терморазмагниченном и остаточно намагниченном состояниях. Первый фактор обусловлен смещением локального минимума свободной энергии каждого зерна в отсутствие внешнего магнитного поля по углу относительно локального минимума энергии анизотропии (EA). Второй фактор – изменение зависимости свободной энер гии отдельного зерна (E) от угла между вектором намагниченности и оси легкого намагничивания (ОЛН) E() при наличии МОВ, выражающееся в уменьшении кру тизны наклона E() в области минимума и снижении величины энергетического ба рьера, разделяющего противоположные направления намагниченности. Предложена физическая модель, в рамках которой получены оценки изменения вследствие дей ствия указанных факторов.

В третьем параграфе приводятся резуль 0, терморазм.

таты исследования продольной ( || – 0, (=0) направления остаточной намагниченно (=0) 0, ||(=0) d, Гссм /г d, см /г сти (r) и измерения совпадают) и по 0, перечной ( – направления r и изме - 0, рения перпендикулярны) восприимчи -100 0, -30 -20 -10 вости -.

H, кЭ На рисунке 1 представлены зависимости Рисунок 1 – Зависимости, || и БЗС r, а также || и БЗС марки MQP-B+ марки MQP-B+ при T=300 К от напря от величины размагничивающего поля женности размагничивающего поля Hd в состоянии после его выключения, а так Hd после его выключения при T=300 К.

же терморазмагниченного образца БЗС Видно существенное (~30%) отличие в величине || и в состоянии остаточной намагниченности, и различный характер их зависимости от Hd. Штриховой линией отмечено значение восприимчивости об разца в терморазмагниченном состоянии.

В четвертом параграфе установлена степень влияния магнитостатического взаимо действия на величину изотропных ансамблей одноосных однодоменных частиц.

В качестве объектов исследования выбраны микрокристаллические изотропные по стоянные магниты системы Nd-Fe-B, в которых МОВ пренебрежимо мало. Резуль таты измерения их || и представлены в таблице 1. Их перемагничивание проис ходит через образование зародыша обратной магнитной фазы и движения доменной стенки внутри зерна [3]. Как видно, величины продольной и поперечной магнитной восприимчивости в состоянии остаточной намагниченности в пределах погрешно сти совпадают для обоих образцов, что говорит о малом влиянии межзеренного маг нитостатического взаимодействия в формировании величины их магнитной воспри имчивости. Эти результаты позволяют отказаться от его учета при интерпретации результатов измерений восприимчивости наноструктурированных БЗС аналогично го состава.

Таблица 1 – Величины продольной и поперечной магнитной восприимчивости изотропных постоянных магнитов в остаточно намагниченном состоянии Производитель посто- ||, 10-3 см /г, 10-3 см /г янного магнита ООО «ПОЗ-Прогресс» 1,58±0,05 1,62±0, ООО НПП «Милант» 0,79±0,03 0,78±0, В пятом параграфе рассмотрено влияние образования и роста обменных доменов на зависимости || ( H d ), ( H d ) и необр (H ).

На рисунках 2 и 3 представлены зависимости || ( H d ) = обр ( H d ) и необр (H ) для БЗС марки MQP-B+ с МОВ и MQA-37-11 без МОВ. Перемагничивание зерен в MQA происходит независимо друг от друга ввиду наличия между ними парамагнитной прослойки и больших их размеров, в сравнении с таковыми в MQP-B. Показано, что образование обменных доменов в процессе перемагничивания приводит к качест венному отличию зависимостей || ( H d ) от необр (H ), в то время как при «индивиду альном» перемагничивании этого не наблюдается.

0,0026 0, Hr=9,5 кЭ 0, необр необр 0, d) d) 0, 0, 0, 0, необр, см /г 0,03 0, d, см /г необр, см /г, см /г 0,02 0, 0, 0,01 0, 0, 0, 0, 0, -25 -20 -15 -10 -5 0 -25 -20 -15 -10 -5 H, кЭ H, кЭ Рисунок 2 – Зависимости продольной Рисунок 3 – Зависимости продольной необратимой и обратимой магнитной необратимой и обратимой магнитной восприимчивости БЗС марки MQP-B+ восприимчивости сплава марки MQA-37 при T=300 К от раз-магничивающего 11 при T=300 К от размагничивающего поля поля Четвертая глава посвящена описанию разработанных методов определения энер гии МОВ.

В первом параграфе приводятся экспериментальные и расчетные зависимости r(T) сплавов системы Nd-Fe-B. На рисунке 4 представлены зависимости r(T) исследо ванных объектов, в которых априори энергия МОВ пренебрежимо мала в сравнении с магнитостатической и МКА.

Характерной особенностью всех представленных кривых является рост величины относительной остаточной намагниченности r(T)/r(T=270 К) при охлаждении об разца от комнатной температуры до температуры СПП -Tsr. Этот рост связан с соот ветствующей температурной зависимостью спонтанной намагниченности.

При переходе через Tsr характер этой зависимости изменяется – при Т Tsr наблю дается снижение величины r(T)/r(T=270 К). Это связано с изменением типа МКА от ОЛН к КОЛН и увеличением угла раствора конуса при охлаждении и действием собственного размагничивающего поля образца.

Пространственное распределение магнитных моментов зерен изотропного ансамбля однодоменных одноосных невзаимодействующих частиц представляет собой полу сферу с осью симметрии вдоль намагничивавшего поля [4] (рисунок 5 а). Охлажде ние такого ансамбля ниже Tsr приведет к тому, что магнитные моменты отдельных частиц под действием собственного размагничивающего поля займут положения, характеризуемые минимальным углом между направлениями векторов Мs и Н (ри сунок 5 б). Наличие МОВ ферромагнитного типа в ансамбле частиц со спонтанным СПП типа ОЛН – КОЛН, при условии, что эффективное поле МОВ превышает соб ственное размагничивающее, приведет к изменению r(T) при Т Tsr в сравнении с таковой для объекта без МОВ, т.е. к росту mr (рисунок 5 в). Этот вывод подтвер ждают результаты эксперимента (рисунок 6).

Во втором параграфе рассмотрена методика определения энергии МОВ. Она заклю чается в последовательных измерениях r(T) в области температур выше и ниже Tsr во внешнем обратном (размагничивающем) H и нахождении такой величины H, при которой эти зависимости становятся идентичны таковым для образцов этого же со става, но с пренебрежимо малой величиной МОВ (микрокристаллическим). (Рису нок 7). Далее, используется гипотетическое представление о наноструктуре БЗС, за ключающееся в том, что. однодоменные зерна имеют кубическую форму со случай ной ориентацией ОЛН, энергия МОВ, приходящаяся на единицу площади одинакова для всех интерфейсов и не зависит от индексов Миллера контактирующих кристал лографических плоскостей, присутствуют зерна только одной фазы, магнитные мо менты всех ионов в зерне сонаправлены. Считается также, что энергия МОВ в ре перном образце пренебрежимо мала в сравнении с его магнитостатической энергией от взаимодействия с собственным размагничивающим полем. В качестве количест венной характеристики МОВ в работе использован параметр МОВ – KМОВ, равный величине энергии МОВ, приходящейся на 1 см2 площади межзеренного интерфейса при антипараллельной намагниченности этих зерен. В этом случае для KМОВ имеем:

M S LH K МОВ = 12cos (1) где MS – спонтанная намагниченность, L – размер ребра зерна, H – обратное маг нитное поле, в котором md(T) исследуемого БЗС эквивалента r(T)/r(T=270 К) для реперного, – угол между магнитными моментами соседних зерен.

Установлено, что для всех исследованных сплавов KМОВ8 Эрг/см2.

1, 1, 1, r/r(270 К) Изотропный порошок, полу 0,95 ченный методом HDDR Изотропный спеченный магнит Изотропный спеченный магнит 0,90 MQA-36-18 текстурованный MQA-36-18 изотропный MQA-37-11 текстурованный MQA-37-11 изотропный 0, 0 100 200 T, К Рисунок 4 – Температурные Рисунок 5 – Схематическое изображение зависимости относительной ориентаций магнитных моментов остаточной намагниченности контактирующих зерен поликристал магнитотвердых материалов без лического образца сплава Nd2Fe14B при обменного взаимодействия между наличии и отсутствии МОВ. Квадратами с зернами округленными углами обозначены зерна, стелками – магнитные моменты, штриховыми линиями - ОЛН БЗМП-2В 1, БЗМП-2Д MQP-B 1,4 БЗМП-3В 1, MQP-B исходный MQP-B, полученный плазменно 1, искровым компактирование при T=800°С MQP-B, полученный плазменно m/m(270 К) 1, r/r(270 К) искровым компактирование при T= 900°С 1, 0, Hе=0 кЭ 0, Hе=-7 кЭ Hе=-7,5 кЭ 0, 1,0 Hе=-8 кЭ Hе=0 кЭ, Тотж=1000 С 0, 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 T, К T, К Рисунок 6 – Температурные зависимо- Рисунок 7 – Температурные зависимости сти относительной остаточной намаг- относительной намагниченности БЗС марки ниченности МТМ с МОВ. MQP-B в размагничивающих полях различной напряженности и отожженного образца этого материала при T=1000°С в состоянии остаточной намагниченности В третьем параграфе рассматривается влияние величины параметра МОВ (КМОВ) на температурные зависимости относительной остаточной намагниченности методами компьютерного эксперимента. Установлено, что его результаты согласуются с тако выми для реальных объектов.

Четвертый параграф посвящен рассмотрению температурных зависимостей намаг ниченности исследуемых объектов во внешнем магнитном поле и в его отсутствии, а также метода оценки энергии МОВ без использования реперного образца.

Измерялись температурные зависимости относительной намагниченности m=M(T)/|M(300 К)| БЗС марки MQP-B+ при охлаждении в H=-5 кЭ от температуры T1=300 К до T2=10 К. При температуре T2 магнитное поле выключали и в его отсут ствие измеряли остаточную намагниченность при нагреве от T2 до T1 в собственном размагничивающем поле. Аналогичные измерения проводились также на образцах MQP-B, БЗМП-2Д и БЗМП-2В (Рисунок 8).

После выключения обратного магнитного 1, поля, происходит «переброс» векторов маг 1, Охлаждение при H=-5 кЭ Нагревание при H= 1, нитных моментов в КОЛН из оси, обра 1, 1, зующей наибольший угол с остаточной на m 1, магниченностью к оси, с наименьшей вели 1, 1, чиной этого угла. Такое переброс обуслов 1, 0, лен МОВ. Это позволяет делать оценку ве 0 50 100 150 200 250 T, К личины обменной энергии между соседни Рисунок 8 – Температурные ми зернами, превосходящую высоту энерге зависимости относительной тического барьера обусловленного МКА намагниченности БЗС марки MQP-B+ между соседними ОЛН на поверхности КОЛН.

Расчет параметра МОВ в этом случае производился по следующей формуле:

E, (2) K МОВ min (cos EHd EМОВ cos EHd EМОВ ) где E – высота энергетического барьера между соседними осями легкого намагни чивания, cos E, cos E – среднее значение косинуса угла между магнит E МОВ E МОВ Hd Hd ными моментами соседних зерен в состояниях, схематически изображенных на ри сунках 5 в и б, соответственно.

В таблице 2 представлены значения KМОВ, рассчитанные по двум указанным мето дам, для исследованных БЗС.

Таблица 2 – Значения КМОВ, определенных разными методами Марка БЗС MQP-B MQP-B+ БЗМП-2В БЗМП-2Д эрг/см minKМОВ, 8,1±1,2 8,1±1,2 12,6±1,9 12,6±1, KМОВ, эрг/см2 8,0±1,2 7,7±1,2 8,0±1,2 8,3±1, В пятом параграфе приводятся зависимости Хенкеля, построенные для исследуемых БЗС. На их примере подтверждено представление [5, 6, 7] о том, что положительная величина m(H) соответствует превалированию межзеренного обменного взаимо действия и положительного магнитостатического над отрицательным магнитостати ческим;

также показано, что чем выше величина обменного взаимодействия между зернами, тем больше максимальное значение функции Келли mmax(H).

Пятая глава посвящена исследованию зависимости Tsr и Tc в сплавах системы Nd-Fe B вблизи состава фазы Nd2Fe14B от размера кристаллитов этой фазы.

В первом параграфе кратко описываются существующие методы определения Tsr, приводятся оценки применимости этих методов и экспериментальные результаты определения указанных температур.

Во втором параграфе сопоставляются результаты определения Tsr представленные в первом параграфе. Показано, что полученные разными методами результаты опре деления Tsr на микрокристаллических образцах совпадают в пределах погрешности, в то время как в случае наноструктурированных разные методы дают разные резуль таты. Показано совпадение в пределах погрешности величин Tsr определенных по методу магнитной восприимчивости (минимум на зависимости первой производной) и метода магнитной нейтронографии в наноструктурированном сплаве.

В третьем параграфе представлены результаты измерений величин Tsr и Tc БЗС мар ки MQP-B в зависимости от среднего размера зерна фазы типа Nd2Fe14B (Tsr, так и Tc сплавов с большим размером кристаллитов превышают таковые в сплавах с мень шим размером зерна (рисунок 9) и рассматриваются возможные физические причи ны их возникновения. К ним отнесены:

1) упругая деформация кристаллической 132 решетки в зерне, обусловленная по Tsr Tc верхностным натяжением. Величина Tsr, K капиллярного давления для свободной Tc, K 124 частицы Nd2Fe14B с R=12 нм по нашим оценкам составляет p~1 кбар;

0 100 200 300 400 2) изменение температурных зависимо L, nm стей эффективных констант анизотро Рисунок 9 – Зависимости температу ры Кюри и температуры спонтанного пии, вызванное межзеренным обмен спин-переориентационного перехода ным взаимодействием (применительно от среднего размера кристаллитов в БЗС марки MQP-B к Tsr) [8];

3) «размерный» эффект, связанный с отсутствием спинов за пределами границы зерна [9];

4) изменение величины констант МКА и энергии обменного взаимодействия в при поверхностном слое вследствие изменения симметрии ближайших окружений у ионов РЗЭ и у 3d-ионов.

Показано, что только последняя причина может обусловливать экспериментально наблюдаемые изменения величин Tsr и Tc в сплавах системы Nd-Fe-B.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. С использованием результатов экспериментального исследования магнитной восприимчивости вдоль и поперек направления остаточной намагниченности наноструктурированных сплавов системы Nd-Fe-B при одноосном типе магни токристаллической анизотропии в фазе типа Nd2Fe14B показана возможность ре гистрации межзеренного обменного взаимодействия, сравнимого по порядку ве личины с энергией магнитокристаллической анизотропии этой фазы.

2. Показано, что рост остаточной намагниченности наноструктурированных спла вов системы Nd-Fe-B ниже температуры спонтанного спин переориентационного перехода в фазе типа Nd2Fe14B «ось легкого намагничива ния» – «конус осей легкого намагничивания» связан с наличием взаимодействия обменного типа между соседними зернами сплава.

3. Разработан метод определения величины параметра энергии межзеренного об менного взаимодействия в наноструктурированных сплавах со спонтанным спин-переориентационным переходом «ось легкого намагничивания» – «конус осей легкого намагничивания» по температурным зависимостям их остаточной намагниченности и сопоставлению этих данных с таковыми для микрокристал лических сплавов аналогичного состава.

4. Разработан метод оценки величины параметра энергии межзеренного обменного взаимодействия по температурным зависимостям их остаточной намагниченно сти после охлаждения в размагничивающем поле и сопоставлению этих данных с величиной энергетического барьера, разделяющего соседние оси легкого на магничивания при типе анизотропии «конус осей легкого намагничивания».

5. Дана трактовка процессам перемагничивания в ансамблях наноразмерных маг нитоодносных зерен, к каким относятся наноструктурированные сплавы систе мы Nd-Fe-B вблизи состава фазы типа Nd2Fe14B, на основе модели квазидоменов и движения границ между ними при изменении напряженности внешнего раз магничивающего магнитного поля.

6. Подтверждены имевшиеся в научной литературе сведения о снижении величин температуры Кюри и спонтанного спин-переориентационного перехода в фазе Nd2Fe14B при уменьшении размера ее зерен в наноструктурированных сплавах системы Nd-Fe-B и дано объяснение этим зависимостям из представлений о воз растающей роли приповерхностного слоя, имеющего иные расстояния между атомами и их локальные окружения по сравнению с таковыми во внутреннем объеме нанозерен этой фазы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ в журналах из списка ВАК:

1. Кудреватых Н.В., Волегов А.С., Незнахин Д.С., Сабирьянова Э.А. Магнитный гистерезис в микро- и наноструктурированных сплавах системы РЗМ-3d-металл бор на основе фазы Nd2Fe14B в широком диапазоне температур // Перспективные материалы. Специальный выпуск. – 2011. – Т. 11. – С. 185-190.

2. Теплых А.Е., Чукалкин Ю.Г., Богданов С.Г., Скрябин Ю.Н., Кудреватых Н.В., Андреев С.В., Волегов А.С., Козлов А.И., Чой Е., Пирогов А. Н. Радиационно аморфизованное состояние быстрозакаленных сплавов R12Fe82B6 (R=Nd, Er) // Физика металлов и металловедение. – 2012. – Т. 113., №6 – С. 597-606.

и других рецензируемых изданиях:

3. Volegov A.S., Kudrevatykh N.V., Tereshina I.S., Neznakhin D.S., Sabiryanova Y.A.

The Spin-Reorientation Transition in a Nanocrystalline Nd-Ho-Fe-Co-B Alloy and its Influence on the Hysteresis Loops // Solid State Phenomena. – 2011. – Vols. 168-169.

– P. 396-399.

4. Kudrevatykh N.V., Volegov A.S. Glebov A.V., Andreev S.V., Pushin V.G., Markin P.E., Neznakhin D.S. Microstructure and Magnetic Hysteresis in Nanocrystal line Nd-Fe-Co-B Alloys on the Base of Nd2Fe14B Phase // Solid State Phenomena. – 2011. – Vols. 168-169. – P. 420-423.

5. Волегов А.С., Низола А.А. Структура и свойства быстрозакаленного сплава Nd9Fe85B6 [Текст] // II Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 4-6 мая 2006 г.) : материалы. – Томск, 2006. – С. 36-39.

6. Низола А.А., Емелина Т.Н., Волегов А.С. Новые нанокомпозиционные магни тотвердые материалы из сплавов системы R-Fe-B (R=Y, Nd, Gd) [Текст] // II Все российская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетиче ских систем» (Томск, 4-6 мая 2006 г.) : материалы. – Томск, 2006. – С. 85-88.

7. Волегов А.С. Температурные зависимости гистерезисных свойств нанострукту рированных магнитотвердых редкоземельных сплавов марок БЗМП и MQP-B [Текст] // Всероссийская конференция с элементами научной школы для моло дежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.) : материалы. – Белгород, 2009. – С.

221-225.

8. Volegov A.S., Kudrevatykh N.V., Tereshina I.S., Neznakhin D.S. The Spin Reorientation Transition in a Nanocrystalline Nd-Ho-Fe-Co-B Alloy and Its Influence on the Hysteresis Loops // 21st Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications (г. Блед, Словения 29 августа – 2 сентября 2010 г.). Сб. докл. – Люб ляна, 2010. С. 310-313.

9. Volegov A.S., Kudrevatykh N.V. An Intergrain Exchange Interaction in Nanostruc tured Nd-Fe-B type alloys andIts Energy Determination from the Remanence Tem perature Dependences // 22st Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications (г. Нагасаки, Япония 2 – 5 сентября 2012 г.). Сб. докл. – Нагасаки, 2012. С. 423-426.

10. Незнахин Д.С., Волегов А.С., Кудреватых Н.В., Андреев С.В. Процессы пере магничивания в наноструктурированных сплавах системы (Nd, Pr)-Fe-B в облас ти низких температур // V Байкальская международная конференция «Магнит ные материалы. Новые технологии» (Иркутск, 21-25 сентября 2012 г.) : материа лы. – Иркутск, 2012. – С. 16.

11. Волегов А.С., Кудреватых Н.В., Болячкин А.С., Незнахин Д.С. Магнитная вос приимчивость изотропного ансамбля однодоменных одноосных частиц при на личии обменного взаимодействия между ними // V Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» (Иркутстк, 21-25 сен тября 2012 г.) : материалы. – Иркутск, 2012. – С. 112-113.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Matsuura Y. Recent development of Nd–Fe–B sintered magnets and their applications [Текст] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2006. – V. 303. – P. 344 347.

2. Technical Resource Website [Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://www.mqitechnology.com/product-name-mqa.jsp (31.03.2012) 3. Hadjipanayis G.C. Nanophase hard magnets // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1999. – T. 200. – № 1-3. – C. 373-391.

4. Stoner E.C., Wohlfarth E.P. A Mechanism of Magnetic Hysteresis in Heterogeneous Alloys [Текст] // Phil. Trans. Roy. Soc. – 1948. – V.240. – № 826. – P. 599-642.

5. Chen Q., Ma B. M., Lu B., Huang M.Q., Laughlin D.E. A study on the exchange cou pling of NdFeB-type nanocomposites using Henkel plots [Текст] // J. Appl. Phys. – 85. – 1999. – P. 5917-5919.

6. Ohkubo T., Miyoshi T., Hirosawa S., Hono K. Effects of C and Ti additions on the mi crostructures of Nd9Fe77B14 nanocomposite magnets [Текст] // Materials Science and Engineering A. – 449-451. – 2007. – P. 435-439.

7. Ai-Lin Xia, Hong-Liang Ge, Cheng-Wu Chang, Wen-Cheng Chang, Bao-Shan Han Magnetic and crystalline microstructures of Fe–B/FePt-type nanocomposite ribbons with high permanent properties [Текст] // Journal of Magnetism and Magnetic Materi als. – 2006. – V. 306. – P. 336-341.

8. Kou X.C., Dahlgren M., Grssinger R., and Wiesinger G. Spin-reorientation transition in nano-, micro- and single-crystalline Nd2Fe14B [Текст] // J. Appl. Phys.. – 1997. – V. 81, №8. – P. 4428-4430.

9. Binder K. Statistical mechanics of finite three-dimensional Isingmodels [Текст] // Physica. – 1972. – V. 62. – №4. – P. 508-526.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.