Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金带的纵向巨磁阻抗效应*

马 云， 叶慧群， 李文忠， 金林枫， 严维燕， 范晓珍， 方允樟

(浙江师范大学 数理与信息工程学院,浙江 金华 321004)

Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金带的纵向巨磁阻抗效应*

马 云， 叶慧群， 李文忠， 金林枫， 严维燕， 范晓珍， 方允樟

(浙江师范大学 数理与信息工程学院,浙江 金华 321004)

利用单辊快淬法制备宽0.35 mm，厚0.033 mm的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄带,具有明显的纵向巨磁阻抗效应，最大磁阻比达到754%.氮气保护条件下进行热处理的样品，最大阻抗比和灵敏度都有明显提高，440 ℃退火1 h的样品最大阻抗比达到 1 196%，灵敏度为715%/(A5m-1).

纵向驱动；非晶组分；非晶薄带；温度退火

0 引 言

巨磁阻抗由于其在传感器领域的广泛应用前景，自1992年被Mohri等[1]发现以来一直受到关注.由于巨磁阻抗效应与趋肤效应有关，即与材料的磁导率有关，这就使得具有优异软磁性能的Fe基非晶材料成为首选.在传统的易于形成非晶的Fe基材料中，大都含有Co，Nb，Mo，Y等元素[2-7]，这些元素或是战略资源元素，或是稀有元素，它们提高了原材料的成本.最近，Chuntao等[8]发现了不含以上元素的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9大块非晶成分，该组分不仅具有良好的非晶形成能力，而且具有良好的软磁性能，极大地降低了原材料的成本.然而,这种材料的巨磁阻抗效应还未见有人研究.本课题组在该组分的铸态样品中发现了优秀的纵向巨磁阻抗性能，通过适当的热处理，该非晶组分的纵向巨磁阻抗效应大大提高，在440 ℃退火后，最大阻抗比达到1 196%，灵敏度为715%/(A5m-1).

1 纵向巨磁阻抗产生的原因及测试原理

巨磁阻抗是指材料的交流阻抗随外加磁场产生明显变化的现象.当合金薄带的长l，宽b，厚d满足l≫b≫d时，由麦克斯韦方程可以得出在交流场下样品的阻抗值Z[9]可表示为

图1 纵向巨磁阻抗的测量原理

本文重点研究了Fe76Si7.6B9.5P5C1.9的纵向(合金带的长轴方向)巨磁阻抗效应，其测试原理示意图如图1所示[10]，将样品放入连接在HP4294A阻抗分析仪的螺线管中，阻抗仪为螺线管提供的正弦交流电产生沿合金带轴向的交流的纵向驱动磁场，同时阻抗仪也测量螺线管两端的阻抗值.图1中的直流电源则连接在一对Helmholz线圈A,B上，为样品提供外加磁场，改变直流电流的大小就可以得到不同大小的外加磁场，从而测得不同外加磁场下的阻抗值.

2 实 验

用单辊快淬法喷制宽0.35 mm，厚0.033 mm的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄带，氮气保护环境中，不同温度退火1 h，随炉冷却到室温.样品的纵向阻抗值Z采用HP4294A型阻抗分析仪测得.测量时，截取长度为15 mm的薄带，放入一个线圈内组成一个等效的阻抗元件.用10 mA正弦交流电驱动线圈，对样品产生一个纵向的驱动场.线圈为线径0.11 mm漆包线绕制成的100匝内直径0.57 mm的螺线管.外加的直流磁场由Helmholz线圈提供，所有实验数据在室温下获得.阻抗变化率用以下关系式得到:

图2 合金薄带样品的DSC曲线

式(2)中,ZHex和ZHmax分别表示任意外加磁场和最大外加磁场下样品的阻抗值.

3 结果与讨论

图2为该组分薄带的DSC曲线.从DSC曲线上可以看出，Tg与Tx的差值较大，样品具有较好的非晶形成能力.

图3为铸态和不同温度退火后样品的XRD曲线.由图3可以看出：在温度低于520 ℃时，样品一直处于非晶状态；当温度高于520 ℃时，开始晶化，有α-Fe(Si)相长出.

图4为样品在不同温度下退火1 h，测量频率为0.3 MHz的磁阻抗变化曲线，右上角插图为最大巨磁阻抗比随退火温度的变化关系.随着退火温度的升高，阻抗比曲线的顶端由小台阶变成尖锐的单峰形状，这说明薄带样品的纵向易磁化结构得到了提高.因为当驱动场磁化的方向与样品的易磁化方向都是纵向的情况下,畴壁移动和磁矩转动都对磁化有很大的贡献,一旦同样沿着轴向的外磁场有一个微小的变化,就会对2种运动的磁化产生严重的阻碍作用,随着外场的增加磁导率会急剧下降,致使磁阻抗比随外磁场表现为迅速下降的变化[10].由图4插图中的曲线可以看出，随着退火温度的升高，最大阻抗比先略微下降，然后增大，在440 ℃时达到最大值1 196%，即此时材料纵向易磁化结构达到最佳值.当温度继续升高，阻抗比迅速下降，在485 ℃时已出现非对称的现象[11]，到490 ℃阻抗比趋于零.与其他Fe基材料不同[12]，在纳米晶形成之前样品的阻抗比就已经达到了最大；而当非晶开始晶化时，阻抗比已经趋于零了.这可能与非晶本身结构的变化有关[13]，样品的磁结构在非晶态的情况下就发生了变化[14]，导致了阻抗比的变化.

4 结 论

通过单辊快淬法制得的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄带具有良好的巨磁阻抗效应，其最大阻抗比为754%.在氮气保护条件下对样品进行温度退火，随温度升高，样品最大阻抗比呈先略微下降后增大，最后迅速下降的趋势.440 ℃退火1 h样品阻抗比达到最大，在测量频率为0.3 MHz时，灵敏度和最大阻抗比分别为715%/(A5m-1)和1 196%，均远远大于铸态样品.

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LongitudinallydrivenGMIeffectoftheFe76Si7.6B9.5P5C1.9alloyribbon

MA Yun, YE Huiqun, LI Wenzhong, JIN Linfeng,YAN Weiyan, FAN Xiaozhen, FANG Yunzhang

(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

The Fe76Si7.6B9.5P5C1.9amorphous ribbons with width of 0.35 mm and the thickness of 0.033 mm were prepared by single roller quenching method. An obvious giant magneto-impendence (GMI) effect was found in samples, with the maximum magneto-impendence ratio of 754%. While the ribbons annealed under the protection of nitrogen, the maximum magneto-impendence ratio increased. When annealed at temperature of 440 ℃ for 1 h, the maximum magneto-impendence ratio of the sample attained to 1 196%, and the sensitivity was 715/(A5m-1).

longitudinally driven; amorphous component; amorphous ribbon; temperature anneal

1001-5051(2011)01-0055-04

O482. 5

A

2010-10-19

国家自然科学基金资助项目(50871104);浙江省新苗人才计划孵化项目(0962)

马 云(1985-),男,湖北黄冈人,硕士研究生.研究方向:非晶软磁材料及传感技术.

方允樟

(责任编辑 杜利民)