Механические нагрузки улучшили свойства магнитных микропроводов

Ученые БФУ имени Иммануила Канта определили, что механическое воздействие на аморфные ферромагнитные провода при их термической обработке — отжиге — улучшает магнитные свойства этих композитов. Такие материалы благодаря способности быстро менять свою намагниченность могут использоваться для создания защитных магнитных меток и датчиков. Поэтому новые знания о том, как эффективно управлять их свойствами, помогут расширить их применение в технике. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Research Bulletin.

Аморфные ферромагнитные провода — тонкие металлические нити — со стеклянным покрытием представляют собой перспективные композиционные материалы. Они обладают рядом полезных качеств: высокой прочностью, устойчивостью к коррозии, биосовместимостью, а также управляемыми магнитными свойствами. Последнее позволяет использовать их для изготовления защитных магнитных меток и магнитоупругих датчиков — устройств для преобразования механических воздействий (сжатия, растяжения, изгиба, давления и других) в напряжение или ток.

Менять намагниченность аморфных ферромагнитных проводов можно благодаря тому, что их металлическая сердцевина сложена из доменов — расположенных друг за другом блоков, отличающихся направлением магнитного момента. Магнитный момент — это величина, определяющая способность материала намагничиваться. При этом между доменами разной направленности располагаются границы, называемые стенками. Под действием внешних магнитных полей они смещаются: один из доменов — состояние которого более благоприятно в данных конкретных условиях — «сдвигает» стенку в сторону соседнего домена и тем самым «захватывает» его. Чем быстрее сдвигаются границы между доменами, тем быстрее материал меняет намагниченность, и тем лучше он подходит для практических применений. Поэтому ученые исследуют факторы, которые влияют на скорость движения доменных стенок.

Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград), Университета ИТМО (Санкт-Петербург) совместно с коллегами из Испании исследовали, как условия формирования аморфных ферромагнитных проводов, а именно параметры отжига, влияют на свойства получаемых композитов.

В качестве опытных образцов авторы использовали микропровода с сердцевиной из сплава кобальта, железа, никеля, бора, кремния и молибдена, покрытые стеклянной оболочкой. Диаметр образцов составлял 24 микрометра (примерно в два раза тоньше человеческого волоса), а длина — 10 сантиметров. Микропровода помещали в муфельную печь, нагретую до температуры 200, 300 или 350°C, на разное время — от одной минуты до часа. Помимо температуры, авторы исследовали влияние механических воздействий. Для этого на некоторые образцы при отжиге навешивали грузы, которые создавали напряжение, равное действию 125 мегапаскаль (1274 килограммов на квадратный сантиметр) или 250 мегапаскаль (2549 килограммов на квадратный сантиметр).

Эксперимент показал, что композит не разрушается при действии таких напряжений: как стеклянная оболочка, так и металлическая сердцевина сохранили целостность и не приобрели дефектов.

После отжига ученые оценили магнитные свойства микропроводов. Для этого образцы поместили в магнитное поле и определили, насколько быстро при его воздействии перемещались доменные стенки в материале. Оказалось, что скорость их движения зависит от времени отжига: после обработки в течение двух минут она составила 710 метров в секунду, а после 30 минут — 1724 метров в секунду. Более длительный отжиг приводил к падению скорости движения доменных стенок.

Анализ микропроводов, испытавших при отжиге механические напряжения, показал: такое воздействие приводит к тому, что для начала движения доменных стенок в проволоке требуется меньшее магнитное поле, чем для образцов, не испытавших напряжения.

Так, например, в микропроводе, отожженном в течение 5 минут при 300°С, подвижность доменных стенок увеличилась примерно в 3 раза при приложении напряжения в 250 мегапаскаль по сравнению с композитом, отожженным в тех же условиях, но без приложения какого-либо напряжения. При более длительном отжиге (до одного часа) и более высокой температуре (350°C) наблюдался такой же эффект. Это говорит о том, что механические воздействия положительно сказываются на свойствах образцов вне зависимости от температуры и времени отжига.

«Нам удалось понять, как условия отжига влияют на магнитные свойства аморфных ферромагнитных проводов. Эту работу развивает группа наших коллег под руководством профессора Аркадия Жукова в Испании. Это поможет создавать микропровода с регулируемыми свойствами, которые востребованы в современных магнитных устройствах. В дальнейшем в БФУ имени Иммануила Канта мы планируем использовать отработанный протокол изменения свойств проводов для создания композитных мультиферроидных материалов. Группа университета ИТМО продолжит моделировать динамику движения доменной границы и изменение микроструктуры на микропроводах как модельных объектах», — рассказывает Валерия Родионова, кандидат физико-математических наук, директор НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ имени Иммануила Канта.