Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка метода малоуглового вращения вектора намагниченности для исследования свойств ферромагнитных микропроводов

Докладчик: Гудошников Сергей Александрович

Должность: ведущий научный сотрудник

Цель проекта:
Разработка и создание метода малоуглового вращения вектора намагниченности (МВВН) для исследования свойств ферромагнитных микропроводов (ФМ), включающее: - обоснование метода МВВН и моделирование сигналов ФМ в методе МВВН; - разработка эскизной конструкторской документации на новый приемно-усилительный блок установки для измерения магнитных характеристик ФМ методом МВВН; - модернизация установки для измерения магнитных характеристик ФМ методом МВВН за счет нового приемно-усилительного блока; - отработка методики определения коэффициента магнитострикции ФМ методом МВВН и ее описание; - измерение характеристик серии ФМ методом МВВН.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будет обоснован, разработан, оптимизирован и протестирован метод малоуглового вращения намагниченности для характеризации важнейших свойств аморфных ферромагнитных микропроводов.
Разрабатываемый метод позволит тестировать аморфные ферромагнитные микропровода в стеклянной оболочке с диаметром металлической жилы менее 10 мкм. Столь малые диаметры исследуемых объектов подразумевают высокую чувствительность и помехозащищенность измерительной системы и метода в целом.
Тестирование системы и метода МВВН будет проводиться на высококачественных микропроводах, изготовленных на известном технологическом оборудовании. Это позволит привлечь внимание к данной методике производителей микропроводов из других технологических лабораторий и тем самым ускорить внедрение метода.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Непрерывно возрастающий интерес к микропроводам обусловлен целым рядом факторов: простота изготовления, низкая стоимость, возможности целенаправленного изменения физических свойств и микроструктуры, уникальные магнитные свойства, такие как высокая магнитная мягкость, магнитная бистабильность, гигантский магнитоимпеданс, магнитная стрессчувствительность.
Области применения аморфных и нанокристаллических микропроводов включают в себя разнообразные магнитные микродатчики, основанные как на низкочастотных свойствах микропровода, так и на их высокочастотном поведении. Потенциальные области применения микродатчиков магнитного поля весьма многообразны: портативные дисплеи магнитного поля Земли, сенсоры вторичного тока для управления индукционными моторами, магнитострикционные датчики удара, положения и давления. Кроме того, сенсоры на основе ферромагнитных микропроводов имеют также и медицинские применения в устройствах для измерения кровеносного давления, механоэнцефалографах и др.
Одним из перспективных направлений использования ферромагнитных микропроводов является изготовление на их основе устройств для регистрации автомобилей на пропускных пунктах автомагистралей.
Представляет интерес также использование микропроводов в пассивных метках для различных бесконтактных считывающих устройств в супермаркетах, которые в будущем могут заменить существующее штрих-кодирование.
Все перечисленные выше и многие другие области применения подразумевают количественный контроль характеристик ферромагнитных микропроводов. Однако, в настоящее время, уровень технологии и системы контроля качества не позволяют воспроизводить микропровода с заданными характеристиками. Отчасти это обусловлено отсутствием разработанных и аттестованных методик и метрологической базы. Разрабатываемые в проекте измерительная установка и метод малоуглового вращения вектора намагниченности микропроводов позволят не только контролировать основные свойства микропроводов, но и подбирать новые составы и режимы термообработки для улучшения этих свойств.
Развитие предложенного подхода и его аппаратурная реализация является важной научно-технической задачей с точки зрения производства и характеризации аморфных микропроводов. Ее решение позволит подойти вплотную к получению высококачественных микропроводов с заданными свойствами и, тем самым, приблизить широкое применение аморфных ферромагнитых микропроводов в качестве сенсоров, скрытых магнитных меток и других приложениях.

Текущие результаты проекта:
В аморфных ферромагнитных микропроводах, как следствие их аморфности, отсутствует магнито- кристаллографическая анизотропия, которая определяет магнитные свойства обычных кристаллических магнитных материалов, металлов и сплавов. С другой стороны, при приготовлении аморфных ферромагнитных микропроводов методом быстрой закалки из расплава, в них формируются большие остаточные закалочные напряжения. Эти напряжения особенно существенны для микропроводов в стеклянной оболочке, из-за большой разницы в коэффициентах теплового расширения стекла и застывающего металлического расплава. В результате, магнитная анизотропия аморфных ферромагнитных микропроводов определяется закалочными напряжениями, поскольку по порядку величины эффективная константа магнитной анизотропии провода Kа есть произведение константы магнитострикции на характерную амплитуду закалочных напряжений.
Изменяя константу магнитострикции и амплитуду закалочных напряжений, можно в достаточно широких пределах менять значение эффективной константы магнитной анизотропии провода, и там самым, управлять магнитными свойствами микропроводов. Более того, изменяя знак константы магнитострикции за счет изменения состава исходного металлического расплава, удается менять даже тип магнитной анизотропии провода, поскольку макропровода с положительной стрикцией обладают продольной намагниченностью, а макропровода с отрицательной стрикцией намагничены в циркулярном направлении. На самом же деле, для полного описания магнитных свойств микропроводов необходимо учитывать, что закалочные напряжения в проводе имеют тензорный характер, то есть имеется три компоненты напряжений, продольная, радиальная и циркулярная, которые к тому же неоднородно распределены вдоль радиуса провода. Следовательно, необходимо проводить адекватный расчет закалочных напряжений для полного описания физических свойств микропровода.
Магнитострикционные свойства аморфных сплавов в виде лент можно измерить различными методами: например, дилатометрическим методом или методом измерения деформаций с помощью тензодатчиков. Сравнительно недавно для лент был разработан удобный метод измерения S, получивший название метода малоуглового вращения намагниченности. В данном методе исследуемый объект помещается в продольное магнитное поле и к нему прикладывается низкочастотный токовый тестовый сигнал частоты f. Отклик намагниченности измеряется внешней катушкой на удвоенной частоте 2f. В случае аморфных лент регистрируемые сигналы имеют достаточную амплитуду. Но аналогичные измерения в микропроводах, имеющих диаметр внутренней жилы менее 50 мкм является гораздо более сложной задачей, из-за необходимости регистрации ультраслабых сигналов на фоне больших помех. Но именно эти микропровода являются наиболее привлекательными для практических применений. Предложенное экспериментальное решение позволило проводить измерения константы стрикции микропроводов диаметром менее 10 микрометров.
Предлагаемое в проекте развитие метода малоуглового вращения намагниченности направлено в первую очередь на обеспечение условий измерений микропроводов малых диаметров. Кроме того, в отличие от подхода, в котором малоугловой отклик намагниченности (в виде сигнала второй гармоники) фиксируется на некотором постоянном уровне, в новом подходе обеспечиваются условия для измерения сигнала малоуглового отклика в широком диапазоне воздействующего продольного магнитного поля, т.е. измеряются зависимости U2f(H). В таком подходе результатом измерения является набор кривых U2f(H) измеренных при приложении растягивающих и скручивающих механических напряжений в которых содержится информация о свойствах и состоянии микропровода. Т.е. в эксперименте измеряется не константа магнитострикции провода непосредственно, а некоторая комбинация параметров микропровода, которая учитывает влияние всех существенных факторов, а именно, распределение как закалочных, так и приложенных растягивающих и скручивающих напряжений по сечению провода, влияние продольного внешнего магнитного поля, а также амплитуду и частоту переменного тока, протекающего по проводу. Для надежного определения всех указанных физических параметров в совокупности, проведено моделирование происходящих физических процессов.