多相及镀层复合微丝巨磁阻抗效应研究.pdf

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1、博士学位论文多相及镀层复合微丝巨磁阻抗效应研究GIANTMAGNETO-IMPEDANCEEFFECTOFMULTI-PHASEANDMULTI-LAYERCOMPOSITEMICROWIRES姜思达哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG139+.8学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文多相及镀层复合微丝巨磁阻抗效应研究博士研究生：姜思达导师：房文斌教授副导师：孙剑飞教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:T

2、G139+.8U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringGIANTMAGNETO-IMPEDANCEEFFECTOFMULTI-PHASEANDMULTI-LAYERCOMPOSITEMICROWIRESCandidate：SidaJiangSupervisor：Prof.FangWenbinAssociateSupervisor：Prof.SunJianfeiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsPro

3、cessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要基于巨磁阻抗效应(GaintMagnetioImpedanceEffect，GMI)制备的新型磁电传感器原理为弱磁场变化会引起材料总阻抗的显著改变。与传统磁电式传感器相比，其具有高灵敏度、快速响应、应用温区宽、优良的稳定性与线性度、低能耗等特点，在癌症检测与治

4、疗、地磁导航、磁性随机存储、脑机接口、机器人仿生皮肤和自监控智能复合材料等方面极具应用前景。因此，本文对新型复合结构巨磁阻抗效应材料进行制备及性能研究，在成功获取高性能多相复合与镀层复合结构微丝基础上，分析了步进式电流调控处理机制，建立了三维表面磁畴结构模型，验证了复合结构微丝中特有的趋肤效应增强现象，并尝试建立组织结构与性能关系，对巨磁阻抗效应机理进行相关探究，从而获得可多频段应用的GMI效应磁性敏感材料，主要结果如下：对CoFeSiB经典成分进行微量Zr元素掺杂，提高其形核壁垒，并适当降低成形过程辊轮转动速度，调控微丝凝固过程中热量分布，使其在微丝表层形

5、成一定纳米晶组织结构；随着掺杂量增加，其表层微观组织有序度逐渐增加，纳米晶尺寸增大，表面环向磁畴结构会产生局域波动即“畴间吞并”现象，外场作用下磁畴宽度增加，转动磁畴体积增加，环向磁导率增大，在掺杂原子比为2时，巨磁阻抗性能可达~600%，在掺杂量最大为3时破坏规律环向磁畴结构，性能降低。同时，微丝力学性能随掺杂量呈现先增后减的趋势，纳米晶会细化断裂主裂纹，在掺杂原子比为2时，拉伸断裂强度超过3600MPa，较未掺杂时有较大提高。对表面磁畴MFM原始图像进行滤波还原处理，结合巨磁阻抗效应微丝磁畴结构理论模型，建立观测图像与真实表面磁畴结构的对照联系，通过图像

6、波动切线图及法向标量可对磁畴平均宽度及漏磁场进行定量化后续分析研究。结合Co基微丝电流调控处理时内部温度分布模拟及微丝热物性参数，制定步进式电流调控处理方案，使微丝在低温、高温结构弛豫，玻璃转变点及不同晶化区间进行处理；由于形核势垒的提高及内部温度场的不均匀分布，焦耳热会使微丝内部纳米晶组织，由内向外沿着热量传输方向依次形核长大，形成内部纳米晶壳层非晶的多相复合结构微丝。步进式直流电流退火处理可有效消除内部残余应力，并改变其微结构，处理后会产生3-4nm直径的纳米晶，其ACF(AutocorrelationFunction)体积分数从制备态6.25提高至28

7、.13%，促使非晶壳层环向磁畴结构的改善及多相结构所致趋肤效应增强现象，使阻抗比值在11MHz时ΔZ/Z0从69.09%大幅提高至582.59%；纳米晶周围的淬态核会使其内-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文部产生刃型位错及晶格缺陷，从而提高微丝的拉伸断裂强度，另一方面拉伸断裂过程中纳米晶的萌生会严重阻碍主裂纹的产生，100mA阶段拉伸断裂强度可达~4103MPa，140mA阶段拉伸断裂强度约为3917MPa。当微丝受交流激励电流作用时，施加不改变微观组织结构的小幅值直流偏置电流，可增加环向磁畴轴向角，进而增加趋肤深度，在大幅降低微丝零外场本征基本阻抗值，同

8、时提高外磁场作用下阻抗增量值，实现微丝零外场标准计算