（材料学专业论文）铁基非晶合金压磁性能研究.pdf

摘要 摘要 压磁效应是指铁磁材料受到机械力的作用时，在它的内部产生应变，从而 产生应力，导致磁导率发生变化的现象。随着对非晶软磁合金研究的深入，其 压磁效应已经在传感器中体现出了巨大的应用前景。 本文主要研究了f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 、f e 7 8 s i l 3 1 3 9 和f e 7 2 c o s s i l 5 8 5 三种不同成 分的铁基非晶带材在5 0 k h z - - 1 m h z 频率范围内的压磁性能，并分析了表面状态、 测试温度、相对湿度等对其压磁性能的影响。 研究表明，铁基非晶带材具有良好的压磁特性。随测试频率升高，铁基非 晶带材的压磁敏感度增加。当压应力小于0 1 m p a 时，l z i 随着压应力的增加而 非线性大幅度增加；当压应力为o 1 m p a i m p a 时，i z l 与压应力呈线性变化，l a z i 随压应力增大而增大，压磁敏感度下降。当测试频率为1 m h z 、压应力为1 o m p a 时，压磁性能最好，f e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 、f e 7 8 s i l 3 8 9 和f e 7 2 c o s s i l s b 5 三种非晶带 材的压磁敏感度i a z l 分别为0 0 3 3 q 、0 0 2 5 f 2 、0 0 1 1 q 。 在相同条件下，当压应力高于0 1 m p a 时，有机硅和e v a 胶改性表面状态 的非晶带材的压磁性能优于自由表面状态的非晶带材。在1 9 c 5 0 测试温度范 围内，升高温度可以显著提高铁基非晶带材的压磁灵敏度，f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 非晶带材在4 0 测试温度下压磁性能最好，f e 7 8 s i l 3 8 9 和f e 7 2 c o g s i l 5 8 5 非晶带材 在5 0 测试温度下压磁性能最好。另外，随着空气相对湿度的增大，铁基非晶 带材的压磁性能提高，相对湿度为7 5 r h 时压磁性能最好。当测试频率为1 m h z 时，相同条件下f e c u n b s i b 非晶带材的压磁性能优于f e c o s i b 和f e s i b 。 关键词：压磁效应；非晶；表面状态；温度；相对湿度 a b s t r a c t w h e nt h e r ei sa l le x t e r n a lf o r c ea c t i n go nt h ef e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l , t h e n g e n e r a t e ds t r a i ni ni t si n t e r n a l ，r e s u l t e di ns t r e s s ，l e a d e dt oc h a n g i n gi np e r m e a b i l i t y , t h ep h e n o m e n o ni st h ep i e z o m a g n e t i ce f f e c t w i t ht h em o r ei n v e s t i g a t i o no ft h e a m o r p h o u ss o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ，p i e z o m a g n e t i ce f f e c th a sb e e nu s e dw i d e l yi n s e n s 0 r i nt h i sp a p e r , t h ep i e z o m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h r e ed i f f e r e n tc o m p o n e n t s t r i p s ， s u c ha sf e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 ，f e 7 s s i l 3 8 9a n df e 7 2 c o s s i l s b 5 ，w h i c hf i r es t u d i e da tt h e f r e q u e n c yr a n g ef r o m5 0k h z t o1m h z a n dt h ee f f e c t so fs u r f a c ec o n d i t i o n , t e s t i n g t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yo np i e z o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fa m o r p h o u ss t r i p s a r ea n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t so fr e s e a r c hs h o wt h a tf e - b a s e da m o r p h o u ss t r i p sh a v ee x c e l l e n t p i e z o m a g n e t i cp r o p e r i t i e s w i t l lf r e q u e n c yi n c r e a s i n g ，t h ep i e z o m a g n e t i cp r o p e r t i e so f f e - b a s e da m o r p h o u ss t r i p si n c r e a s e w h e ns t r e s sl e s s e st h a n0 1m p a , j a z in o n l i n e a r g r e a t l yi n c r e a s e sa st h es t r e s si n c r e a s i n g ；w h e ns t r e s si si nt h er a n g eo f0 1m p at o 1m p a , l a z il i n e a r l yi n c r e a s e s 谢n lt h es t r e s sc h a n g e d ，t h es e n s i t i v i t yo fp i e z o m a g n e t i c p r o p e r i t yd r o p s w h e nf r e q u e n c yi s1 za n ds t r e s s i s 1 0 m p a , p i e z o m a g n e t i c s e n s i t i v i t yi st h eb e s t , i a z io ff e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 、f e t s s i l 3 8 9a n df e 7 2 c o s s i l s b 5a r e 0 0 3 3 q 、0 0 2 5 qa n d0 0 11 q u n d e rs i m i l a rc o n d i t i o n s w h e ns t r e s s l a r g e r st h a n0 1m p a , p i e z o m a g n e t i c s e n s i t i v i t i e so fa m o r p h o u ss t r i p sw h i c hc o v e ro r g a n i cs i l i c o na n de v a p l a s t i ci nt h e s u r f a c e 淝b e t t e rt h a nf r e es u r f a c e s e n s i t i v i t i e so fp i e z o m a g n e t i cp r o p e r t yi n c r e a s ea s t e s t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gi nt h er a n g eo f19 c 5 0 c ，p i e z o m a g n e t i cs e n s i t i v i t y o ff e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9i st h eb e s tw h e nt e s t i n gt e m p e r a t u r ei s4 0 c ，p i e z o m a g n e t i c s e n s i t i v i t i e so ff e 7 8 s i l 3 8 9a n df e 7 2 c o s s i l s b 5a r et h eb e s tw h e nt e s t i n gt e m p e r a t u r ei s 5 0 p i e z o m a g n e t i cp r o p e r t i e si n c r e a s ea sr e l a t i v eh u m i d i t yi n c r e a s i n g ，w h i c hi st h e b e s tw h e nr e l a t i v eh u m i d i t yi s7 5 r h c o m p a r e dt h et h r e ef e - b a s e ds t r i p s ，w h e n t e s t i n gf r e q u e n c yi s 1m h z , p i e z o m a g n e t i cp r o p e r t i e so ff e c u n b s i ba r eb e t t e rt h a n f e c o s i ba n df e s i b k e y w o r d s ：p i e z o m a g n e t i cp r o p e r t y ；a m o r p h o u s ；s u r f a c ec o n d i t i o n ；t e s t i n g t e m p e r a t u r e ；r e l a t i v eh u m i d i t y 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：乃芦彳签字日期扣占年f 砂月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名c 手坼首蕲签名c 瑚：枷 签字日期：知睥1 1 ，月，r 日 签字日期：毋年f 少月日 l 引言 1 1 非晶合金概述 1引言 非晶态合金是7 0 年代以来发展十分迅速的一种新型材料，由于其优异的材 料性能组织，高效的制备工艺和广阔的应用前景一直受到关注。尤其铁基非晶 态合金，具有良好的耐腐蚀性、优异的软磁特性和高硬度、高强度以及韧性， 同时在几乎所有的非晶合金材料中具有最高的饱和磁感应强度。伴随着非晶态 材料的制备工艺和产品开发的不断改进，非晶态材料的应用越来越广泛。在传 统电力工业中，非晶态软磁合金带材正在取代硅钢，使配电变压器的空载损耗 降低7 0 以上；在电子领域里，非晶态合金以其固有的高电阻率、高导磁性等 优势，正不断代替传统的硅钢、铁氧体、坡莫合金等材料，在开关电源、传感 器等电子元器件中得到了广泛应用。 1 1 1 非晶合金的发展历史 第一个发现非晶态金属的是德国的克雷默( k r a m e r ) ，于1 9 3 4 年采用蒸发沉积 法制得的。之后美国标准计量局的b r e n n e r 于1 9 4 7 年用电解和化学沉积制备出 n i p 和c o p 非晶薄膜，主要用来作金属表面的防护涂层，但是这一发现在当时却 并没有引起太多的注意。 直至1 j 1 9 6 0 年，美国加洲理工学院d u w e z 教授及其同事发明直接将熔融金属急 冷制备出非晶态合金( a u 7 5 s i 2 5 ) ，掀起了用快速凝固法制备非晶态材料的研究热 潮。1 9 6 9 年p o n d 和m a d d i n 发明了单辊法，制备出长达几十米的非晶合金薄带， 这一技术为大规模生产非晶合金创造了条件。随后，很多研究者投入到非晶合 金的研究中，他们发展了多种制备非晶合金的方法，如熔体旋甩，平面流动浇 铸，自由喷射熔体挤压法等。1 9 7 1 1 9 7 3 年间陈鹤寿( h s c h e n ) 等采用快冷连铸 轧辊法，以1 8 3 0 r n m i n 的高速制成了多种非晶合金薄带和细丝，并正式命名为“金 属玻璃”以商品出售。1 9 7 9 年美国a l l i e ds i g n a l 公司开发出非晶合金宽带的平面 流铸带技术，并于1 9 8 2 年推出命名m e t g l 弱s 的f e 基、c o 基、f e n i 基系列非晶合金 带材【1 1 ，在磁头和传感器等技术领域得到应用，标志着非晶合金产业化和商品化 l引言 的开始。但是制备的非晶合金含有p d 、p t 等贵金属，而且样品的厚度小于0 0 5 m m ， 这些原因阻碍了非晶合金的应用和发展。 1 9 世纪8 0 年代末，日本东北大学的h 1 0 u e 等人相继在m g c u y 2 1 ，l a - a i t m ( t m 为n i ，c u ，f e ) t 3 】合金系，利用低压铸造的方法制备出块体非晶合金，标志 着非晶合金研究进入了新纪元。随后，美国加州理工学院的j o h n s o n 研究小组又 开发了临界冷却速度为1 0 k s l 拘z r 4 1 2 t i l 3 8 c u l 2 5 n i l o b e 2 2 5 4 1 ，使得可以利用普通的 铸造方法制备非晶合金。到目前为止，已经开发了l n 基【5 t 6 1 、t i 基【7 捌、z r 基【1 0 。1 2 】、 f e 基【1 3 1 ，c u 基【1 4 , 1 5 1 ，c o 基【1 6 l 等具有低临界冷却速度的多元非晶块状合金，所制 备出的非晶合金的最低临界冷速己达0 0 6 7 k s ，最大的非晶样品直径可达7 2 m m 。 时至今日，非晶态合金无论在制备和应用领域都取得了极大的进步，随着 理论研究的深入其应用范围将不断扩大。 1 1 2 非晶合金的性质及分类 非晶合金( a m o r p h o u sa l l o y s ) 是指内部原子排列不存在长程有序的金属和合 金，通常又称非晶合金为金属玻璃( m e t a l l i cg l a s s e s ) 。非晶态材料在微观结构上 具有以下三个基本特征： ( 1 ) 只存在短程有序，在近邻或次近邻原子间的键合具有一定的规律性。 ( 2 ) 其原子排列长程无序，故它的x 射线衍射图谱上无尖锐衍射峰，它的 电子衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征晶态的任何斑点和条纹。 用电子显微镜也看不到晶粒晶界、晶格缺陷等形成的衍射反差。 ( 3 ) 当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构相变， 如结构驰豫、相分离及晶化等，是一类亚稳材料。 非晶合金的诸多特性都与其原子排列长程无序有关，因此，它存在许多优 点和缺点，其特性有：磁致伸缩特性非常好；电阻率大，合金( f e 4 c 0 9 3 c r 3 ) 7 4 s i 3 8 1 8 的电阻率为1 5 0 0 x q c m ；具有良好的抗腐蚀特性：机械抗拉强度高，韧性很好， 合金f e 8 0 8 2 0 抗拉强度高达3 5 0 k g m m 2 1 1 7 - 1 8 】；容易得到比轧制铁镍合金还要薄的 薄膜；温度对磁的不稳定性影响比较大，当开始出现结晶态时铁损和磁导率急 剧变化；不能制作出很宽的薄板，批量生产成本高。 非晶态软磁合金按其磁性可分为高饱和磁感应强度和高磁导率非晶态软 磁合金两大类【1 9 垅】。按组成成分可分为三大类：铁基非晶软磁合金、钴基非晶 2 l引言 软磁合金和铁镍基非晶软磁合金团l 。 ( 1 ) 铁基非晶合金 主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等，它们的特点是磁性强( 饱和磁感应强 度可达1 轧1 7 t ) 、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片，价格便宜， 特别是铁损低( 为取向硅钢片的1 3 1 5 ) ，代替硅钢做配电变压器可降低铁损 6 0 - - , 7 0 。广泛应用于中低频变压器的铁芯( 一般在1 0 k h z 以下) ，例如配电变压 器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。 ( 2 ) 钴基非晶合金 由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素。其 特征是：饱和磁致伸缩系数接近于零，对应力不敏感，具有优良的软磁性能， 具有极高的初始磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗，同时又具有 很高的机械强度，很好的韧性及耐磨性，是非晶材料中性能最佳，价格最高的 材料，和坡莫合金、f e s i 灿合金以及超微晶铁基软磁合金并称为高磁导率合金。 钻基非晶合金窄带作为传感器敏感材料大量应用于图书馆及超级市场防窃装 置，另外尤其适合用于高频开关电源和脉冲变压器。 ( 3 ) 铁镍基非晶合金 主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成，具有中等的饱和磁感应强度( 大约为 l t 以下) ，较高的初始磁导率及很高的最大磁导率，并且经磁场处理后可得到很 好的矩形磁滞回线。它是国内开发最早、用量最大的非晶合金，可以代替硅钢 片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁心，例如漏电开关互感器。 1 1 3 非晶合金的制备方法 非晶合金的制备原理为：使液态金属以大于临界冷却速度急速冷却，使结 晶过程受阻而形成非晶态，并且将这种热力学上的亚稳态保持下来，冷却到玻 璃转变温度以下而不向晶态转变。通常采用大约1 0 5 1 0 6 k s 的冷却速度。 非晶合金的制各方法大体上可以分为原子沉积法和液相急冷法两大类。目 前，非晶金属和合金的制备以液相急冷法为主，这种方法是将金属或合金加热 熔融成液态，然后通过各种不同的途径使它们以1 0 5 1 0 6 k s 的快速冷却，液态金 属的无序结构得以保持下来而形成非晶态。用这种方法制备的非晶合金常为带 状而且比表面积较小，但它却因为具有良好的电磁性能而得到迅速发展。 l引言 液相急冷法分为单辊法和双辊法，单辊法的其中两种典型的生产方法是自 由喷射甩出法和平面流铸法。自由喷射甩出法是指喷嘴距辊面的距离较远，在 压力的作用下将熔融金属通过一个圆柱状喷嘴喷射到辊面上。平面流铸法的特 点是：将熔融金属通过一个带有狭缝的喷嘴铸到旋转的辊面上，喷嘴距辊面约 为0 5 m m ，熔池同时与喷嘴和辊面接触，保持稳定的矩形状；通过喷嘴的熔融金 属的流量受控于压力和喷嘴一辊面的间距。适合生产宽带非晶合金带，宽度达 g u 3 0 0 m m ，一般工业生产可达至u 2 1 0 m m i 2 4 乃】。 双辊急冷轧制法是将熔融合金喷射到两个反向高速旋转的轧辊之间，在快 速凝固过程中被轧制成薄带，适用于制备厚度较大、硬度稍低的非晶态金属带 材。双辊法的冷却速率大于单辊法，并且可以使带材两表面质量相同、均匀。 但由于工程技术方面的问题，工业生产上很少采用这种带材制备方法。 1 9 9 9 年，我国的非晶微晶合金工程技术中心已拥有千吨级非晶制品生产线。 整个工艺过程由配料、冶炼、制带、自动卷取铁芯制造等4 大环节组成【2 6 】。铁基 非晶合金的制备工艺已经很成熟。另外，已有人开始研究作为结构材料的非晶 带材的制备工艺控制方法，并开发出了高抗拉强度的实用非晶带状结构材料【2 7 】。 1 2 压磁效应 磁性材料在受到外磁场或是外部物理作用时，其磁化强度或其他物理量与 磁场强度( 或磁感应强度) 存在非线性关系，因而具有复杂而独特的力学，热学， 电磁学和光学性质，相应的具有特殊的磁力、磁热、磁电、磁光效应。压磁效 应是指铁磁材料受到机械力的作用时，在它的内部产生应变，从而产生应力t l r ， 导致磁导率发生变化的现象。其基本原理是力( 如拉、压、扭) 作用在铁磁体 上，在内部产生应力，根据逆磁致伸缩效应引起材料导磁率变化，由此引起磁 路中磁阻发生变化，因而感应出电势或线圈阻抗改变。 常用的压磁材料主要有铁氧体、金属和非晶态合金，压磁材料具有应变大， 磁导率大且饱和磁感应强度小等特点。目前文献报道有压磁效应的非晶合金主 要有f e s i b 、f e c o s i b 、f e n i s i b 、f e c o z r 、t b f e c o 、g d f e c o 、c o s i b 、f e p c 、 c o f e s i b 或者添加一些过渡族金属改性的f e s i b 材料【2 8 。5 1 。非晶材料的压磁特 性不仅与材料的成分有关，还与内应力、表面状态、内部质量( 尤其是气孔分布) 关系密切。 4 1 引言 1 2 1 基本概念 ( 1 ) 磁致伸缩效应 铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小变化，这种现 象称为磁致伸缩效应，其中长度的变化称为焦耳效应或线性磁致伸缩，体积的 变化称为体积磁致伸缩。磁致伸缩效应的微观来源是由于强磁体中磁电子磁矩 ( 自旋) 与晶格的藕合作用，即通过磁自旋波与晶格弹性波( 声子) 之间的相互作用 而产生的。 从实验结果得知，磁致伸缩引起的长度变化a l = l - l o 是很小的，和o 分别 表示磁场为零和不为零时材料的长度，通常用长度的相对变化： 见：竽 ( 1 1 ) 来表示磁致伸缩的大小。 材料的磁致伸缩系数一般很小，数量级约为l o 。6 ，而且a 可正可负。当材 料的a 为正时，称该材料为正磁致伸缩材料，表示沿磁化方向的晶轴长度伸长； 反之，当材料的a 为负时，称之为负磁致伸缩材料，表示沿磁化方向的晶轴长 度缩短。 ( 2 ) 压磁效应 与磁致伸缩效应相反，若给已磁化了的铁磁材料施加拉力或压力，从而产 生应变并伴磁体内磁通密度的变化，进而导致其内部磁化状态变化，最终阻抗 发生显著变化的现象，这种现象是磁致伸缩效应的逆效应，又称为压磁效应， 或维拉里m l l 撕) 效应【3 6 1 。铁磁材料产生压磁效应时，如果作用为拉应力，在作 用力方向上的磁导率提高，而在与作用力垂直的方向上，磁导率略有降低。反 之，当铁磁材料上的作用为压应力时，则其效果正好相反。且铁磁材料的相对 磁导率与机械应力之间有如下关系【3 7 】： 等畚掣 m 2 ， b 二l 式中，为压磁材料的磁导率；九为压磁材料在磁饱和时的应变；风为饱 和磁感应强度；盯表示机械应力。 1 引言 式( 1 2 ) 是压磁传感器的理论数学模型，说明了压磁传感器的工作原理，即 外力( 应力力与相对磁导率( 3 u u ) 变化之间的关系；也可用式( 1 2 ) 来作为选用压 磁传感器的铁磁材料的依据，即能制作压磁传感器的材料必须是： ( 1 ) 能承受大的应力，磁导率要高； ( 2 ) 饱和磁感应强度既要小，这样才能使相对磁导率4 砌变化大。 1 2 2 压磁效应的热力学分析 将非晶软磁材料置于温度丁，压强为尸的系统中，在外磁场h 的作用下， 磁性材料的磁矩由m 增加到m + d m 的过程中，磁化功为- k t o h d m , 若在磁化的 同时伴随有体积y 的变化，则热力学基本等式为： d u = t d s p d v + 乒t o h d m( 1 3 ) 其中，玑s 为材料的内能函数和熵函数。对( 1 3 ) 式做l e g e n d r e 变换，可得材料 的自由焓的全微分为： d e = 一s d t + v d p 一d m d h ( 1 4 ) 根据( 1 4 ) 式及全微分性质，得： ( 飘p 一心( 觏 m 5 ， 此式左边表示磁性材料的体积v 在保持n 尸不变的情况下对外磁场日的 响应，即为磁致伸缩效应；此式右边表示磁性材料的磁矩m 在保持乃h 不变 的情况下对压强p 的响应，即为压磁效应。该式表明由于有磁致伸缩现象的存 在，在磁场中对铁磁试件施加力的作用时，铁磁试件的磁化强度要发生变化， 即产生压磁效应【3 8 】。 1 2 3 压磁效应的理论研究 到目前为止对压磁效应尚缺乏深入的理论研究，对压磁效应的解释，从理 论上可以根据与g m i 效应相似的原理【3 9 - 4 2 1 。g m i 效应【2 9 】是指磁性材料的交流 阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的现象，g m i 是一种经典电磁效 应，它来源于材料磁导率随外加磁场的变化。磁导率的影响因素除了外加磁场 之外，材料内部的应力也是重要的影响因素。 s h i n 等用趋肤效应来定性解释压磁阻抗效应的起源。当铁磁材料受到应力 6 1 引言 作用时，材料将发生相应的应变，由于磁弹耦合作用，铁磁材料内部的等效磁 场会发生变化，进而影响材料的自发磁化，并进一步影响材料的有效磁导率， 使材料的趋肤深度万= 4 p 万儿发生变化。 对长、高、宽分别为，w 、，的薄膜，其阻抗可表示为： z = ( k p l 2 w ) c t h ( k t l 2 )( 1 6 ) 式中，七= ( 1 + i ) s ( j 为趋肤深度) 。因此，阻抗随外加应力的变化而变化。 l i 等用经典的动力学理论来解释非晶带的压磁效应。对于非晶带材，在轴向 通以高频交流电流，当材料发生应变时，导致材料的有效磁导率发生变化，趋 肤深度发生变化。当趋肤深度小于非晶带材厚度时，非晶带材的阻抗可以用下 式表示： z = ( 1 - i ) 嘉= 訾厮 ( 1 7 ) 式中：6 为趋肤深度，c 为光速，p 为非晶带材的直流电阻率，为非晶带材 宽度，三为非晶带材长度。由式1 7 可以看出，非晶带阻抗大小与横向磁导率“的 平方根成正比，对于具有磁致伸缩性的非晶带来说，其磁导率会随着外加应力 的变化而变化，导致阻抗随外加应力变化而变化。 从上述理论分析来看，非晶材料的压磁效应与有效磁导率有直接关系，但 是有效磁导率的表达式非常复杂，与交流电流的幅值、频率、外加应力以及非 晶态材料本身的特性都有关系，目前还没有明确的表达式来表示有效磁导率跟 这些量的关系，因此，目前有关应力阻抗大小的研究还只是停留在定性描述阶 段【3 7 1 。 1 2 4 压磁效应的应用 非晶态合金不仅具有优异的材料性能，而且生产工艺简单、适宜于大量生 产，是一种理想的传感器敏感材料。利用非晶软磁合金的( 逆) 磁致伸缩效应、 电磁感应效应、磁阻效应等敏感机理，可开发出多种结构简单、价格低廉、可 靠性高的传感器。非晶态合金传感器的研究始于日本，1 9 7 8 年k m o h r i 率先用 f e 基非晶态合金研制成功力传感器，此后，各种以非晶态合金为敏感元件的传 感器相继问世。近年来，国内外人士在此研究领域中取得了丰硕成果，并在工 程机械、交通、医学、航天、电力、微生物、微电子等领域获得了广泛的应用。 7 l 引言 压磁式传感器( 也称磁弹性传感器) 是近几年来国内外新兴的一种新型传感 器。它的作用原理是建立在磁弹性效应的基础上，即利用这种传感器将作用力 变换成传感器导磁率的变化，并通过导磁率的变化输出相应变化的电信号。比 如，英国w a l e s 大学用非晶丝的压磁效应制成了加速度传感器；法国k a r l s r h e 大学应用压磁效应以非晶态金属合金为压磁元件制成了压力传感器。 压磁式传感器具有结构简单、输出功率大、抗干扰能力强、信号强、便于 制造、成本低等优点。与压电式传感器相比，信号放大电路简单，无需电荷放 大器，无需特殊的同轴电缆，只用一般导线即可；与电阻应变式传感器相比， 无需粘贴，安装方法简单等优点，所以对它的研究有非常重要的理论和实用价 值 4 3 , 4 4 。 ( 1 ) 压磁式扭矩传感器 压磁式扭矩传感器被广泛应用于大型动力机械的扭矩测量。主要优点是可 实现非接触测量，无需经常检修，没有电刷和集流环产生的干扰信号、工作可 靠、坚固耐用；对扭转轴的材质要求不高，一般采用低碳钢即可。 r ( 巴【墨 ( r 图1 1 压磁式扭矩传感器 原理图如图1 1 所示，长螺线圈管中通以交流电，在扭轴周围形成交变磁场， 称为励磁线圈，两个短螺线圈管用来产生感应电势，称为测量线圈。当扭力轴 受转矩作用时，扭轴沿正应力方向磁阻减小，沿负应力方向磁阻增大，其表面 上出现各向异性磁阻特性，使交变磁场的磁力线重新分布，从而使测量线圈上 的感应电势发生相应的变化。这样，通过检测感应电势，便可测量扭矩【4 5 , 4 6 l 。 ( 2 ) 压磁式压力传感器 压磁式压力传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和 电路简单，能在恶劣环境中长期可靠工作，寿命长等一系列优点，虽精度稍低， 8 1 引言 但在恶劣环境及要求寿命长和使用条件不高的重工业，化学工业应用较广泛， 如冶金、矿山、造纸、运输、衡量等领域的测力和称重等。 图1 2 是一种典型的压磁式压力传感器的结构图【4 ”7 1 ，该传感器运用了磁 场平衡原理。压磁元件上冲有互相垂直的4 个孔，孔l 、2 中绕有励磁绕组，孔 3 、4 中绕有测量绕组。当传感器处于受力状态时，压力方向上的磁导率下降， 磁阻增大；垂直于压力方向上的磁导率上升，磁阻减小，测量线圈中将产生感 应电热。作用力f 越大，测量线圈中的磁通越多，感应电势也就越大。经 变换处理后，即能用电流或电压来表示被测力f 的大小。 图1 2 压磁式压力传感器的结构图1 3非晶带加速度传感器 ( 3 ) 压磁式加速度传感器 加速度传感器是工业中常用的一种传感器。常见的有压电式加速度传感器， 电阻应变式加速度传感器。英国的yc h o u d h a r y 等人利用非晶带的压磁效应研 制了一种新型的加速度传感器，如图1 3 所示 4 5 , 4 8 j 。 。 图1 3 中，通过振动块将非晶带端部夹紧使非晶带构成一个闭合回路。支 撑臂的距离可调，这样通过调节支撑臂的距离使非晶带有合适的预紧力。为了 防止振动块振动时非晶带的滑动，把非晶带与支撑臂粘在一起。 该传感器有一个测量线圈和一个励磁线圈。励磁线圈通交流电，其产生的 磁场强度在材料的髓日特性线性范围内。当非晶带未受力时，测量线圈感生电 压的大小只与回路中的磁感应强度对时间的变化率( d b d t ) 成正比。当非晶带受 力后，其磁导率发生变化，从而使感生电压的幅值随非晶带的受力情况发生变 化。非晶带所受到的力与振动块的加速度有关，因此可以说，感生电压的幅值 是随振动块加速度的变化而变化的，这就是该加速度传感器的原理。这里感生 电压相当于载波信号，而非晶带磁导率的变化相当于调制信号。因此，为了达 到满意的效果，励磁电流的频率应远大于最大的磁导率变化的频率【4 9 1 。 9 1 引言 1 3 本课题研究的意义及主要内容 随着纳米科学技术和快淬技术的迅速发展，非晶、纳米晶软磁合金材料在 不断进步，不仅现已产业化的薄带产品性能和质量大大提高，而且还在研制开 发非晶、纳米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、复合材料等，这些新型材料 的研制开发及产业化将对电子行业产生极大的潜在影响。 利用非晶态合金的各种独特的物理效应，包括巨磁阻抗( g m i ) 效应、磁致伸 缩效应、压磁效应等，开发各类高性能传感器一直受到特别关注。传感器被广 泛地应用于信息技术、自动控制、交通运输、电力电子、医疗仪器等诸多领域， 在现代工业中地位举足轻重。随着对非晶态合金研究的深入，其压磁效应已经 在传感器中有体现出了巨大的应用前景。目前对压磁效应的研究主要集中于c o 基和f e 基材料，包括丝、薄带、薄膜等形态。压磁式传感器是近年来新兴的一 种新型传感器，它具有输出功率大、结构简单、抗干扰性能好、过载能力强， 工艺简单、适于静态、动态力测量、信号放大电路简单、安装方法简单等特点； 同时关于它的许多方面，如磁性材料的选择、弹性元件的设计、励磁方式的选 择、磁性材料的热处理、输出特性等在理论和技术上尚未成熟。因此研究铁基 非晶合金的压磁效应有非常重大的意义。 考虑到铁基薄带材料具有价格便宜、资源丰富、灵敏度高等实际应用方面 的优势，本论文选择f e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 、f e 7 s s i l 3 8 9 和f e 7 2 c o s s i l s b 5 非晶薄带 作为研究对象，主要研究内容包括： 一 ( 1 ) 分析铁基非晶带材的压磁性能随着外加应力和测试频率的变化情况。 ( 2 ) 讨论表面状态、测试温度和相对湿度对铁基非晶带材压磁性能的影响。 ( 3 ) 比较几种铁基非晶带材的压磁性能。 l o 2 材料的制备和分析方法 2 材料的制备和分析方法 2 1实验所用的试剂和设备 2 1 1 主要原料及试剂 f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 、f e 7 8 s i l 3 8 9 和f e 7 2 c 0 8 s i l 5 8 5 ，江西宜春大有公司：1 0 7 硅橡胶，江西南昌国燕橡胶厂；正硅酸乙酯， 分析纯：钛酸酯n d z 1 0 5 ，分 析纯；四氢呋喃，分析纯；二丁基二月桂酸锡，分析纯；丙酮，分析纯。 2 1 2 主要设备 实验所用主要设备见表2 1 。 表2 i 实验仪器 2 2 样品的制备 选用三种不同成份的铁基非晶带材做为研究对象：f e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 非晶 带材宽度为5 m m ，厚度为2 7 9 i n ；f e 7 8 s i l 3 8 9 非晶带材宽度为4 s m m ，厚度为 2 5 9 m ；f e 7 2 c o s s i l s b 5 非晶带材宽度为5 s m m 宽，厚度为2 5 1 t m 。 ( 1 ) 自由表面状态样品的制备 将三种铁基带材分别截取长度为5 m m 的带条，两端处用砂纸打磨成粗糙面， 2 材料的制备和分析方法 然后将6 0 m m 长的铜导线焊接在试样打磨处。焊后用万用表测试完全导通，测试 样品如图2 1 示。将焊接好的样品在丙酮溶液中超声波清洗，后放入干燥箱内 干燥。 图2 1 测试样品 ( 2 ) 有机硅表面状态样品的制备 将部分自由表面状态的样品浸入特制的有机硅中，1 - 2 m i n 后以3 0 m m m i n 的速度缓慢提拉，垂直悬挂5 m i n 后用医用棉将其底部的有机硅吸干，再水平放 置并固定两端，最后放入5 0 干燥箱内固化。待其固化后用电子数显千分尺测 量有机硅厚度，厚度约为4 0 um 。 ( 3 ) e v a 胶表面状态样品的制备 将部分自由表面状态的样品经超声波清洗后，进行e v a 胶表面处理。将 e v a 胶涂覆在样品表面，之后水平放置并使其固定在载玻片上。用电子数显千 分尺测量e v a 硅厚度，厚度约为4 0i tr n 。 2 3 性能测试方法 2 3 1x 射线衍射分析 用德国产的b r u k e rd 8 型x 射线衍射仪( x r d ) 对非晶合金进行结构分析。 测试参数为：c u k a 辐射，石墨单色器滤波，特征波长护0 1 5 4 n m ，电压3 5 k v ， 电流6 0 m a ，扫描步长0 0 2 。，衍射角( 2 0 ) 范围为1 0 0 - - - 9 0 。 2 3 2 扫描电镜分析 微观形貌采用s - 3 0 0 0 n 型扫描电镜观察，工作电压2 0 0 k v 。 1 2 2 材料的制备和分析方法 2 3 3 压磁性能测试 压磁效应的基本原理是力作用在非晶合金上，在内部产生应力，根据逆磁 致伸缩效应引起材料导磁率变化，由此引起磁路中磁阻发生变化，因而感应出 电势或阻抗改变。 测量阻抗的分析仪主要有：h p 阻抗分析仪系列、网络分析仪、波谱分析仪， 或者是利用信号器产生的交流电压加在样品两端，再利用阻抗分析仪测量出阻 抗值。本实验用的是4 2 8 4 a 型阻抗分析仪，其可测频率范围是0 h z 1 m h z ， 其阻抗精度为士0 0 8 。选择“z - 矽 测试方式后对阻抗仪进行短路和开路校 准，设置测试频率后进行测试。 。 ( 1 ) 压磁性能的表征 以灵敏度l 彳z i 和应力阻抗效应酣乡徕表征非晶薄膜的压磁性能【4 4 ，5 5 4 1 。 i a z i = i z p ) 一z ( o 】 ( 2 1 ) 式中，z f 砂一薄膜受压应力仃时的阻抗值；z 俐一薄膜未受应力时的阻抗值。 i a z l 表示在某测试频率时薄膜受压应力后相对于未受压应力时阻抗变化的大 小。 田：型1 0 i f , 4 ：竖：) 二鱼! 1 0 0 。, 4 ( 2 2 ) 田= l 一 = l 二二型二 ( ) z z ( o ， s i 为受压应力后阻抗z 的变化量l 彳z l 与未受压应力时的阻抗z 倒的比值， 用以表征某压应力时阻抗的变化幅度。 实验中，为得到较稳定可靠的数据和结论，必须注意的几个问题：a 所有 需要进行比较的样品，需在相同的测试条件下进行压磁性能测试：b 加压过程 中，须保持受力与受力点的稳定，尽量减小系统误差；c 数据的读取过程中必 须保证所有数据在阻抗仪显示屏的变化幅度类似并同时记录。 ( 2 ) 测试装置的设计 本实验所选用的压磁性能测试装置如图2 2 所示。在正压应力条件下，加 载装置由支架和加力块两部分组成，支架是用聚四氟乙烯做的圆柱体，下面正 中开有矩形槽，支架起固定加力块的作用。加力块是用聚四氟乙烯和钢块做成 的圆柱体，质量为7 0 克的聚四氟乙烯块两块，其中一个聚四氟乙烯加力块下面 1 3 2 材料的制备和分析方法 正中有一凸出的圆柱形压头，压头直径为4 9 m m ，与测试样品直接接触；其余 的加力块为钢块【3 7 1 。 图2 2 压磁测试的加载装置 ( 3 ) 样品的测试 压磁效应测试原理如图2 - 3 所示，首先将样品粘贴在载玻片上，然后放入 到支架的矩形槽中，将带材的中心位置固定在支架的圆心上。然后在薄带的中 心位置施加压力，压力范围为o n 1 8 8 n 。最后将导线与4 2 8 4 a 阻抗仪的夹具 连接，在施加压块同时记录测试数据。 加载步骤：先将带有圆柱形压头的聚四氟乙烯加力块加载到样品上；再将 另一个四氟乙烯加力块加载到样品上；之后加载钢块。 图2 3 压磁性能捌9 试原理图 f e 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 带材与压头接触面积为1 9 m m 2 ，压应力范围为o 1 m p a ：f e 7 s s i l 3 8 9 带材与压头接触面积为1 7 7 5 m m 2 ，压应力范围为0 - - 1 0 6m p a r f e 7 2 c o s s i s b 5 带材与压头接触面积为1 9 m m 2 ，压应力范围为0 - l m p a 。 a 不同温度下样品的测试 将测试样品固定在特制的密封玻璃容器中，留出一段导线与阻抗仪夹具连 1 4 2 材料的制备和分析方法 接，后将玻璃容器放置于在数字恒温水槽中，通过调节恒温水槽中水温来精确 控制测试温度，测试温度为常温, - ，5 0 。c 。 b 不同湿度下样品的测试 测试样品固定在特制密封玻璃容器后将整个测试装置放入到真空手套箱 中，向手套箱中充入热气，待其冷却后测试，测试湿度为3 0 r h 7 5 r h 。 1 5 3 结果和分析 3 结果和分析 3 1 f e 7 35 c u i n b 3 s i l 35 8 9 非晶带材 31 1f e c u n b s i b 非晶带材的结构分析 f 1 ) x - r a y 分析 图3 1 是f e c u n b s i b 非晶粉体的x r d 衍射图谱。衍射图谱无晶化峰出现，在 2 0 - 4 4 0 附近出现一个“馒头峰”表现出典型的长程无序结构衍射特征，说明结构为 单一的非晶相。 佗1s e m 分析 图3 2 是f e 7 35 c u i n s i ”5 8 9 合金的扫描电镜形貌相可见组织均匀，没有 晶粒及晶界存在，具有非晶的典型组织特征。 图3l 非晶f e c u j ：量b 带材x r d 图谱 图32 非品f e c 帅s i b 带材s e m 分析 3 1 2 三种表面状态下f e c u n b s i b 非晶带材的阻抗值z 应用4 2 8 4 a 阻抗分析仪在室温1 9 相对湿度为4 0 r h 条件下进行测试， 表3 1 、表3 2 、表33 分别是自由表面状态、有机硅表面状态、e v a 胶表面状 态的非晶f e c u n b s i b 带材的阻抗z 。 从表可知阻抗z 的变化情况：r 1 ) 在同一频率下，非晶带材的阻抗z 随着压应 力的增大而减小。( 2 ) 在同一压应力下，随着测试频率的升高，非晶带材的阻抗 3 结果和分析 z 增大。由于高频电流通过导体时，电流将集中在导体表面产生趋肤效应，趋肤 深度6 随着频率的升高而减小，根据式( 1 6 ) 和式( 1 7 ) 可知非晶带材的阻抗z 与6 成 反比，故阻抗z 随频率的升高而增大。( 3 ) 在相同条件下，有机硅和e v a 胶表面 状态的非晶带材的阻抗z 大于自由表面状态的带材的阻抗。 例如，当测试频率为5 0 k h z 时，压