Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 888-890

Аморфные магнитные материалы были получены более 60 лет назад. Однако интерес к изучению их структурных, магнитных и кинетических свойств сохраняется до сих пор. Этот факт обусловлен возможностью широкого использования аморфных материалов в современной микро- и наноэлектронике при относительно низкой их стоимости [1–3]. Ранее аморфные микропровода в стеклянной оболочке толщиной до 15 мкм c диаметром магнитной жилы 2−40 мкм в основном получали с помощью капельного метода Улитовского–Тейлора. Процесс получения микропроводов в этом случае был нестационарным. Вследствие этого наблюдалась нестабильность их геометрических параметров и физических характеристик. Модификацией капельного метода изготовления аморфных микропроводов является “непрерывный” метод литья, разработанный в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН [4], позволяющий получать “толстые” аморфные микропровода с диаметром магнитной жилы вплоть до 400 мкм. Исследование физических свойств таких микропроводов заслуживает внимания как с научной, так и практической точки зрения.

Данная работа посвящена исследованию структурных и магнитных характеристик Сo₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁ аморфных микропроводов с диаметрами магнитной жилы 35−360 мкм, полученных с помощью модернизированного метода Улитовского–Тейлора. Технология изготовления микропроводов состояла в следующем. Прекурсор в виде стержня диаметром 3.6 мм был изготовлен из модельного сплава Сo₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁ с использованием методики, описанной в [5]. Микропровода с диаметром d магнитной жилы 35−360 мкм были получены путем изменения скорости вытяжки и расстояния от вершины конуса расплава до поверхности закалочной жидкости. Измерения были выполнены на микропроводах с максимальной способностью к изгибу, для которых характерно наличие аморфной структуры. Стеклянная оболочка микропроводов была удалена.

Рентгеновский анализ изучаемых образцов был выполнен на рентгеновском дифрактометре ДРОН–4–07. Морфология поверхности образцов была изучена с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). Приповерхностные локальные кривые намагничивания на участках поверхности размером 2 × 0.03 мм² измерены на магнитооптическом магнетометре [6]. Толщина измеряемого приповерхностного слоя порядка 20 нм. Перемагничивающее поле Н было приложено параллельно длине микропровода. Объемные магнитные характеристики изучаемых микропроводов измерены на вибрационном магнитометре с чувствительностью 2 ∙ 10⁻⁷ G ∙ cм³. Оценка величины импеданса микропроводов осуществлялась путем использования их в качестве сердечника катушки индуктивности. Измерения проводились на частоте 5 кГц при смещении катушки вдоль длины микропровода.

Получены следующие результаты. Среднее значение шероховатости, Ra, микропроводов не превышает 2−3 нм, что свидетельствует о хорошем качестве их поверхности. Магнитная жила имеет стабильные по длине геометрические параметры, обладает гладкой блестящей зеркальной поверхностью, имеет высокую прочность на растяжение вплоть до 5 ГПа и очень высокую пластичность при изгибе, характеризующуюся способностью провода стягиваться в узел без разрушения.

На рис. 1 представлены типичные приповерхностные локальные кривые намагничивания и объемные петли гистерезиса, наблюдаемые для микропроводов. Анализ полученных данных показал, что различие локальных кривых намагничивания не превышает 5%, что свидетельствовало о высокой однородности локальных магнитных характеристик микропроводов. Коэрцитивная сила Н_с микропроводов не превышает 2 Э. Приповерхностные и объемные значения поля насыщения увеличиваются с ростом диаметра микропровода. Этот экспериментальный факт был объяснен влиянием размагничивающего фактора микропроводов на их магнитные характеристики.

Рис. 1.

а – Типичные приповерхностные локальные кривые намагничивания; б – объемные петли гистерезиса, наблюдаемые для изучаемых “толстых” аморфных микропроводов.

На рис. 2 приведены схема взаимного расположения микропровода и катушки индуктивности и типичная зависимость модуля импеданса от положения катушки индуктивности при ее смещении вдоль длины микропровода L. Было обнаружено, что изменения модуля импеданса по длине изучаемых микропроводов не превышает 3%, что также подтверждало их высокое качество.

Рис. 2.

Схема взаимного расположения микропровода и измерительной катушки (а) и типичная зависимость модуля импеданса от положения измерительной катушки при смещении ее вдоль длины микропровода (б).

Учитывая вышеописанные свойства Сo₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁-микропроводов, была рассмотрена возможность их практического применения. В частности, они были использованы при изготовлении микророботов для медицинских целей в виде спирали 1 диаметром 200 мкм, длиной 10 мм (МР1) и спирали 2 диаметром 200 мкм, длиной 10 мм с головкой диаметром 330 мкм и длиной 1 мм, созданной наматыванием исходного микропровода на конце спирали в два слоя (МР2). Возможность использования микророботов в эндоваскулярных медицинских вмешательствах была оценена по их способности к передвижению в стеклянной трубке диаметром 2 мм под действием внешнего градиентного магнитного поля, приложенного параллельно длине трубки. Было найдено, что расстояние, на которое перемещается микроробот МР2 под действием магнитного градиентного поля, примерно в 1.7 раза больше, чем микроробота МР1. Этот факт объяснен наличием магнитной головки, усиливающей взаимодействие микроробота МР2 с внешним магнитным полем.

Была проанализирована также возможность использования Сo₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁ микропроводов для изготовления защитных “подушек”, предохраняющих элементы электронной техники от ударных, вибрационных и тепловых воздействий. Защитные “подушки” были изготовлены в виде микропружин из протяженной аморфной спирали с переменным шагом. Процесс получения пружин заданных размеров осуществляется в одном процессе. Созданные защитные подушки показали высокий уровень служебных характеристик таких, как сверхупругость, высокая прочность, возможность работать в широком интервале положительных и отрицательных температур, а также широком частотном диапазоне.

Таким образом, исследования “толстых” аморфных Co₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁-микропроводов, полученных с помощью модернизированного метода Улитовского–Тейлора, показали, что микропровода имеют стабильные геометрические размеры вдоль длины; гладкую, почти бездефектную поверхность; проявляют высокую пластичность и прочность. Изменения модуля импеданса по длине микропровода не превышает 3%. Перечисленные выше свойства микропроводов предопределили их практическое применение. В частности, показано, что Сo₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁-микропровода в виде спиралей могут быть использованы для создания микророботов, применение которых перспективно при выполнении медицинских вмешательств. Кроме того, они перспективны для изготовления защитных “подушек”, предохраняющих элементы электронной техники от ударных, вибрационных и тепловых воздействий.