1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Радиотехника и электроника
  4. T. 68, № 4, 2023

Радиотехника и электроника, 2023, T. 68, № 4, стр. 396-398

Применение термообработки для оптимизации магнитострикционной компоненты магнитоэлектрического композита

Е. Е. Ивашева a, *, В. С. Леонтьев a, М. И. Бичурин a, В. В. Коледов b

a Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого
173001 Великий Новгород, ул. Большая Санкт-Петербургская, 41, Российская Федерация

b Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
125009 Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7, Российская Федерация

* E-mail: ellen9879@yandex.ru

Поступила в редакцию 16.09.2022
После доработки 26.10.2022
Принята к публикации 26.10.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследовано влияние термообработки магнитострикционной компоненты в магнитоэлектрических (МЭ) композитах, состоящих из пьезоэлектрического и магнитострикционного материала. Экспериментально найдена зависимость МЭ коэффициента по напряжению от частоты без термообработки и с отжигом от 200 до 500 °C аморфного сплава АМАГ493, который выступал в роли магнитострикционной компоненты. Показано, что с увеличением температуры обработки аморфного сплава наблюдается увеличение МЭ-коэффициента по напряжению: максимальное значение МЭ коэффициента наблюдалось при температуре 350°C и составило 29.52 В см–1 Э–1 на частоте резонанса 54 кГц. Доказано, что увеличение МЭ-коэффициента по напряжению происходит за счет улучшения характеристик аморфного сплава в ходе термической обработки, приводящей к частичной нанокристаллизации материала.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время активно проводятся исследования магнитоэлектрического (МЭ) эффекта в структурах с использованием магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов. В таких структурах МЭ-эффект является результатом взаимодействия магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз, т.е. электрическая поляризация индуцируется внешним переменным магнитным полем в присутствии постоянного подмагничивающего поля. Значение МЭ-эффекта характеризуется МЭ-коэффициентом по напряжению α.

Почти во всех монокристаллических мультиферроиках МЭ-эффект довольно незначителен, не превышает 20 мВ см–1 Э–1, и наблюдается, как правило, при низких температурах или в больших магнитных полях, что обусловливает их малое практическое применение. В композитных же структурах, которые содержат магнитострикционную и пьезоэлектрическую фазы, наблюдается гораздо больший по величине МЭ-эффект, поэтому они находят значительно большее практическое применение в различных устройствах на основе данного эффекта. Такими устройствами, например, являются высокочувствительные датчики магнитных полей [1–9]. Как следствие, одной из важнейших задач является повышение чувствительности различных датчиков, где в качестве чувствительного элемента используется МЭ-композит. Исследования, проводимые в данном направлении, показывают, что увеличить величину МЭ-эффекта возможно при переходе аморфной структуры магнитострикционного материала в частичное нанокристаллическое состояние при термической обработке [10].

Цель данной работы – повышение чувствительности магнитоэлектрического композита к магнитному полю для проектирования перспективных высокочувствительных датчиков.

1. ПОДГОТОВКА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Экспериментальное исследование влияния термообработки на величину МЭ-коэффициента проводили на магнитострикционно-пьезоэлектрических МЭ-структурах. На рис. 1 приведен схематичный вид исследуемой МЭ-структуры, которая содержит магнитострикционную пластину аморфного сплава АМАГ493 (Метглас), клей БФ-2 и пьезоэлектрическую пластину ЦТС-19.

Рис. 1.

Магнитоэлектрическая структура: 1 – магнитострикционная пластина аморфного сплава, 2 – клеевая прослойка, 3 – пьезоэлектрическая пластина.

В качестве магнитострикционной фазы МЭ-композита был использован аморфный сплав АМАГ493, изготавливаемый на ПАО “Мстатор” (г. Боровичи, Россия). Пластины Метгласа размером 30 × 10 × 0.02 мм подвергали термической обработке в муфельной печи KSL-1200X-UL (MTI Corp.). Пластины помещали в нагревательную область, и нагревали до заданной температуры в течение 15 мин (температуры отжига составляли 200, 300, 350, 380, 400, 450 и 500°C). Затем Метглас выдерживали при заданной температуре в течение 60 мин, а далее затем пластины охладали до комнатной температуры. В качестве пьезоэлектрика использовали пластины ЦТС-19 размером 30 × 10 × 0.5 мм. После термообработки Метгласа на каждую пластину ЦТС приклеивали по шесть пластин магнитострикционного материала, по три пластины с каждой стороны. Соединение всех слоев производили с помощью клея БФ-2. Образцы сушили в течение 24 ч при комнатной температуре.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Экспериментальное исследование МЭ-образцов осуществлялось в области электромеханического резонанса в режиме продольной моды. Измерительный стенд включал в себя цифровой синхронный усилитель MFLI (Zurich Instruments), магнитометр Dexing Magnet DX-180, катушку индуктивности и постоянный магнит. На катушку индуктивности подавался переменный сигнал с встроенного генератора цифрового синхронного усилителя, за счет чего создавалось переменное магнитное поле. При помощи постоянного магнита происходило создание постоянного подмагничивающего поля. В результате воздействия указанных магнитных полей, из-за поперечного МЭ-эффекта, на обкладках МЭ-образца индуцировался электрический сигнал, фиксирование которого осуществлялось при помощи управляющего программного обеспечения LabOne от Zurich Instruments. Величину постоянного магнитного поля измеряли с помощью магнитометра.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате исследования были получены графики зависимостей МЭ-коэффициента по напряжению от частоты в полученных композитных МЭ-структурах. На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости α от частоты переменного магнитного поля f. Как видно из рис. 2, наибольшие значения МЭ-коэффициента наблюдаются при температурах обработки Метгласа 350 и 450°C.

Рис. 2.

Зависимость МЭ-коэффициента по напряжению от частоты.

В табл. 1 приведены максимальные значения МЭ-коэффициента по напряжению α и значения частоты резонанса fрез для образцов с различной термообработкой магнитострикционной компоненты. Из приведенных данных следует, что максимальное значение МЭ-коэффициента α составляет 29.52 В см–1 Э–1 при температуре 350°C на частоте продольного резонанса fрез = 53.4 кГц. Без термообработки Метгласа максимальное значение МЭ-коэффициента достигает 14.44 В см–1 Э–1 на частоте 54 кГц. Отсюда следует, что термообработка магнитострикционной компоненты позволяет увеличить МЭ-коэффициент по напряжению более чем на 40%.

Таблица 1.

Максимальные значения МЭ-коэффициента по напряжению α и значения частоты резонанса fрез

tобр, °C α, В см–1 Э–1 fрез, кГц
0 17.44 54
200 13.6 54.1
300 22.88 54.3
350 29.52 53.4
380 24.32 54.4
400 12.4 56.7
450 28.32 55.61
500 8.8 52.5

Кроме того, у МЭ-образцов с пластинами Метгласа, которые прошли термообработку, сначала наблюдается возрастание величины постоянного подмагничивающего поля H в сравнении с образцом, на котором магнитострикционные пластины не подвергались отжигу, а затем происходит уменьшение величины H.

Ниже приведена зависимость величины постоянного магнитного поля подмагничивания H от температуры обработки пластин Метгласа tобр, полученная в ходе эксперимента:

tобр, °C H, Э
0 13
200 30
300 40
350 44
380 38
400 17
450 15
500 14

Как видно из приведенных результатов, наибольшее значение H составляет 44 Э, что и соответствует температуре обработки аморфного сплава 350°C.

Явление увеличения МЭ-эффекта, которое наблюдается после термообработки Метгласа, можно связать с кристаллизацией материала, в ходе которой наблюдается образование и рост кристаллов. В результате этого процесса происходит большая упорядоченность магнитных доменов в структуре аморфного сплава [11–13]. Таким образом, используя термическую обработку магнитострикционной компоненты при создании МЭ-композитов, можно улучшить определенные свойства материла и, следовательно, повлиять на увеличение МЭ-эффекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования были изготовлены МЭ-структуры, магнитострикционные пластины которых были подвергнуты отжигу при температурах от 200 до 500°C и которые не подвергались воздействию температуры. Полученные данные показывают, что при температуре отжига 350°C аморфный сплав начинает нанокристаллизоваться и за счет этого наблюдается увеличение МЭ-эффекта и, соответственно, МЭ-коэффициента по напряжению, который составил 29.52 В см–1 Э–1 на частоте 53.4 кГц. Возрастание МЭ-коэффициента по напряжению в композитных структурах открывает возможность повышения чувствительности различных датчиков, в основе которых лежит МЭ-эффект.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

  1. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Tatarenko A.S. Magnetoelectric Composites. Singapore: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2019.

  2. Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S. et al. // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. № 3. P. 031101. https://doi.org/10.1063/1.2836410

  3. Wang Y., Gray D., Berry D. et al. // Adv. Mater. 2011. V. 23. № 35. P. 4111. https://doi.org/10.1002/adma.201100773

  4. Bichurin M., Petrov R., Sokolov O. et al. // Sensors. 2021. V. 21. № 18. P. 6232. https://doi.org/10.3390/s21186232

  5. Wang Y., Li J., Viehland D. // Mater. Today. 2014. V. 17. № 6. P. 269. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.05.004

  6. Dong S., Liu J.-M., Cheong S.W., Ren Z. // Adv. Phys. 2015. V. 64. № 5–6. P. 519. https://doi.org/10.1080/00018732.2015.1114338

  7. Palneedi H., Annapureddy V., Priya S., Ryu J. // Actuators. 2016. V. 5. № 1. Article No. 5010009. https://doi.org/10.33990/act5010009

  8. Chu Z., Pourhosseiniasl M., Dong S. // J. Phys. D Appl. Phys. 2018. V. 51. № 24. P. 243001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aac29b

  9. Leung C.M., Li J., Viehland D., Zhuang X. // J. Phys. D Appl. Phys. 2018. V. 51. № 26. P. 263002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aac60b

  10. Deng T., Chen Z., Di W. et al. // Smart Mater. Struct. 2021. V. 30. № 8. P. 085005. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac0858

  11. Katakam S., Hwang J.Y., Vora H. et al. // Scripta Mater. 2012. V. 66. № 8. P. 538. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.12.028

  12. Jiang W.H., Atzmon M. // Scripta Mater. 2006. V. 54. № 4. P. 333. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.09.052

  13. Datta A., Nathasingh D., Martis R.J. et al. // J. Appl. Phys. 1984. V. 55. № 6. P. 1784.https://doi.org/10.1063/1.333477

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Радиотехника и электроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал