Механизмы перемагничивания магнитных материалов. Моделирование процессов перемагничивания. Учебное пособие

Соединение SmCo5, согласно рисунку 5, образуется в результате перитектической реакции, имеет гексагональную кристаллическую решетку (рисунок 6), в которой атомы Sm находятся в вершинах призмы, образуя каркас решетки, а атомы Co, как правило, парами находятся в межатомном пространстве. Замена пары атомов кобальта на атом самария изменяет состав, создавая следующее химическое соединение с гексагональной решеткой. Явление в кристаллографии носит название политипии и характерно практически для всех соединений редкоземельных металлов с 3d- переходными металлами.

Таблица 2 – Магнитные свойства соединений RCo5

* Монокристаллические образцы.

3.2 Особенности процессов перенамагничивания высокоанизотропных соединений РЗМ

К настоящему времени общепризнанным считается, что высококоэрцитивное состояние в одноосных высокоанизотропных материалах определяется трудностью образования зародыша обратной намагниченности.

Для правильной интерпретации экспериментальных результатов при таком механизме перемагничивания, а также для определения путей дальнейшего усовершенствования технологии и улучшения магнитных свойств необходимо учитывать его существенные особенности.

Высокие значения энергии магнитной кристаллической анизотропии предопределяют невозможность реализации при перемагничивании механизма вращения вектора намагничен-

21

ности (когерентного или некогерентного). Даже при наличии прямоугольной петли гистерезиса процесс перемагничивания данного объема осуществляется зародышеобразованием и быстротечным прохождением образовавшейся доменной стенки через весь объем.

Важнейшей особенностью данного механизма перемагничивания является зависимость поля возникновения зародыша обратной намагниченности H0 от величины намагничивающего поля, приложенного перед размагничиванием Hm. Следует отметить, что строгого объяснения причин этой особенности пока нет, но основное предположение заключается в том, что увеличение намагничивающего поля уменьшает или удаляет те локальные неоднородности намагниченности, которые возникают в местах дефектов кристаллической структуры.

На рисунке 7 представлена схема изменения петель гистерезиса частицы по мере увеличения внешнего намагничивающего поля (Нm). Следует отметить, что исходное состояние частицы

– размагниченное и она находится в многодоменном состоянии, так как ее размер больше критического размера однодоменности. Размер однодоменности для SmCo5 – 0,5 мкм (500 нм). Важный момент: наклон кривой (прямой) намагничивания определяется размагничивающим фактором частицы (рисунок 7, а). При намагничивающих полях меньше поля насыщения Hs петля безгистерезисная, коэрцитивная сила равна нулю, процесс полностью обратим. В этой модели предполагается, что смещение доменной стенки происходит без торможения. Это физически оправдано, так как при больших значениях константы кристаллической анизотропии энергия на образование зародыша перемагничивания существенно больше, чем изменение энергии за счет увеличения поверхности доменной стенки.

При намагничивающем поле больше, чем поле насыщения Нs, появляется необратимость в форме петли гистерезиса, но она в целом по-прежнему безгистерезисная, так как образование зародыша перемагничивания происходит в положительном поле (рисунок 7, б).

Дальнейшее увеличение намагничивающего поля приводит к тому, что появление зародыша перемагничивания происходит в отрицательном поле. Петля гистерезиса имеет некоторое значение коэрцитивной силы, которое равно полю образования зародыша намагничивания Нo (рисунок 7, в).

22

При существенном увеличении намагничивающего поля наступает состояние, когда зародыш перемагничивания образуется в полях, значение которых заметно больше поля насыщения Нs. Частица будет оставаться в однодоменном состоянии при любых значения внешнего поля (рисунок 7, г). На представленных рисунках видно, что по своему физическому смыслу значение поля возникновения зародыша перемагничивания и является коэрцитивной силой рассматриваемой частицы.

Рисунок 7 – Петли гистерезиса при различных внешних намагничивающих полях: а – Нm < Hs; б – Нm > Hs; в – Hm >> Нs; г – Нm >>> Hs

Второй важнейшей особенностью данного механизма перемагничивания в высокоанизотропных материалах является зависимость коэрцитивной силы частиц от их размера. Чем меньше частица, тем больше будет поле образования зародыша, то есть ее коэрцитивная сила.

Обе указанные особенности тесно связаны. Если образование зародыша перемагничивания связано с наличием дефекта кристаллической структуры и его эффективностью, то чем меньше размер частицы, тем меньше вероятность наличия в ней такого дефекта. Этим и обусловлена зависимость коэрцитивной силы частиц от их размера.

Более того, рисунок 7 можно использовать для оценки роли размера в величине коэрцитивной силы. Если части-

23

ца большого размера, то высока вероятность нахождения в ней дефектов, в которых легко образуется зародыш перемагничивания, следовательно, такая частица будет иметь безгистерезисную петлю, соответствующую рисунку 7, а. С уменьшением размера частицы уменьшается вероятность наличия эффективного кристаллического дефекта. Рисунки 7 б, в соответствуют последовательному уменьшению размера частицы.

По результатам развития технологии производства постоянных магнитов можно оценить размер частиц, соответствующих рисунку 7, г, – это 5–10 мкм для соединения SmCo5.

Следует отметить, что переход при малом размере частиц к однодоменному состоянию не означает, что частица находится в равновесном однодоменном состоянии. В таких частицах после термического размагничивания реализуется многодоменная структура, так как их размер больше критического размера однодоменности, а после приложения большого магнитного поля она может оставаться в однодоменном состоянии, сохраняя его даже в отрицательных полях, перемагничивается скачком, но в результате смещения доменной границы.

3.3 Структура и магнитные свойства соединения Nd2Fe14B

Важным этапом в разработке магнитотвердых материалов было сообщение в 1984 году о новом соединении Nd2Fe14B (рисунок 8), из которого были получены постоянные магниты с энергией более 30 МГсЭ. Здесь необходимо отметить следующие обстоятельства: к моменту появления первых сведений о соединении Nd2Fe14B были изучены практически все системы РЗМ– 3d-переходные, но свойств, более высоких, чем для соединения SmCo5, получено не было. Тому имелись причины: из соединений типа RCo5 только у соединения SmCo5 была самая высокая константа магнитной анизотропии. Из соединений типа R2Co17 у соединения с самарием была самая высокая намагниченность насыщения, но константа анизотропии была меньше, чем у SmCo5, что не давало возможности получить высокое значение коэрцитивной силы. Почти все соединения РЗМ с железом, хотя и имели более высокое значение намагниченности, имели отрицательное значение констант анизотропии, что исключало их использование как материала для постоянных магнитов.

24

Рисунок 8 – Диаграмма состояния и кристаллическая структура фазы Nd2Fe14B

Рисунок 9 – Взаиморасположение атомов в кристаллической решетке Nd2Fe14B

Использование в качестве третьего элемента соединения металлоида бора существенно изменило картину. Соединение Nd2Fe14B имеет сложную тетрагональную решетку (рисунок 9). Каждый атом бора расположен в тригональной призме, образо-

25

ванной атомами железа. Изменение межатомных расстояний между атомами железа привело к увеличению намагниченности соединения, а наличие тетрагональной кристаллической структуры – к появлению положительной одноосной магнитной анизотропии. Намагниченность насыщения соединения равна 1,6 Тл, температура Кюри – 585 К, поле анизотропии – 80 кЭ.

Высококоэрцитивное состояние обусловлено, как и у соединения SmCo5, трудностью образования зародышей с обратным направлением вектора намагниченности в мелких монокристаллических частицах. Как по природе высококоэрцитивного состояния, так и по технологии изготовления сплав является аналогом соединения SmCo5. Вопрос уменьшения температурного коэффициента индукции решается, так же как и в случае SmCo5 – легированием тяжелыми РЗМ. В настоящее время в России на ряде предприятий налажен серийный выпуск магнитов этой системы. Магнитные свойства выпускаемых магнитов регламентируются ГОСТ Р 52956–2008 и техническими условиями отраслей или предприятий.

На сплавах этой системы получены рекордные для настоящего времени значения максимальной магнитной энергии – более 480 кДж/м3 (60 МГсЭ). В таблице 3 приведены свойства всех типов магнитов на основе соединений РЗМ фирмы Vacuumschmelze (Германия) наиболее представительной из производителей данных магнитов.

Таблица 3 – Магнитные свойства соединений R2Fe14B

26

Общность технологических приемов получения постоянных магнитов и физических принципов высококоэрцитивного состояния позволяют отметить и общие особенности процессов перемагничивания в этих материалах.

Одна из особенностей магнитного поведения этих материалов связана с зависимостью коэрцитивной силы от размера частиц и от влияния на нее напряженности приложенного магнитного поля. Эти свойства приводят к существенному влиянию исходного магнитного состояния на процессы намагничивания и перемагничивания.

В первую очередь исходное магнитное состояние определяет способ его размагничивания. Размагниченное состояние образца соответствует ситуации, когда в одной его половине вектор намагниченности направлен в одну сторону, а в другой – в противоположную. При этом способы достижения этого состояния могут быть следующими:

-- термическое размагничивание, когда материал нагревается выше температуры Кюри. После его охлаждения доменная структура и распределение микрообъемов по величине коэрцитивной силы определяется статистически и зависит только от формы образца (размагничивающего поля);

-- циклическое размагничивание, или размагничивание знакопеременным полем с убывающей амплитудой. В этом случае все микрообъемы проходят через намагниченное состояние и распределение их по коэрцитивности одинаковое в обоих направлениях;

-- размагничивание образца отрицательным магнитным полем, равным коэрцитивной силе образца. При этом для достижения нулевой остаточной намагниченности в отсутствие магнитного поля необходимо приложить поле несколько больше коэрцитивной силы по намагниченности JHc для устранения явления возврата намагниченности. Такое поле носит название коэрцитивной силы по реманенцу, то есть по нулевой остаточной намагниченности, и обозначается RHc. В этом случае микрообъемы, перемагниченные приложенным полем, будут иметь меньшую коэрцитивною силу, чем оставшиеся неперемагниченными.

На рисунке 10 представлены кривые намагничивания магнита из соединения SmCo5, размагниченного различными способами.

27

Рисунок 10 – Кривые намагничивания образца SmCo5: 1 – после термического размагничивания; 2 – после циклического размагничивания; 3 – после размагничивания отрицательным полем RHc

Рисунок 11 – Зависимости коэрцитивной силы JHc от приложенного максимального поля Hm для образцов Nd2Fe14B для разных магнитных состояний: 1 – измерение проводилось из термически размагниченного состояния; 2 – термически размагниченный

образец; 3 – циклически размагниченный образец; 4 – размагничивание проводилось отрицательным магнитным полем RHc

Исходное магнитное состояние заметно влияет на поведение практически всех магнитных характеристик, но особенно

28

существенно это влияние на структурно зависимую характеристику – коэрцитивную силу. На рисунке 11 представлены полевые зависимости коэрцитивной силы образца Nd2Fe14B, измеренные после различных способов размагничивания.

Все описанные особенности процессов перемагничивания

идополнительные условия, влияющие на процессы перемагничивания, позволяет смоделировать и объяснить предлагаемая методика моделирования магнитного поведения сплавов SmCo5

иNd2Fe14B.

29

4 Моделирование процессов перемагничивания соединений SmCo5 и Nd2Fe14B

4.1 Методика построения модели

4.1.1 Феноменологическая модель перемагничивания

Наиболее близко к пониманию и предсказанию свойств реального материала на основе его локальных характеристик стоит теория микромагнетизма, основой которой является нахождение распределения локальных векторов магнитных моментов из уравнения полной энергии ферромагнетика. Феноменологический подход позволяет учесть индивидуальные гистерезисные свойства микрообъемов и статистику их распределения и дает возможность обойтись без выяснения природы локальных фундаментальных характеристик.

В рамках феноменологической теории была построена математическая модель. Модель материала представляет собой ансамбль многодоменных микрообъемов, в которых слабое закрепление доменных стенок (процесс перемагничивания лимитируется зарождением, образовавшийся домен противоположной магнитной фазы сразу же распространяется до равновесного размера). Особенностью этого типа гистерезиса является зависимость величины поля зарождения и развития обратной магнитной фазы Но от величины предварительно приложенного к материалу положительного намагничивающего поля Нm. Зависимость Нo(Нm) имеет вид, представленный на рисунке 12.

Каждая частица характеризуется параметрами: Js – намагниченность насыщения;

Angle – угол между прикладываемым полем и осью легкой намагниченности. Angle принимался равным нулю, что соответствует идеально текстурованному ансамблю, или задается равномерным распределением от 0 до 90°, что соответствует изотропному ансамблю;

Hanis – поле анизотропии; Hm – поля намагничивания;

Hs – поле насыщения частицы;

30