2 Влияние наноструктурирования объемного материала на магнитные свойства
Различные применения магнитных материалов требуют разных типов кривой
намагничивания и ее характеристик. Материалы, используемые в трансформаторах и
вращающихся электрических машинах, подвергаются воздействию быстро меняющегося
магнитного поля, так что им приходится перемагничиваться много раз в секунду.
Это приводит к потере эффективности и нагреву материала. Нагрев является
следствием внутреннего трения, возникающего при непрерывной переориентации
магнитных доменов. Величина потерь энергии в каждом цикле, выделяющейся в виде
тепла, пропорциональна площади, ограничиваемой петлей гистерезиса. Для подобного
использования необходимы материалы с малой или близкой к нулевой коэрцитивной
силой, что уменьшает площадь петли. Такие материалы называют магнитомягкими. С
другой стороны, постоянные магниты, используемые для создания больших сильных
магнитных полей, должны обла¬дать большой коэрцитивной силой, то есть широкой
петлей гистерезиса. Такие материалы называют магнитожесткими. Для них также
требуются большие зна¬чения насыщения намагниченности.
Рис. 1.4. Обратимая кривая намагничивания нанопорошка сплава Ni-Fe-Co,
демонстрирующая отсутствие гистерезиса. 1 Эрстед =10-4 Тесла
Рис. 1.5. Зависимость остаточной намагниченности Мr от размера d частиц,
составляющих Nd-B-Fe постоянный магнит, отнесенной к значению MS(90) для размера
зерен 90 нм.
Наноструктурирование объемных магнитных материалов может применяться для
создания материалов с заданным видом кривой намагничивания. Ленты аморфного
сплава с составом Fe73.5Cu1Nb3Si13.5В9, полученные методом быстрого охлаждения
на холодном барабане и отожженные при температурах от 673 до 923 К в течение
одного часа в атмосфере инертного газа, состоят из твердого раствора 10 нм
наночастиц железа. Такой сплав достигает индукции насыщения 1,24 Тл, его
остаточная индукция составляет 0,67 Тл, а коэрцитивная сила очень мала – 0,53 А/
м. Гистерезис петли намагничивания наноразмерных порошков аморфных сплавов с
составом Fe69Ni9CO2 и размером зерен 10-15 нм, полученных путем разложения
растворов Fe(CO)5, Ni(CO)4 и Co(NO)(CoO)3 в углеводородном растворителе декалине
(С10Н18) в атмосфере инертного газа, почти отсутствует. На рис. 1.4 показана
кривая намагничивания этого материала. Магнитные материалы, в каждом зерне
которых существует только один домен, демонстрируют отсутствие гистерезиса и
называются суперпарамагнетиками.
Самые сильные постоянные магниты изготавливают из неодима, железа и бора. Их
остаточная индукция составляет до 1,3 Т, а коэрцитивная сила — 0,95 106 А/м.
Исследовалось влияние размера наномасштабных зерен на свойства Nd2Fe14B.
Результаты, приведенные на рис. 1.5 и 1.6, показывают, что для этого материала
коэрцитивная сила существенно уменьшается при размере зерна менее 40 нм, а
остаточная намагниченность увеличивается. Другой подход к изменению параметров
кривой намагничивания этого материала состоит в создании нано-масштабной смеси
магнитотвердых частиц Nd2FeI4B и магнитомягкой α-фазы железа. Измерения влияния
магнитомягких частиц железа, смешанных с магнитотвердым веществом, подтверждает,
что остаточное поле таким путем можно увеличить. Полагают, что это происходит
вследствие обменного взаимодействия между твердыми и мягкими наночастицами,
которое ориентирует вектора намагниченности частиц мягкой фазы в направлении
намагниченности частиц твердой фазы.
Показано, что размер магнитных наночастиц также влияет и на величину Ms, при
которой магнетик насыщается. На рис. 1.7 показано влияние размера частиц на поле
насыщения цинкового феррита, откуда видно, что намагниченность насыщения
существенно возрастает для зерен с размерами меньше 20 нм. Таким образом,
уменьшая размер наночастиц зернистого магнитного материала, можно существенно
улучшить качество производимых из них магнитов.