بخشی از مقاله
چکیده
اثر امپدانس مغناطیسی - MI - در نوارهای آلیاژ آمورف Co68.15Fe4.35Si12.5B15 که به روش انجماد سریع تهیه میشود، مشاهده شده است. در این مقاله، اثر بازپخت کورهای در هوا، بر امپدانس مغناطیسی نوارهای آمورف با دو پهنای متفاوت در دماهای مختلف بررسی شد. بیشترین درصد MI برای نوار آمورف با پهنای 0/81 mm، 120% در دمای 380˚c و برای نوار آمورف با پهنای 4/93 mm، 80% در همان دما مشاهده شد که نشانگر تأثیر مثبت کاهش پهنای نمونه بر اثر امپدانس مغناطیسی در راستای ساخت اسباب حسگری است.
مقدمه
امروزه حسگرهای مغناطیسی نقش مهمی در تجهیزات صنعتی و پزشکی پیدا کردهاند. انواع مختلفی از این حسگرها مانند حسگرهای القایی، اثر هال، مگنتواپتیک، مقاومت مغناطیسی و امپدانس مغناطیسی وجود دارند که در بین آنها حسگر امپدانس مغناطیسی به خاطر داشتن مزایایی از قبیل اندازهی کوچک، حساسیّت بالا، مصرف کم انرژی، دقت بالا و قیمت ارزان مورد توجه بیشتری قرار گرفته است .[1] امپدانس مغناطیسی - MI - شامل تغییر امپدانس الکتریکی کل یک رسانای مغناطیسی - معمولا رسانای فرومغناطیس - تحت اعمال یک میدان یکنواخت خارجی Hext است، وقتی یک جریان متناوب I = I0ei t به اندازهی I0 و فرکانس f از نمونه عبور کند. این جریان طبق قانون آمپر یک میدان مغناطیسی القایی عرضی تولید میکند .[2] اثر MI یک پدیدهی الکترومغناطیسی کلاسیکی است که در فرکانسهای بالا به شدت تحت میدان مغناطیسی طولی اعمال شده، تغییر میکند. اثر MI به عمق پوسته و نفوذپذیری مغناطیسی وابسته است .[4-3] امپدانس رسانای مغناطیسی برای یک نوار که تحت جریان طولی با فرکانس ω قرار دارد به صورت زیر نوشته میشود : [5]
مناسبترین مواد برای کاربرد در اثر امپدانس مغناطیسی - MI - ، مواد مغناطیسی نرم همانند آلیاژهای آمورف و مواد مغناطیسی نانوبلورین هستند. هر چند آلیاژهای آمورف خام - بازپخت نشده - خود کاندید مناسبی برای اثر MI میباشند به کمک بازپخت میتوان خواص مغناطیسی نمونهها را اصلاح کرده و نفوذپذیری مغناطیسی آنها را افزایش، تنگشمغناطیسی و وامغناطیدگی را کاهش داده و در آنها ساختار نانو و ناهمسانگردی مغناطیسی القا و ایجاد کرد. بازپخت با جریانهای مستقیم و متناوب، بازپخت کورهای و بازپخت لیزری همگی تنشهای داخلی را آزاد میکنند و یک محور ناهمسانگردی القا میکنند که میتواند باعث بهبود پاسخ امپدانسی نمونه شود. متداولترین روش بازپخت، گرما دادن به نمونه در کوره با اتمسفر هوا یا خلاء و یا در حضور گازهای بیاثر است که به پخت کورهای مرسوم است. در این روش زمان پخت، دمای پخت، سرعت گرمادهی و پارامترهایی این چنین در بهینه کردن شرایط بازپخت قابل کنترل است.
روش آزمایش:
نوارهای آمورف کبالت پایه Co68.15Fe4.35Si12.5B15 با پهنای مختلف 0/ 81 mm - نمونه - A و 4/93 mm - نمونه - B با استفاده از روش انجماد سریع - روش مذاب چرخان - فراهم شدهاند. در این آزمایش طول نوارها 4 cm انتخاب شده است و همهی نوارها دارای ضخامت یکسان 28/8 ʽm هستند. نوارهای آمورف کبالت پایه در ۰۷۳ دماهای مختلف 250، 350، 380 و550 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت در محیط هوا بازپخت شدهاند. برای اندازهگیری درصد امپدانس مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی خارجی ایستا در راستای طولی نمونه اعمال میشود. این میدان خارجی در محدودهی 0 تا 108Oe توسط یک سیملوله تولید میشود. جریان متناوب و فرکانس اعمالی به نمونه توسط دستگاه مولد جریان متناوب مدل SFG-830 تولید میشود. با انتخاب دامنهی ولتاژ 0/4 mv بر روی دستگاه مولد، جریان متناوب در طول آزمایش 8 mA از نمونه عبور داده میشود. محدودهی فرکانس برای اندازهگیری MI بین 100 KHz تا 10 MHz میباشد که فرکانس بهینه 4 MHz انتخاب شده است.
اندازهگیری امپدانس مغناطیسی از طریق ولتاژ به وسیلهی اسیلوسکوپ مدل GDS-2064 انجام میشود. تغییرات بدست آمده در ولتاژ خروجی در اسیلوسکوپ را ثبت کرده و سپس با توجه به رابطهی زیر درصد امپدانس مغناطیسی بدست آورده میشود:
که در آن Z - H - امپدانس اندازهگیری شده در حضور میدان مغناطیسی یکنواخت و Z - Hmax - ، امپدانس اندازهگیری شده در میدان مغناطیسی اشباع است. میدان مغناطیسی اشباع، ماکزیمم میدانی است که از این میدان بالاتر تغییر شدیدی در امپدانس بر اثر اعمال میدان مغناطیسی خارجی یکنواخت رخ نمیدهد، یعنی حدی که مغناطش با اعمال میدان بزرگتر تغییر نکند. .[6]
بحث و نتیجهگیری:
رفتار مواد مغناطیسی نرم و پاسخ امپدانسی آلیاژهای آمورف، میتواند با بازپخت مناسب بهبود یابد. در برخی موارد در فرایند ساخت این مواد تبدیل به بس بلور میشوند که در آن صورت بازدهی خود را از دست خواهند داد، بنابرایندر گام اوّل از نمونههای تهّیه شده پراش پرتو X گرفته شد، تا از آمورف بودن آنها اطمینان حاصل شود. شکل -1 - الف - نقش پراش پرتو X نمونههای خام آمورف کبالت پایه با پهنای 0/81 و 4/93 میلیمتر را نشان میدهد. عدم وجود قله تیز و وجود قله پهن در زاویه 44/5 درجه در نمودار نمونه خام نشان از آمورف بودن نمونهها دارد .[7]
به منظور بررسی تغییر ساختار نمونهها بعد از بازپخت، ضروری است ساختار نمونه قبل از پخت - در حالت خام - مشخص و سپس با نمونهی بازپخت شده مقایسه شود. بنابراین از نمونههای A که در دماهای مختلف 350 - ، 380 و550 درجه سانتیگراد - بازپخت شدهاند نیز پراش پرتو X گرفته شده است. شکل - -1ب-ت - منحنی پرتو پراش X برای نمونههای بازپختی در دماهای مختلف را نشان میدهد. خاصیت آمورف بودن نمونه تا دمای 380 درجه سانتیگراد باقی میماند. ولی الگوی پراش پرتو X برای نمونه بازپختی در دمای 550 درجه سانتیگراد تشکیل فازهای بلورین SiO2، Fe2O3 وCo را نشان میدهد. وجود اکسیژن در روند بازپخت در هوا باعث اکسید شدن سطح ماده، تغییر ساختار بخشی از ماده از حالت آمورف به بلور و نانوبلور و نیز سنجاق شدن حوزههای مغناطیسی در کنار ناحیه اکسید شده در سطح ماده میگردد. به علت تمایل زیادتر ترکیب با اکسیژن مواد شبهفلز بور و سیلیسیم نسبت به مواد دیگر در این ساختار، با افزایش دما، این مواد از داخل ساختار به ویژه در ناحیهی سطحی و زیر آن، جدا شده و برای ترکیب با اکسیژن به سطح ماده حرکت میکنند. در آنجا با اکسیژن ترکیب شده و ساختارهای SiO2 و B2O3 تشکیل میدهند. با افزایش دما و گذشت زمان در ناحیه زیر سطح، مواد بور و سیلیسیم تقریباً از ترکیب خارج شده و ساختار کبالت و آهن تقریباً خالص به وجود میآید. با این کار به دلیل کاهش ناخالصیها از ساختار کبالت، دمای بلورین شدن آن کاهش مییابد. میتوان گفت خوشههای بلوری ساختار کبالت به صورت مکعبی یا هگزاگونال در ماده به وجود آمده است
8] و .[7 فرآیند اکسید شدن سطح به ما این امکان را میدهد که با به دام انداختن حوزههای مغناطیسی روی سطح و همچنین ایجاد نانوبلورها ضمن کاهش وابستگی دمایی، شرایط را برای کاربرد در حسگرهای مغناطیسی کنترلپذیر کنیم. درصد امپدانس مغناطیسی مربوط به نوارهای خام و بازپخت شده در محیط هوا در دماهای 250، 350، 380 و 550 c محاسبه شد. نمودار درصد امپدانس مغناطیسی بر حسب میدان مغناطیسی خارجی برای نمونههای Aو B در شکل 2 و 3 رسم شده است. با توجه به شکل 2 بیشترین مقدار درصد امپدانس مغناطیسی برای نمونهی A، 120% مشاهده شد که مربوط به دمای 380 c میباشد.
شکل :1 منحنی پرتو پراش x برای نمونه های خام و بازپختی در دماهای مختلف همچنین مطابق شکل 3 بیشترین مقدار درصد امپدانس مغناطیسی برای نمونه B ، 80% مشاهده شد که مربوط به دمای 380 c میباشد.
بازپخت نمونهها در دماهای پایین ابتدا باعث آزاد شدن آن از تنشهای داخلی میشود. با افزایش دمای بازپخت، نمونهها به سوی بلورین شدن، تشکیل نانوبلورکها و نرمی مغناطیسی رفته که آن همراه با افزایش نفوذپذیری مغناطیسی است. افزایش نفوذپذیری مغناطیسی خود باعث افزایش درصد امپدانس مغناطیسی میشود. روند بهبود خواص مغناطیسی و ساختاری با افزایش بیشتر دما متوقف شده و نمونه از نظر مغناطیسی سخت شده و نفوذپذیری مغناطیسی و درنتیجه درصد امپدانس مغناطیسی آن کاهش مییابد.
پس همانطوری که نفوذپذیری ماده به نظم داخلی مغناطش وابسته است، به هندسهی نمونه ،طبیعت القا، میدان، دما، فرکانس و توزیع تنش در ماده نیز بستگی دارد. تغییر در خواص مغناطیسی میتواند ناشی از جابجایی دیواره حوزه و یا چرخش گشتاورهای مغناطیسی در حوزهها باشد. در ارتباط با رفتار فرکانسی، وقتی فرکانس به اندازهی کافی بزرگ باشد، جابجایی دیوارهی حوزهها به علت جریان ادی کاهش قابل ملاحظهای یافته و مغناطش به واسطهی چرخش در
