Отчет о научно-исследовательской работе по теме Инжиниринг структурных и электромагнитных свойств аморфных ферромагнитных микропроводников на основе кобальта (промежуточный, этап 2)

Аморфные ферромагнитные микропроводники в стеклянной оболочке на основе кобальта с полным диаметром до 40 мкм и диаметром металлического кора 10-25 мкм, полученные методом закалки из расплава Тейлора-Улитковского, представляют собой перспективный материал для множества технических приложений. Уникальные электродинамические и магнитные свойства аморфных ферромагнитных микропроводников определяются их предельно малым значением коэрцитивной силы, высокой намагниченностью насыщения, совершенной цилиндрической формой и низкой плотностью различного рода дефектов структуры. В таких микропроводниках может наблюдаться эффект гигантского магнитного импеданса, на основе которого разрабатываются высокочувствительные магнитные сенсоры. В НИТУ «МИСиС» изучение аморфных ферромагнитных микропроводников активно ведется на протяжении последнего десятилетия в рамках различных Российских и международных проектов. На основе технологии Улитовского-Тейлора здесь получены образцы микропроводников, которые использовались при разработке новых магнитных и стресс- чувствительных сенсоров. В настоящее время широкое применение аморфных микропроводников в различного рода датчиках и композитных материалах ограничено из-за слабой воспроизводимости их характеристик, наличия магнитного гистерезиса и существенной температурной нестабильности в индустриальном диапазоне температур от минус 40 до плюс 80 градусов Цельсия. Решение указанных проблемных вопросов может быть связано с направленным воздействием на состав, структуру и внутренние закалочные напряжения рассматриваемых микропроводников. В данном проекте инжиниринг свойств и изготовление высококачественных микропроводников с заданными электрическими и магнитными свойствами в широком диапазоне температур, планируется получать за счет добавления в состав металлической жилы небольшого количества хрома (1% - 8 %), оптимизации технологических параметров в процессе литья и последующей дополнительной контролируемой термической обработки микропроводников. Для контроля качества получаемых микропроводников планируется проведения комплексных исследований микроструктуры, электрических и магнитных характеристик. Хорошо известно, что термическая обработка может существенно улучшать характеристики микропроводников. Такая обработка может выполняться путем обычного отжига в печи или с использованием Джоулева нагрева постоянным током заданной величины. При этом результат термообработки определяется после охлаждения образца, без контроля его состояния в процессе отжига. Научная новизна предлагаемого подхода заключается в использовании методов непрерывного мониторинга состояния микропроводника в ходе его термообработки, измерении набора основных характеристик образца после проведения частичных отжигов и, на основании полученных данных, нахождение условий отжига, при которых в микропроводнике формируются требуемые полезные магнитные свойства. В ходе термообработки планируется контролировать: - проводящие свойства микропроводника за счет непрерывного измерения его электрического сопротивления; - структурно-фазовое состояние микропроводника с помощью комплексов синхротронных исследований методами рентгеноструктурного анализа и электронно-микроскопических исследований высокого разрешения. В частности, измерения электрического сопротивления позволят судить об изменениях аморфного состояния микропроводника и процессах кристаллизации. Комплекс синхротронных исследований, включающий рентгеновскую спектроскопию поглощения EXAFS, дифракцию с двумерным 2Θ – сканирующим детектором и рентгеновское малоугловое рассеяние SAXS, позволит получать данные о структурно-фазовых изменениях в единичных образцах микропроводников, которые невозможно получить традиционными методами. Предлагаемый в проекте подход осуществляется впервые. Предварительные исследования показали высокую эффективность мониторинга состояния микропроводника в процессе отжига. Использование предлагаемого комплексного мониторинга в процессе отжига и последующего полного контроля магнитных характеристик, позволит снизить магнитный гистерезис, ограничить температурную нестабильность, существенно повысить воспроизводимость изготавливаемых микропроводников и, тем самым, снять существующие ограничения их практических применений. Разработанные методы оптимизации свойств и изготовленные высококачественные образцы микропроводников на основе кобальта в дальнейшем планируется использовать в новых миниатюрных магнитных и стресс- чувствительных сенсорах.