Магнитоимпедансная томография – высокочувствительный метод комплексного исследования и экспресс-контроля объемного распределения магнитных свойств магнитомягких проводников

Исследованы серии образцов аморфных магнитомягких сплавов: цилиндрической геометрии - провода Co66Fe4Nb2.5Si12.5B15 радиусов 85 и 90 мкм и длиной от 30 до 90 мм, в исходном состоянии и термообработанные при 523 К (время отжига 2,5; 5 и 8 часов) и 623 К (время отжига 2 часа); - провода Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15 радиуса 60 мкм и длиной 90 мм в исходном состоянии и после термообработки при 623 К в течение 2 часов; планарной геометрии (ленты): - Co68,5Fe4Si15B12,5 (S0) - Co68,6Fe3,9Mo3Si12B12,5 (SMo) - Co65,9Fe3,5W3,1Si16,5B11 (SW) - Co64,5Fe2,5Cr3Si15B15 (SCr) Ленты подвергались следующим термообработкам: - ТО-1: 3 часа при 423 К и остывание до комнатной температуры; - ТО-2: ТО-1 + 3 часа при 523 К и остывание до комнатной температуры. Эффективная магнитная анизотропия всех планарных образцов преимущественно продольная. Индукция насыщения после термообработки практически не изменяется. В свою очередь, остаточная индукция лент S0 и SMo после термообработки уменьшается, что может свидетельствовать об уменьшении продольной компоненты намагниченности. Константа магнитострикции лент по модулю не превышает 2⋅10^-7. При этом константа магнитострикции лент S0 в результате термообработки меняет знак с отрицательного на положительный и увеличивается по модулю; лент SMo – остается положительной, но увеличивается по модулю; лент SW и SCr – остается отрицательной, но уменьшается по модулю. На автоматизированном комплексе магнитоимпедансной спектроскопии получены частотные зависимости импеданса Z всех образцов в диапазоне частот переменного тока f от 0,01 до 100 МГц при действующем значении силы тока 1 мА. Напряженность внешнего магнитного поля H варьировалась от -12 до +12 кА/м. Характер этих зависимостей указывал на неоднородную магнитную структуру всех образцов. С помощью программного пакета Comsol Multiphysics (лицензия 9602434) созданы модели исследуемых образцов. Для цилиндрических проводников создана модель в виде нескольких коаксиальных цилиндрических областей. Для планарных образцов созданы модели двух типов «сэндвич» и «вложенные прямоугольные параллелепипеды», для которых рассмотрены ситуации с симметричным и несимметричным распределением магнитных и геометрических параметров модели. Использование данных моделей позволило реализовать метод магнитоимпедансной томографии, который заключается в следующем. Для каждой области варьировались значения магнитной проницаемости μi, удельной электропроводности σi и геометрических параметров (радиусы для цилиндрических моделей и ширина, толщина для планарных моделей). Используя решения для электрического и магнитного полей, рассчитаны зависимости приведенного импеданса от частоты переменного тока Z(f)/Rdc. При этом f варьировалась от 0,01 до 100 MHz. В массиве смоделированных зависимостей Z(f)/RDC выбирали зависимость, имеющую наименьшее абсолютное отклонение от аналогичной зависимости, полученной экспериментальным путем. Комбинация μi, σi и соответствующих геометрических параметров, при которой смоделированная зависимость Z(f)/Rdc имеет наименьшее отклонение от экспериментальной, является, предположительно, приближением реального распределения этих величин в сечении образца. По результатам магнитоимпедансной томографии цилиндрических образцов получено радиальное распределение магнитной проницаемости, которое позволило оценить распределение константы магнитной анизотропии. Для корректной оценки потребовалось также восстановить магнитополевую зависимость магнитной проницаемости для каждой области провода. После численной оценки константы анизотропии с учетом ее магнитоупругой природы оценен модуль внутренних закалочных напряжений и визуализировано его радиальное распределение. Амплитудное значение модуля закалочных напряжений хорошо согласуется с результатами других авторов, использующих другие подходы к его оценке. Показано, что определенное влияние на распределение магнитной проницаемости по сечению провода может оказывать магнитное взаимодействие между соседними областями с различной ориентацией осей магнитной анизотропии. По результатам магнитоимпедансной томографии планарных образцов показана ограниченность идентификации несимметричного распределения магнитных свойств в реальных образцах по их импедансным спектрам. Поэтому для анализа экспериментальных результатов использовались симметричные модели, с помощью которых получены распределения магнитной проницаемости по сечению лент S0, SMo, SW и SCr в исходном состоянии и после термообработки. Полученные распределения проанализированы с учетом магнитоупругого вклада в магнитную анизотропию, связанного с внутренними закалочными напряжениями. Изменения распределений магнитной проницаемости в результате термообработки объяснены, исходя из изменений магнитоупругой анизотропии вследствие изменения константы магнитострикции и релаксации внутренних закалочных напряжений. Показана возможность оценки и визуализации распределения внутренних закалочных напряжений по сечению ленты по распределению магнитной проницаемости. Сопоставление измеренных частотных зависимостей приведенного импеданса с заранее смоделированными зависимостями при различных распределениях магнитной проницаемости (и электропроводности) по сечению проводника позволяет за очень короткое время оценить данное распределение и организовать его экспресс-контроль. Подобный экспресс-контроль может быть востребован при исследовании и производстве изделий и устройств на основе аморфных магнитомягких проводов и лент (например, радиопоглощающих материалов и покрытий, магнитоимпедансных датчиков магнитного поля) для отбора отрезков проводов и лент с близкими распределениями магнитных свойств с целью улучшения набора эксплуатационных свойств.