磁畴壁拓扑结构研究进展

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_(5–x)GeTe_(2)二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.

磁场与应力耦合作用下电工钢磁畴动态观测与磁滞特性模拟

电工钢等磁性材料是构成电力变压器、中高频变压器等电气设备磁路的关键材料,其磁滞特性决定着设备损耗,磁滞特性的本质体现为磁化过程中电工钢内部磁畴畴壁的移动和磁畴的翻转,而外应力的引入会改变电工钢磁畴结构。该文针对磁场和应力耦合作用下取向电工钢磁滞特性的模拟问题,借助应力磁光克尔显微镜观测了应力影响下磁畴动态磁化规律,揭示电工钢内部磁畴动态演变机理。在此基础上,利用图像处理技术获取了耦合外作用下畴壁移动的位移、速度以及加速度等特征量,并以磁畴能量最小化为理论基础,以畴壁移动加速度作为特征量构建表征模型用以模拟电工钢的磁滞特性。结果表明:提取的特征量可直观地了解电工钢内部磁畴在不同应力下的演变过程,基于畴壁移动加速度特征量的磁滞模型能够有效描述电工钢在不同应力下的磁滞特性。研究成果建立了磁畴磁化特征量与材料宏观磁滞特性的映射关系,为磁性材料改性研究提供一定理论支撑。

铁磁畴壁中自旋极化电流诱导的左旋极化自旋波

极化指的是波偏振的方式,是波的一个基本性质.利用波的极化可以进行信息的编码,这一编码方式在光学和声学中得到广泛应用.利用自旋波进行信息的传递和处理是磁子学的主要研究课题.然而在铁磁材料中,由于只存在右旋极化的自旋波,利用波的极化进行信息的编码在铁磁自旋波器件中始终没有实现.前期研究发现,通过自旋极化电流可以在铁磁体中产生左旋极化自旋波,从而有望实现利用极化编码的自旋波器件.然而在一个均匀磁化铁磁体中产生左旋极化自旋波所需的电流密度过大,实验上难以实现.磁畴壁可作为自旋波波导,且畴壁中自旋波的截止频率趋近于零.本文从朗道-栗弗席兹方程出发,研究了在自旋极化电流存在的条件下磁畴壁中自旋波的色散关系和传播特性,证明只需要很小的自旋极化电流就可在畴壁中产生稳定的左旋极化自旋波.微磁学模拟证明了理论分析结果.该项研究为研制基于极化编码信息的自旋波器件提供了一个实际可行的方案.

考虑磁畴偏转的无取向硅钢应力各向异性磁致伸缩特性模拟

无取向硅钢铁心的电磁振动是电机噪声的根本来源,采用夹件固定铁心可有效抑制其振动,但夹紧力施加不当会加剧铁心振动,原因为应力使无取向硅钢的磁畴取向发生偏转而引起磁致伸缩形变增大,形成应力各向异性。因此,为了获得准确的应力加载方法,需建立考虑磁畴偏转的无取向硅钢应力各向异性磁致伸缩模型。首先,求解自由能模型并计算能量极值点的分布,模拟无取向硅钢在磁场和应力作用下的磁畴偏转路径;其次,用磁晶各向异性能、应力各向异性能以及磁场能贡献的总和表示无磁滞磁化强度,将自由能模型与考虑磁滞的磁致伸缩模型相结合,通过无取向硅钢磁致伸缩特性测试获取模型参数并进行参数依赖性分析;最后,模拟应力与磁场作用下不同磁化方向的无取向硅钢的磁滞特性和磁致伸缩特性,通过仿真结果与实验结果的对比验证了该模型的准确性。结果表明,应力的增大会使无取向硅钢磁致伸缩应变值减小,同一应力下,磁致伸缩应变的大小会随磁化角度的增大而增大,该文所提出的应力各向异性磁致伸缩模型可以有效模拟此种变化规律。

取向硅钢细化磁畴技术研究进展

细化磁畴技术是取向硅钢生产过程中重要的技术手段之一,可有效降低带材损耗。介绍了取向硅钢损耗的影响因素、细化磁畴降低铁损的原理,同时对两种类型细化磁畴技术的原理和研究现状进行了综述。非耐热型细化磁畴技术相对成熟稳定,已实现工业应用。耐热型细化磁畴技术目前被少数企业所垄断,国内仅宝钢掌握大功率激光刻痕细化磁畴技术,而其他耐热型细化磁畴技术更多处于实验室研发阶段,无法应用于工业生产。在能源结构调整、电工装备要求不断提升的背景下,对耐热型取向硅钢提出了更多的需求,未来耐热型细化磁畴技术将成为取向硅钢细化磁畴技术的一个重点研究方向。

基于永磁体磁畴聚向排列的永磁同步电机振动噪声优化

以表贴式外转子永磁同步电机为例,通过仿真计算、理论分析两种方式对永磁同步电机的振动和噪声进行了深度的剖析,并给出了影响电机电磁振动和噪声的电磁力密度波时间阶次和空间阶数以及具体的磁密谐波次数,为精准优化电机的电磁振动和噪声提供了明确的方向。通过永磁体磁畴聚向排列结构在不改变产品任何尺寸、结构的情况下实现了对表贴式外转子永磁同步电动机的振动和噪声优化,还实现了电机材料成本的降低。

磁畴观测方法现状与展望

磁性材料的宏观磁性能主要是由磁畴结构及其运动变化方式所决定,因此磁畴图像的观测是一个很重要的研究课题。目前,磁畴观测的方法已有很多种,如粉纹法、磁光效应法、电子全息法等。本文主要介绍了各种磁畴观测方法的特点及发展状况,与铁磁学、电子信息、磁性材料及器件等学科的关系,指出磁畴观测方法的发展趋势,磁畴实验技术和装置的发展与完善将为磁畴动力学研究提供基础。

外磁场作用下缺陷区的磁畴变化

运用磁力显微镜观察外磁场作用下缺陷处的微磁场变化,通过分析缺陷附近磁畴的变化特征得出材料中存在缺陷时,缺陷对畴壁形成钉扎,使得缺陷两侧形成反向势垒,阻碍了畴壁运动,在缺陷边缘附近导致磁荷聚集,形成微磁固定结点,由于微磁固定结点内磁化强度的法向分量不连续,缺陷区形成泄漏微磁场,泄漏微磁场的奇异特征包含了缺陷信息,为缺陷微磁生成机理和微磁检测研究提供了理论和实验支撑.

磁泡材料中硬磁畴与物性的关系

利用法拉第偏光显微镜观测了磁畴,通过显微照相技术拍摄了硬磁畴随温度变化的典型照片,这些照片揭示了硬磁畴的物理性质与温度之间的关系:VBL间的最小平衡间距随温度的升高逐步增大;较硬的普通硬磁泡(OHB)可以随着温度的升高转变为较软的第1类哑铃畴(ID),而较软的第1类哑铃畴(ID)又可以随着温度的升高转变为较软的第2类哑铃畴(IID);为3类硬磁畴畴壁结构的一致性提供了直接证据.此外,VBL的这些温度特性反映出BLM方案的不足.

地磁场中应力对磁畴组织结构影响的试验研究

金属磁记忆检测技术是一种能对铁磁构件早期损伤进行有效诊断的无损检测技术。为进一步探索研究金属磁记忆检测的机理,选用粉纹法对Q235平板试样的磁畴结构进行观察,研究地磁场中不同应力状态下该铁磁材料的磁畴结构的变化特征,并且利用高精度弱磁检测装置获取其试件表面的漏磁信号规律。试验结果表明:随外载荷的改变,被观察部位的磁畴类型、畴壁形态有显著性变化,且不同区域的磁畴转变快慢不同但变化趋势相近;同时,随外载荷的增大,试件表面漏磁信号增大。验证了地磁场中铁磁材料的磁畴结构受应力作用发生磁畴移动与转向,并且在应力撤出后这种改变得以保留的规律。为铁磁材料磁记忆检测微观机理的进一步探索研究提供可靠、有效的试验依据。

激光局部氮化改善取向硅钢磁畴结构分布

采用激光氮化方法 (LN方法 )对取向硅钢表面进行局域线状氮化处理 ,引入气态氮作为合金化元素 ,研究了激光工艺参数对硅钢表面氮化物形成的影响·对传统观察磁畴的方法进行了改进 ,研制了一种新型的Fe3 O4磁流体 ,这种磁流体不仅能进行适时观察磁畴结构 ,而且还实现了带膜磁畴观察·利用XPS方法及Fe3 O4磁流体磁畴观测方法对处理后的样品进行了检测及磁畴观察·结果表明 :通过控制激光工艺参数可实现取向硅钢的激光氮化 ,在取向硅钢表面生成了Fe4N和Fe3 N两种氮化物 ;氮化处理后 ,硅钢片的磁畴结构有所细化 ,从而可以改善取向硅钢的性能 ,降低取向硅钢的铁损 ;氮化样品经 6 0 0℃ ,3h保温时效退火处理后 ,磁畴结构基本保持不变 ,这说明氮化处理可以使取向硅钢的高温时效性有所改善·

磁畴的观察方法

阐述了表征磁畴结构的重要意义,介绍了目前常用的10余种铁磁畴观察方法的工作原理、分辨率和它们的优缺点,并列出了这些磁畴表征技术的一些典型实验结果。较为详细地介绍了本课题组自主研发的扫描电声显微镜的发展简史、系统总体结构及其在磁畴观察方面的应用。

激光刻痕对取向硅钢铁损和磁畴的影响规律研究

激光刻痕是一种降低取向硅钢片铁损的有效方法。选取激光功率、扫描速度、激光频率、刻痕间距作为工艺变量,对取向硅钢片进行刻痕实验,并利用磁性能测试系统和磁畴观测仪研究了不同工艺参数对激光刻痕后取向硅钢铁损和磁畴的改善效果。结果表明,取向硅钢片的平均铁损降低率随激光功率和刻痕间距增大而先增大后减小,随激光频率和扫描速度增大而减小。经不同工艺参数刻痕后,硅钢片的磁畴宽度均有所减小,且磁畴宽度的变化规律与铁损降低率的变化规律相吻合。优化了取向硅钢片的激光刻痕工艺参数,利用此工艺刻痕后,取向硅钢片的平均铁损降低率达8%。

Fe-13Cr-2.5Mo合金阻尼性能及磁畴的观察

利用拉伸试验机分析了Fe-13Cr-2.5Mo阻尼合金的拉伸性能,用倒扭摆仪测试了该合金的阻尼性能,利用Fe3O4磁流体在光学显微镜下观察到Fe-13Cr-2.5Mo阻尼合金的磁畴及在磁场下磁畴结构的变化。实验表明,合金在900℃×1h退火,拉伸性能最好,抗拉强度为467MPa,伸长率达23%;在1100℃×0.5h退火,合金的阻尼性能最高,对数衰减率达0.16,但在该温度下随保温时间的延长,阻尼性能急剧下降。经过对合金加磁前后磁畴结构的观察发现,磁畴结构中楔形畴的产生是导致阻尼性能下降的重要原因。

取向硅钢细化磁畴技术的研究现状及展望

细化磁畴技术可有效降低变压器用取向硅钢的铁损。综述了国内外取向硅钢细化磁畴技术的原理及研究现状,评价了目前机械加工法、等离子喷射法、放电处理法、超声波法以及激光刻痕法等细化磁畴技术存在的技术优缺点,并对未来细化磁畴技术的发展趋势进行了展望。

表面处理细化取向硅钢磁畴的方法与机理

磁畴细化技术是降低取向硅钢铁损重要的方法之一。本文概述了国内外表面处理使磁畴细化的方法,这些方法使磁畴细化的机理,以及细化磁畴可降低铁损的机理。

磁场退火温度对Ni_(80)Fe_(20)薄膜磁畴结构的影响研究

利用电子束真空蒸发方法制备了厚度100nm的Ni80Fe20薄膜,研究了磁场退火温度对薄膜磁畴结构的影响。利用振动样品磁强计测量了磁滞回线,利用磁力显微镜观察了薄膜的表面形貌和磁畴结构。结果表明:磁畴结构为明显的条状畴,磁畴宽度最大值约为860nm;随着磁场退火温度的升高,磁畴取向趋于沿垂直膜面方向,退火温度为600℃时,沿着主畴的畴壁形成了细小的横向细畴结构。

基于磁畴聚合模型的磁记忆效应机理研究

研究了铁磁构件在受载时产生磁记忆效应的机理。结合试件的断裂机制和位错理论,分析了试件组织的微观变化。建立畴壁聚合模型,探讨了构件形成的有取向的宏观磁化。在应力集中区域或微观损伤区域建立带磁偶极子模型,计算试件表面的泄漏磁场。结果表明,畴壁聚合模型可以解释应力集中区域或微观损伤区域的磁场变化。

拉应力对磁畴壁运动及磁声发射行为的影响

本文观察了晶粒取向3%Si-Fe在外加拉应力和磁场作用下,磁畴壁的运动及声发射强度(MAE)变化的一些现象.当应力较小时,MAE(RN)随应力变化较复杂,在大应力下,MAE(RN)显著降低.在硅钢片中,磁畴结构随拉应力的变化特性与产生的MAE有良好的对应性.取向纵向硅钢片沿轧向磁化时,180°条状畴会随场强变化而在某位置附近左右转动.磁畴受拉应力时产生分裂,其分裂速度是不连续的.当σ>200MPa时,条状畴似乎又有一定程度的宽化.

溶胶-凝胶法制备单磁畴M型六角钡铁氧体及磁性

采用Sol-Gel工艺,于850℃煅烧制备了单磁畴M型六角钡铁氧体(BaFe12O19)微粉。运用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和振动样品磁强计表征了产物的结构、形貌和磁性。研究了煅烧温度和煅烧时间对产物的结构、磁性和形貌的影响。结果显示,高的升温速率有利于片状产物的形成。随煅烧时间的延长和烧结温度的升高,合成的M型六角钡铁氧体(BaFe12O19)的结晶更完美,粒子尺寸增大,晶粒更加均匀。由于样品粒子为单磁畴颗粒,故引起样品的比饱和磁化强度和矫顽力均随着烧结温度的升高,烧结时间的延长而增大。850℃煅烧4h时,样品的比饱和磁化强度为53A.m2/kg,矫顽力为277.6×103A/m。1000℃煅烧4h时,样品的比饱和磁化强度增加到59A.m2/kg,矫顽力为353.3×103A/m。850℃煅烧,随时间从2h延长到6h,比饱和磁化强度从48A.m2/kg增加到56A.m2/kg,矫顽力也从211.5×103A/m增加到357.1×103A/m。