zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-1-I-62-68zldm-1562Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯSTRUCTURE AND PROPERTIES RESEARCH. PHYSICAL METHODS OF RESEARCH AND MONITORINGОпределение малых величин магнитострикции в аморфных микропроводах с произвольным типом магнитной анизотропииDetermination of small magnitudes of magnetostriction in amorphous microwires with an arbitrary type of magnetic anisotropyСамохваловА. А.SamokhvalovA. A.

Анатолий Александрович Самохвалов

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4

Anatoly A. Samokhvalov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

smkhvlv@gmail.comЕвстигнееваС. А.EvstigneevaS. A.

Светлана Алексеевна Евстигнеева

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4

Svetlana A. Evstigneeva

4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

МорченкоА. Т.MorchenkoA. T.

Александр Тимофеевич Морченко

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4

Alexander T. Morchenko

4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

ЮдановН. А.YudanovN. A.

Николай Анатольевич Юданов

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4

Nikolay A. Yudanov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

ПанинаЛ. В.PaninaL. V.

Лариса Владимировна Панина

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4

Larisa V. Panina

4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

НематовМ. Г.NematovM. G.

Махсудшо Гайратович Нематов

236016, г. Калининград, ул. А. Невского, д. 14

Makhsudsho G. Nematov

14, ul. A. Nevskogo, Kaliningrad, 236016

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian FederationБалтийский федеральный университет имени Иммануила КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation202218012022881(I)6268Copyright © Самохвалов А.А., Евстигнеева С.А., Морченко А.Т., Юданов Н.А., Панина Л.В., Нематов М.Г., 20222022Самохвалов А.А., Евстигнеева С.А., Морченко А.Т., Юданов Н.А., Панина Л.В., Нематов М.Г.Samokhvalov A.A., Evstigneeva S.A., Morchenko A.T., Yudanov N.A., Panina L.V., Nematov M.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1562

У аморфных ферромагнетиков отсутствует магнитокристаллическая анизотропия, поэтому их магнитная анизотропия и магнитная структура в значительной степени определяются магнитоупругими взаимодействиями. Так, в аморфных микропроводах со стеклянной оболочкой источником анизотропии служат механические напряжения, возникающие в ферромагнитной жиле в процессе изготовления. Для контроля магнитной структуры и изучения процессов перемагничивания аморфных материалов необходимо знать их коэффициент (константу) магнитострикции. В работе представлен усовершенствованный подход к определению предельно малых значений коэффициента магнитострикции ферромагнитных микропроводов с произвольным типом магнитной анизотропии и магнитной микроструктуры. Исследовали аморфные провода из сплавов Co67Fe5B12Si14Cr3 в стеклянной оболочке. Тип магнитной анизотропии образцов (от осевой до циркулярной) меняли с помощью токового отжига. Предложенный метод основан на малоугловой прецессии намагниченности вокруг направления равновесной ее ориентации, что достигалось воздействиями осевого магнитного поля и поля, создаваемого переменным током, пропускаемым через провод. При таком возбуждении в детектирующей катушке, намотанной вокруг образца, генерировался сигнал электрического напряжения на частоте, удвоенной по отношению к частоте переменного тока, который регистрировали с помощью синхронного усилителя. Поскольку при воздействии внешних механических нагрузок сигнал напряжения менялся, для поддержания его постоянного уровня требовалось воздействие дополнительного осевого магнитного поля (поля смещения). Величину магнитострикции определяли из зависимости поля смещения от механических нагрузок. Максимально достижимая чувствительность измерений в диапазоне 10–8 – 10–7 обеспечивалась за счет однородного намагничивания, увеличения частоты переменного тока, использования высокого значения соотношения между длиной испытуемого отрезка провода и его диаметром. Показано, что в процессе токового отжига знак и величина константы магнитострикции изменяются, что коррелирует с модификацией кривых намагничивания проводов. Полученные результаты могут быть использованы при определении и корректировке параметров исполнительных устройств, создаваемых на основе микропроводов (в частности, датчиков механических напряжений и микроактюаторов).

The magnetic anisotropy and magnetic structure of amorphous ferromagnets are largely determined by magnetoelastic interactions due to the absence of magnetocrystalline anisotropy, e.g., in amorphous microwires with a glass sheath, the source of anisotropy is the mechanical stresses that arise in the ferromagnetic core upon manufacturing. Hence, to control the magnetic structure and magnetization reversal processes occurred in amorphous magnetics, it is necessary to know the magnetostriction coefficient of the material. We propose an improved approach to measuring extremely small values of the magnetostriction coefficient of ferromagnetic microwires with an arbitrary type of magnetic anisotropy and magnetic microstructure. The samples of amorphous wires in a glass sheath made of Co67Fe5B12Si14Cr3 alloys were studied. The type of magnetic anisotropy of the samples (from axial to circular) was changed using current annealing. The developed method is based on small-angle precession of magnetization around the wire axis, resulted from the effect of the axial magnetic field induced by an alternating current passed through the wire. A voltage signal generated in a detection coil wound around the sample at a frequency doubled with respect to the frequency of the alternating current was recorded using a lock-in amplifier. When exposed to external mechanical loads, the voltage signal changes, and an additional axial magnetic field (bias field) is required to maintain a constant level of this signal. The value of magnetostriction is determined from the dependence of the displacement field on mechanical loads. The maximum sensitivity of measurements in the range of 10–8 – 10–7 is achieved at a uniform magnetization, increased frequency of the alternating current, and high value of the ratio between the length and diameter of tested wire samples. The sign and magnitude of the magnetostriction constant change upon current annealing which correlates with modification of the magnetization curves. The results obtained can be used to determine and adjust the parameters of the actuators developed on the basis of the considered microwires (in particular, microsensors of mechanical stresses and microactuators).

ферромагнитные микропроводамагнитострикцияциркулярная и аксиальная магнитная анизотропиябистабильностьметод малоуглового вращения намагниченностиferromagnetic microwiresmagnetostrictioncircular and axial magnetic anisotropybistabilitysmall angle rotation of magnetizationРабота выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-32-90145).ReferencesMakhnovsky D. P., Panina L. V., Mapps D. J. Field-dependent surface impedance tensor in amorphous wires with helical and circumferential anisotropy / Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63. P. 144424 – 144441. DOI: 10.1103/PhysRevB.63.144424Makhnovsky D. P., Panina L. V., Mapps D. J. Field-dependent surface impedance tensor in amorphous wires with helical and circumferential anisotropy / Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63. P. 144424 – 144441. DOI: 10.1103/PhysRevB.63.144424Pirota K., Kraus L., Chiriac H., Knobel M. Magnetic properties and GMI in a CoFeSiB glass-covered microwire / J. Magn. Magn. Mater. 2000. Vol. 221. P. L243 – L247. DOI: 10.1016/S0304-8853(00)00554-0Pirota K., Kraus L., Chiriac H., Knobel M. Magnetic properties and GMI in a CoFeSiB glass-covered microwire / J. Magn. Magn. Mater. 2000. Vol. 221. P. L243 – L247. DOI: 10.1016/S0304-8853(00)00554-0Zhukov A., Ipatov A., Churyukanova M., et al. Trends in optimization of giant magnetoimpedance effect in amorphous and nanocrystalline materials / J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 727. P. 887 – 901. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.08.119Zhukov A., Ipatov A., Churyukanova M., et al. Trends in optimization of giant magnetoimpedance effect in amorphous and nanocrystalline materials / J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 727. P. 887 – 901. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.08.119Zhukov A., Blanco J., Ipatov M., et al. Manipulation of domain wall dynamics in amorphous microwires through the magnetoelastic anisotropy / Nanoscale Research Letters. 2012. Vol. 7. 223. P. 1 – 8. DOI: 10.1186/1556-276X-7-223Zhukov A., Blanco J., Ipatov M., et al. Manipulation of domain wall dynamics in amorphous microwires through the magnetoelastic anisotropy / Nanoscale Research Letters. 2012. Vol. 7. 223. P. 1 – 8. DOI: 10.1186/1556-276X-7-223Nematov M. G., Salem M. M., Adam A. M., Ahmad M., Yudanov N., Panina L. V., Morchenko A. T. Effect of Stress on Magnetic Properties of Annealed Glass-Coated Co71Fe5B11Si10Cr3 Amorphous Microwires / IEEE Trans. Magn. 2017. Vol. 53. P. 1 – 6. DOI: 10.1109/TMAG.2017.2702342Nematov M. G., Salem M. M., Adam A. M., Ahmad M., Yudanov N., Panina L. V., Morchenko A. T. Effect of Stress on Magnetic Properties of Annealed Glass-Coated Co71Fe5B11Si10Cr3 Amorphous Microwires / IEEE Trans. Magn. 2017. Vol. 53. P. 1 – 6. DOI: 10.1109/TMAG.2017.2702342Sandacci S., Makhnovskiy D., Panina L., Larin V. Stress-Dependent Magnetoimpedance in Co-based Amorphous Wires and Application to Tunable Microwave Composites / IEEE Trans. Magn. 2005. Vol. 41. P. 3553 – 3555. DOI: 10.1109/TMAG.2005.854726Sandacci S., Makhnovskiy D., Panina L., Larin V. Stress-Dependent Magnetoimpedance in Co-based Amorphous Wires and Application to Tunable Microwave Composites / IEEE Trans. Magn. 2005. Vol. 41. P. 3553 – 3555. DOI: 10.1109/TMAG.2005.854726Torrejón J., Confalonieri G. Badini, Pirota K., Vázquez M. Multifunctional Magnetoelastic Sensor Device Based in Multilayer Magnetic Microwires / Sensor Letters. 2007. Vol. 5. P. 153 – 156. DOI: 10.1166/sl.2007.047Torrejón J., Confalonieri G. Badini, Pirota K., Vázquez M. Multifunctional Magnetoelastic Sensor Device Based in Multilayer Magnetic Microwires / Sensor Letters. 2007. Vol. 5. P. 153 – 156. DOI: 10.1166/sl.2007.047Hudak R., Varga R., Polacek I., et al. Addition of molybdenum into amorphous glass-coated microwires usable as temperature sensors in biomedical applications / Phys. Status Solidi A. 2016. Vol. 213. P. 377 – 383. DOI: 10.1002/pssa.201532574Hudak R., Varga R., Polacek I., et al. Addition of molybdenum into amorphous glass-coated microwires usable as temperature sensors in biomedical applications / Phys. Status Solidi A. 2016. Vol. 213. P. 377 – 383. DOI: 10.1002/pssa.201532574Vazquez M., Gonzalez J., Hernando A. Induced magnetic anisotropy and change of the magnetostriction by current annealing in Co-based amorphous alloys / J. Magn. Magn. Mater. 1986. Vol. 53. P. 323 – 329. DOI: 10.1016/0304-8853(86)90177-0Vazquez M., Gonzalez J., Hernando A. Induced magnetic anisotropy and change of the magnetostriction by current annealing in Co-based amorphous alloys / J. Magn. Magn. Mater. 1986. Vol. 53. P. 323 – 329. DOI: 10.1016/0304-8853(86)90177-0Herzer G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials / Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 718 – 734. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.10.040Herzer G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials / Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 718 – 734. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.10.040Morchenko A. T., Panina L. V., Larin V. S., et al. Structural and magnetic transformations in amorphous ferromagnetic microwires during thermomagnetic treatment under conditions of directional crystallization / J. Alloys Compd. 2017. Vol. 698. P. 685 – 691. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.12.247Morchenko A. T., Panina L. V., Larin V. S., et al. Structural and magnetic transformations in amorphous ferromagnetic microwires during thermomagnetic treatment under conditions of directional crystallization / J. Alloys Compd. 2017. Vol. 698. P. 685 – 691. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.12.247Evstigneeva S. A., Morchenko A. T., Trukhanov A. V., et al. Structural and magnetic anisotropy of directionally-crystallized ferromagnetic microwires / EPJ Web of Conferences. 2018. Vol. 185. P. 1 – 4. DOI: 10.1051/epjconf/201818504022Evstigneeva S. A., Morchenko A. T., Trukhanov A. V., et al. Structural and magnetic anisotropy of directionally-crystallized ferromagnetic microwires / EPJ Web of Conferences. 2018. Vol. 185. P. 1 – 4. DOI: 10.1051/epjconf/201818504022Mitra A., Vazquez M. Measurement of the saturation magnetostriction constant of amorphous wire / J. Appl. Phys. 1990. Vol. 67. P. 4986 – 4988. DOI: 10.1063/1.344698Mitra A., Vazquez M. Measurement of the saturation magnetostriction constant of amorphous wire / J. Appl. Phys. 1990. Vol. 67. P. 4986 – 4988. DOI: 10.1063/1.344698Zhukova V., Blanco J., Zhukov A., Gonzalez J. Studies of the magnetostriction of as-prepared and annealed glass-coated Co-rich amorphous microwires by SAMR method / J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. L113 – L116. DOI: 10.1088/0022-3727/34/22/101Zhukova V., Blanco J., Zhukov A., Gonzalez J. Studies of the magnetostriction of as-prepared and annealed glass-coated Co-rich amorphous microwires by SAMR method / J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. L113 – L116. DOI: 10.1088/0022-3727/34/22/101Zhukova V., Corte-Leon P., Blanco J., et al. Electronic Surveillance and Security Applications of Magnetic Microwires (Review) / Chemosensors. 2021. Vol. 9. P. 1 – 22. DOI: 10.3390/chemosensors9050100Zhukova V., Corte-Leon P., Blanco J., et al. Electronic Surveillance and Security Applications of Magnetic Microwires (Review) / Chemosensors. 2021. Vol. 9. P. 1 – 22. DOI: 10.3390/chemosensors9050100Panina L., Dzhumazoda A., Nematov M., Alam J., Trukhanov A., Yudanov N., Morchenko A., Rodionova V., Zhukov A. Soft Magnetic Amorphous Microwires for Stress and Temperature Sensory Applications / Sensors. 2019. Vol. 19. P. 1 – 24. DOI: 10.3390/s19235089Panina L., Dzhumazoda A., Nematov M., Alam J., Trukhanov A., Yudanov N., Morchenko A., Rodionova V., Zhukov A. Soft Magnetic Amorphous Microwires for Stress and Temperature Sensory Applications / Sensors. 2019. Vol. 19. P. 1 – 24. DOI: 10.3390/s19235089Larin V., Torcunov A., Zhukov A., et al. Preparation and properties of glass-coated microwires / J. Magn. Magn. Mater. 2002. Vol. 249. P. 39 – 45. DOI: 10.1016/S0304-8853(02)00501-2Larin V., Torcunov A., Zhukov A., et al. Preparation and properties of glass-coated microwires / J. Magn. Magn. Mater. 2002. Vol. 249. P. 39 – 45. DOI: 10.1016/S0304-8853(02)00501-2Chiriac H. Preparation and characterization of glass covered magnetic wires / Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 304 – 306. P. 166 – 171. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01452-0Chiriac H. Preparation and characterization of glass covered magnetic wires / Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 304 – 306. P. 166 – 171. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01452-0Gonzalez J., Blanco J., Hernando A., et al. Stress dependence of magnetostriction in amorphous ferromagnets: its variation with temperature and induced anisotropy / J. Magn. Magn. Mater. 1992. Vol. 114. P. 75 – 81. DOI: 10.1016/0304-8853(92)90334-KGonzalez J., Blanco J., Hernando A., et al. Stress dependence of magnetostriction in amorphous ferromagnets: its variation with temperature and induced anisotropy / J. Magn. Magn. Mater. 1992. Vol. 114. P. 75 – 81. DOI: 10.1016/0304-8853(92)90334-KSalem M., Nematov M., Uddin A., Panina L. V., Churyukanova M. N., Morchenko A. T. CoFe-microwires with stress-dependent magnetostriction as embedded sensing elements / IOP Conf. Series: J. Phys. Conf. Series. 2017. Vol. 903. P. 1 – 4. DOI: 10.1088/1742-6596/903/1/012007Salem M., Nematov M., Uddin A., Panina L. V., Churyukanova M. N., Morchenko A. T. CoFe-microwires with stress-dependent magnetostriction as embedded sensing elements / IOP Conf. Series: J. Phys. Conf. Series. 2017. Vol. 903. P. 1 – 4. DOI: 10.1088/1742-6596/903/1/012007

The authors declare that there are no conflicts of interest present.