Патент 2155647

Способ получения проволоки с гигантским магнитоимпедансным эффектом

 

Изобретение относится к области производства материалов с особыми физическими свойствами и может быть использовано при изготовлении высокочувствительных датчиков магнитного поля. В способе получения проволоки с ГМИЭ, представляющей собой биметалл с поверхностным слоем из ферромагнитного материала и внутренним стержнем из немагнитного материала с высокой электропроводностью, вначале формируют из указанных материалов заготовку в виде внутреннего стержня и внешней трубчатой оболочки с заданными значениями их диаметров d3/D3, после чего заготовку подвергают экструдированию, последующему волочению до заданного диаметра биметаллической проволоки D и термической обработке, при этом заданное соотношение диаметров в заготовке сохраняют в полученной биметаллической проволоке, а конечная толщина поверхностного слоя превышает 1 мкм. Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в создании материала с высоким ГМИЭ для датчиков магнитного поля, работающих при различных частотах. 7 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области производства материалов с особыми физическими свойствами и может быть использовано при изготовлении высокочувствительных датчиков магнитного поля.

В ферромагнитных проволоках, фольгах, лентах, однородных и многослойных тонких пленках наблюдается гигантский магнитоимпедансный эффект (ГМИЭ) [1]. Название "гигантский" было присвоено этому и магниторезистивному эффектам (ГМР) в связи с тем, что по величине изменения импеданса в первом случае и электросопротивления во втором они намного превосходят известные ранее магниторезистивные эффекты. Кроме того, ГМИЭ превосходит все известные в настоящее время магниторезистивные эффекты по магниточувствительности. Например, типичная величина ее в случае ГМИЭ составляет около 25%/Э, что на два порядка выше ее значения для ГМР [2].

Биметаллическая проволока, состоящая из внутреннего стержня с проводимостью, существенно большей проводимости внешней ферромагнитной оболочки, является перспективным материалом для устройства с использованием ГМИЭ [3, 4] , так как наличие высокопроводящего внутреннего стержня может значительно повысить амплитуду ГМИЭ. Известен способ поучения биметаллической проволоки с ГМИЭ при частоте f=1 МГц путем электроосаждения слоя толщиной 1 мкм из сплава 80Ni20Fe(вec.%) на немагнитную проволоку диаметром 125 мкм из бериллиевой бронзы [4] (прототип). Однако известные способы позволяют осаждать на проволоке качественные ферромагнитные слои небольшой толщины порядка 1 мкм, а в слоях больших толщин содержится повышенное количество пор, вакансий и других дефектов, следствием чего является их хрупкость и относительно низкий ГМИЭ. Это затрудняет или даже исключает дальнейшие операции над биметаллической проволокой, с помощью которых можно улучшить ее электромагнитные свойства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа получения биметаллической проволоки с ГМИЭ с неограниченной сверху толщиной пластичного покрытия из магнитномягкого сплава, что позволяет применять ее в широком диапазоне рабочих частот.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в создании материала с высоким ГМИЭ для датчиков магнитного поля, работающих при различных частотах.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения проволоки с ГМИЭ, представляющей собой биметалл с поверхностным слоем из ферромагнитного материала и внутренним стержнем из немагнитного материала с высокой электропроводностью, согласно изобретению, в начале формируют из указанных материалов заготовку в виде внутреннего стержня и внешней трубчатой оболочки с заданными значениями их диаметров d3/D3, после чего заготовку подвергают экструдированию, последующему волочению до заданного диаметра биметаллической проволоки D и термической обработке, при этом заданное соотношение диаметров в заготовке сохраняют в полученной биметаллической проволоке, а конечная толщина поверхностного слоя превышает 1 мкм. В качестве ферромагнитного материала используют магнитомягкие сплавы типа пермаллоя на основе Ni-Fe с близкими к нулю константами магнитострикции и магнитокристаллической анизотропии. В качестве материала внутреннего стержня используют медь или ее сплавы, или ниобий, или молибден или другие чистые металлы или их сплавы, или сверхпроводящие материалы. При определенных составах материала поверхностного слоя дополнительно используют термомагнитную или термомеханическую обработку. Возможность создания предлагаемым способом биметаллических проволок с различными толщинами h поверхностного слоя и различными отношениями диаметров внутреннего стержня и внешней оболочки d/D позволяет достигать повышенных значений ГМИЭ в широком диапазоне рабочих частот f. Известно, что толщина ферромагнитного поверхностного слоя, соответствующая максимальному значению ГМИЭ, должна быть близкой к глубине проникновения электромагнитного поля [3] , которая, в свою очередь, зависит от рабочей частоты f, проводимости и магнитной проницаемости материала поверхностного слоя: (f)-0,5 Поэтому чем ниже рабочая частота f, тем больше должна быть толщина поверхностного слоя h. С другой стороны, величина ГМИЭ возрастает с повышением проницаемости , которая увеличивается с понижением частоты f. Таким образом, для достижения заданной магниточувствительности датчика, определяемой величиной ГМИЭ, необходимо иметь возможность изменения частоты f, а следовательно, толщины слоя h и отношения d/D в широких пределах. Это соотношение и толщина поверхностного слоя могут изменяться в пределах; 0,01<d/D<0,8, h>1 мкм. Для применений при низких температурах могут быть использованы внутренние стержни из сверхпроводящих материалов.

Пример 1.

Из заготовки длиной 100 мм, состоящей из внутреннего медного стержня диаметром 6,5 мм и внешней трубчатой оболочки диаметром 10 мм из пермаллойного сплава Ni-18,3%Fe, путем экструдирования и холодного волочения получена биметаллическая проволока диаметром D=500 мкм с внутренним медным стержнем диаметром d=333 мкм, с толщиной поверхностного слоя h=83,5 мкм и отношением d/D=0,667. После отжига в вакууме 10-3 Па при температуре 1000oC в течение 2 часов величина ГМИЭ при частоте 50 кГц составляет 145%, что в 2 раза превышает его значение для монопроволоки диаметром D = 500 мкм из сплава Ni- 18,3%Fe.

Пример 2.

При дальнейшем волочении получена биметаллическая проволока диаметром D= 49 мкм с внутренним стержнем диаметром d = 33 мкм, толщиной поверхностного слоя h= 8 мкм и отношением d/D = 0,66. После отжига по тому же режиму величина ГМИЭ при частоте f=500 МГц тока, пропускаемого по проволоке, составляет 100% в отличие от незначительной величины его для монопроволоки диаметром 50 мкм из пермаллоя того же состава. При этом величина i = 10 мкА высокочастотного тока, протекающего по проволоке, на четыре порядка меньше его значения i=85 мА в случае проволоки-прототипа.

Таким образом, предлагаемый способ получения биметаллической проволоки с ГМИЭ в отличие от известных способов позволяет производить ее в больших количествах с низкой себестоимостью в широком интервале диаметров внутреннего стержня и внешней оболочки. При этом достигается существенное расширение диапазона рабочих частот и величин рабочих токов. Последнее обстоятельство позволяет существенно снизить энергопотребление портативных магнитометров на основе ГМИЭ, а следовательно, и их стоимость, что имеет важное значение для расширения их применения.

Источники информации [1] M.Vasquez, M.Knobel, M.L.Sanchez, R.Valenzuela, and A.P.Zhukov, Sensors and Actuators A(1997) vol.59, pp.20-29.

[2] L. V. Panina, K.Mohri, Senior member, T.Uchiyama, and M.Noda, IEEE Transactions on Magnetics(1995) vol.31. N.2. pp. 1249-1260.

[3] N. Usov, A.Antonov, and A.Granovsky, J.Magn.Magn.Mater.(1998) vol. 171, pp.64-68.

[4] R. S. Beach, N. Smith, C.L.Platt, F.Jeffers, and A.Berkowitz, Appl. Phys. Letters(1996) vol. 68, pp.2733-2755.

Формула изобретения

1. Способ получения проволоки с гигантским магнитоимпедансным эффектом, представляющей собой биметалл с поверхностным слоем из ферромагнитного материала и внутренним стержнем из немагнитного материала с высокой электропроводностью, отличающийся тем, что вначале формируют из указанных материалов заготовку в виде внутреннего стержня и внешней трубчатой оболочки с заданными значениями их диаметров d3/D3, после чего заготовку подвергают экструдированию, последующему волочению и термической обработке, при этом заданное соотношение диаметров в заготовке сохраняют в полученной биметаллической проволоке, а конечная толщина поверхностного слоя превышает 1 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала используют магнитомягкие сплавы типа пермаллой с близкими к нулю значениями констант магнитострикции и магнитокристаллической анизотропии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала внутреннего стержня используют медь или ее сплавы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала внутреннего стержня используют ниобий, молибден или другие чистые металлы или их сплавы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала внутреннего стержня используют сверхпроводящие материалы.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что отношение диаметров внутреннего стержня и поверхностной трубчатой оболочки лежит в пределах 0,01 - 0,8.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что после термической обработки дополнительно проводят термомагнитную обработку.

8. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что после термической обработки дополнительно проводят термомеханическую обработку.