Заменить пружинный магнит

This article includes a list of general references, but it lacks sufficient corresponding inline citations. Please help to improve this article by introducing more precise citations. (July 2013) (Learn how and when to remove this message)

Обменный пружинный магнит — это магнитный материал с высокой коэрцитивной силой и высокими свойствами насыщения , полученными в результате обменного взаимодействия между магнитотвердым материалом и магнитомягким материалом соответственно.

Кохоорн и др. были первыми, кто смог наблюдать реальный обменный пружинный магнит. ^[1] Обменные пружинные магниты дешевле многих магнитов, содержащих редкоземельные /переходные металлы ( магниты RE-TM ), поскольку твердая фаза магнита (которая обычно содержит материал RE-TM) может составлять менее 15% от общего объема магнита. ^[2]

Впервые предложенный Кнеллером и Хавигом в 1991 году, обменный пружинный магнит использует эпитаксию между твердыми и мягкими магнитными материалами: твердый материал помогает сохранить анизотропию мягкого материала , что увеличивает его коэрцитивную силу . ^[2]

Петля магнитного гистерезиса обменного пружинного магнита теоретически принимает форму, напоминающую сумму его твердых и мягких магнитных компонентов (как показано на рисунке 1), что означает, что его энергетическое произведение выше, чем у его компонентов. Максимальное энергетическое произведение магнита (BH) _max , которое примерно пропорционально его коэрцитивной силе (H _C ) и насыщению намагниченности (M _sat ), используется в качестве метрики его способности выполнять магнитную работу, поскольку (BH) _{max в два раза больше доступной} магнитостатической энергии магнита . ^[3] Обменный пружинный магнит предлагает геометрию, способную улучшить ранее сообщенные максимальные энергетические произведения материалов, таких как комплексы редкоземельных и переходных металлов; в то время как оба материала имеют достаточно большие значения H _C и работают при относительно высоких температурах Кюри , обменный пружинный магнит может достигать гораздо более высоких значений M _sat , чем комплексы редкоземельных и переходных металлов (RE-TM). ^[4]

Важным компонентом обменных пружинных магнитов является анизотропия: хотя обменные пружинные магниты, которые являются изотропными по объему, по-прежнему демонстрируют большее энергетическое произведение, чем многие магниты RE-TM, теоретически предполагается, что энергетическое произведение их анизотропной формы будет значительно выше. ^[3]

Магнитный момент объемного материала представляет собой сумму всех его атомных моментов. Взаимодействие атомных моментов друг с другом и с внешним приложенным полем определяет поведение магнита. Каждый атомный магнитный момент пытается сориентироваться так, чтобы общая магнитная энергия достигла минимума. Обычно существует четыре типа энергии, конкурирующих друг с другом за достижение равновесия: каждый из них выводится из эффекта обменной связи, магнитной анизотропии, магнитостатической энергии магнита и взаимодействия магнита с внешним полем.

Обменная связь — это квантово-механический эффект, который удерживает соседние моменты выровненными друг с другом. Обменная энергия соседних моментов увеличивается по мере увеличения угла между двумя моментами.

${\displaystyle E_{x}=A({\frac {d\theta }{dx}})^{2}}$

где — константа обмена, а — вектор положения соседа относительно сайта . Типичные значения имеют порядок Дж/м.${\displaystyle A={\frac {1}{6}}nJS^{2}\sum \Delta r_{j}^{2}}$${\displaystyle \Delta r_{j}=r_{j}-r_{i}}$${\displaystyle j}$${\displaystyle i}$${\displaystyle A}$${\displaystyle 10^{-11}}$

Энергия магнитной анизотропии возникает из кристаллической структуры материала. Для простого случая эффект можно смоделировать одноосным распределением энергии. Вдоль аксиального направления, называемого легкой осью , магнитные моменты стремятся выровняться. Энергия увеличивается, если ориентация магнитного момента отклоняется от легкой оси.

${\displaystyle E_{\text{a}}=K_{1}\sin ^{2}\theta }$

Магнитостатическая энергия — это энергия, запасенная в поле, создаваемом магнитными моментами материала. Поле магнита достигает максимальной интенсивности, если все магнитные моменты ориентированы в одном направлении; это то, что происходит в твердом магните. Чтобы предотвратить накопление магнитного поля, иногда магнитные моменты имеют тенденцию образовывать петли. Таким образом, энергия, запасенная в магнитном поле, может быть ограничена; это то, что происходит в мягком магните. То, что определяет, является ли магнит твердым или мягким, — это доминирующий член его магнитной энергии. Для твердых магнитов константа анизотропии относительно велика, заставляя магнитные моменты выравниваться по легкой оси. Противоположный случай применим к мягким магнитам, в которых доминирующей является магнитостатическая энергия.

Другая магнитостатическая энергия возникает при взаимодействии с внешним полем. Магнитные моменты естественным образом пытаются выровняться с приложенным полем.

${\displaystyle E_{ext}=-MBsin(\theta )}$

Поскольку в мягком магните доминирует магнитостатическая энергия, магнитные моменты стремятся успешно ориентироваться вдоль внешнего поля.

В обменном пружинном магните твердая фаза имеет высокую коэрцитивную силу, а мягкая фаза — высокую насыщенность. Твердая фаза и мягкая фаза взаимодействуют через свой интерфейс посредством обменной связи.

Слева направо на рисунке 3, внешнее поле сначала прикладывается в направлении вверх, чтобы насытить магнит. Затем внешнее поле меняется на противоположное и начинает размагничивать магнит. Поскольку коэрцитивная сила твердой фазы относительно высока, моменты остаются неизменными, чтобы минимизировать анизотропию и обменную энергию. Магнитные моменты в мягкой фазе начинают вращаться, чтобы выровняться с приложенным полем. ^[5] Из-за обменной связи на интерфейсе мягкая/твердая магнитные моменты на границе мягкой фазы должны выровняться с соседним моментом в твердой фазе. В областях, близких к интерфейсу, из-за обменной связи цепочка магнитных моментов действует как пружина. Если внешнее поле увеличивается, больше моментов в мягкой фазе вращаются вниз, и ширина переходной области становится меньше по мере увеличения плотности обменной энергии . Магнитные моменты в твердой фазе не вращаются, пока внешнее поле не станет достаточно высоким, чтобы плотность обменной энергии в переходной области была сравнима с плотностью энергии анизотропии в твердой фазе. В этот момент вращение магнитных моментов в мягкой фазе начинает влиять на твердую фазу. Поскольку внешнее поле превосходит коэрцитивную силу твердого материала, твердый магнит полностью размагничивается.

В предыдущем процессе, когда магнитные моменты в твердом магните начинают вращаться, напряженность внешнего поля уже намного выше коэрцитивной силы мягкой фазы, но в мягкой фазе все еще есть переходная область. Если толщина мягкой фазы меньше, чем в два раза толще переходной области, то мягкая фаза, скорее всего, должна иметь большую эффективную коэрцитивную силу, меньшую, но сопоставимую с коэрцитивной силой твердой фазы.

В тонкой мягкой фазе внешнему полю трудно вращать магнитные моменты, подобно жесткому магниту с высокой намагниченностью насыщения. После приложения сильного внешнего поля для частичного размагничивания магнитных моментов в жесткой фазе и после последующего снятия внешнего поля вращаемые моменты в мягкой фазе могут вращаться обратно путем обменной связи с жесткой фазой (рисунок 5). Это явление показано на петле гистерезиса обменного пружинного магнита (рисунок 6).

Сравнение петли гистерезиса обменного пружинного магнита с петлей гистерезиса обычного твердого магнита показывает, что обменный пружинный магнит с большей вероятностью восстановится после воздействия внешнего поля. Когда внешнее поле снимается, остаточная намагниченность может восстановиться до значения, близкого к исходному. Название «обменный пружинный магнит» происходит от обратимости намагничивания. ^[2]

Размер мягкой фазы внутри обменного пружинного магнита должен быть достаточно малым, чтобы сохранить обратимую намагниченность. Кроме того, объемная доля мягкой фазы должна быть как можно больше, чтобы достичь высокой насыщенности намагниченности. Одной из жизнеспособных геометрий материала является изготовление магнита путем внедрения твердых частиц внутрь мягкой матрицы. Таким образом, мягкий матричный материал занимает наибольшую объемную долю, находясь близко к твердым частицам. Размер и расстояние между твердыми частицами находятся в масштабе нанометров. Если твердые магниты представляют собой сферы на пространственной решетке ГЦК в мягкой магнитной фазе, объемная доля твердой фазы может составлять 9%. Поскольку общая насыщенность намагниченности суммируется по объемной доле, она близка к значению чистой мягкой фазы.

Изготовление обменного пружинного магнита требует точного контроля структуры частица-матрица в нанометровом масштабе. Было опробовано несколько подходов, включая металлургический метод, распыление и самосборку частиц.

• Самосборка частиц - 4 нм наночастицы Fe ₃ O ₄ и 4 нм наночастицы Fe ₅₈ Pt _42, диспергированные в растворе, были осаждены в виде компактных структур посредством самосборки путем испарения раствора. Затем посредством отжига был сформирован нанокомпозитный магнит FePt-Fe ₃ Pt. Плотность энергии увеличилась со 117 кДж/м ³ однофазного Fe ₅₈ Pt ₄₂ до 160 кДж/м ³ нанокомпозита FePt-Fe ₃ Pt. ^[6]
• Распыление - Sm и Co совместно распылялись из элементарных мишеней с использованием DC магнетрона на буфер Cr(211) на подложках MgO(110) для создания Sm2Co7 _. Слой Fe наносился при температуре300-400 °C и покрывался Cr. ^[7 _]
• Отжиг - Многослойные покрытия Fe и Pt были распылены из элементарных мишеней на стекло. Было обнаружено, что изменение состава слоев и условий отжига изменяют магнитные свойства конечного материала. ^[8]

• Медиа, связанные с Exchange spring magnet на Wikimedia Commons