Свойства аморфных ферромагнитных микропроводов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2127 

Кафедра металлургии цветных, редких и благородных металлов

В.П. Тарасов 
О.Н. Криволапова 
Л.В. Дубынина 

Свойства аморфных 
ферромагнитных  
микропроводов 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2011 

УДК 669.018 
 
Т19 

Р е ц е н з е н т  
чл.-кор. РАН Г.С. Бурханов 

Тарасов, В.П. 
Т19  
Свойства аморфных ферромагнитных микропроводов : учеб. 
пособие / В.П. Тарасов, О.Н. Криволапова, Л.В. Дубынина. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 25 с. 
ISBN 978-5-87623-529-9 

Учебное пособие представляет собой описание компьютеризированного 
комплекса, позволяющего проводить измерения параметров аморфных ферромагнитных микропроводов на современном уровне. Измерения проводятся 
в автоматизированном режиме под управлением персонального компьютера 
в операционной системе Windows. Основное внимание уделено индукционному методу измерения магнитной восприимчивости на переменной частоте.  
Предназначено для бакалавров при работе над курсовыми научноисследовательскими работами в рамках программ бакалавриата и будет полезно магистрам, аспирантам и научным сотрудникам, выполняющим работы 
исследовательского плана.  
УДК 669.018 

ISBN 978-5-87623-529-9 
© Тарасов В.П., 
Криволапова О.Н., 
Дубынина Л.В., 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Описание технологии изготовления микропроводов........................5 
2. Свойства аморфных ферромагнитных микропроводов....................8 
2.1. Остаточные механические напряжения в микропроводе ........10 
2.2. Распределение намагниченности в микропроводе на  
основе кобальта...................................................................................12 
2.3. Магнитостатические свойства аморфного микропровода  
на основе кобальта..............................................................................14 
3. Методики измерений характеристик аморфных микропроводов....16 
4. Измерительный комплекс..................................................................18 
4.1. Измерение характеристик аморфных микропроводов  
на основе кобальта с отрицательной константой  
магнитострикции ................................................................................21 
4.2. Измерение характеристик аморфных микропроводов  
на основе железа с положительной константой  
магнитострикции ................................................................................23 
Библиографический список...................................................................24 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В результате экспериментов по быстрому охлаждению металлических расплавов, которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых 
случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует, а 
расположение атомов характерно для бесструктурного аморфного 
тела. Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной 
жидкости и характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. Оказалось, что у аморфного металла свойства совсем другие в отличие от свойств кристаллического металла. Он становится в несколько раз прочнее, повышается его стойкость к коррозии, меняются электромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант – модуль упругости. 
Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к ним стремительно возрос. Прежде всего исследователей заинтересовали ферромагнитные свойства сплавов на основе железа, 
никеля и кобальта. Магнитомягкие свойства металлических стекол в 
основном оказались лучше свойств пермаллоев и эти свойства более 
стабильны.  
Большинство новых материалов являются искусственно синтезированными и представляют собой микро- и нанонеоднородные системы, как, например, ультратонкие пленки, мультислои, аморфные и 
нанокристалличесике материалы, гранулярные системы, разбавленные магнитные полупроводники. Свойства этих материалов значительно отличаются от свойств объемных аналогов, вплоть до того, 
что они могут обладать новыми физическими эффектами.  
Широкий спектр свойств аморфных ферромагнитных микропроводов делает их перспективными для замены традиционных магнитных материалов в различных применениях. Например, метки, используемые в противокражных системах, обычно состоят из магнитомягких материалов. Современные метки разрабатываются на магнитомягких лентах и проводах, использование последних технологичнее и дешевле. Микропровода в стеклянной оболочке могут обладать свойством бистабильности и малой критической длиной бистабильности (ферромагнитные материалы, имеющие прямоугольную 
петлю гистерезиса, называются бистабильными), что увеличивает 
ширину спектра сигнала метки. 

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 
ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОПРОВОДОВ 

Развитие современных областей электротехники, магнитной записи информации, вычислительной техники, микро- и наноэлектроники, а также других областей, в которых используются магнитные 
датчики (автомобилестроение, медицина, приборостроение и др.), 
тесно связано с получением новых типов магнитных материалов. 
Одними из таких новых материалов являются аморфные магнитные 
микропровода в стеклянной оболочке. Хотя метод изготовления 
микропроводов в стеклянной оболочке был предложен более 60 лет 
назад, только последние 15 лет он стал использоваться для получения магнитных микропроводов, а сверхтонкие магнитные микропровода были получены только в последние годы.  
Исследованию свойств тонких аморфных ферромагнитных микропроводов посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ. Их количество (за последние 10 лет – более 1000 работ) свидетельствует о большом научном и прикладном интересе к 
рассматриваемой тематике. 
В настоящее время в ряде лабораторий отработаны методы получения 
микропроводов 
в 
стеклянной 
оболочке 
с 
диаметром 
1…100 мкм. Такие микропровода приобрели большое прикладное 
значение в течение последних нескольких лет благодаря своим уникальным магнитным свойствам. Так, коэрцитивная сила микропроводов из сплавов на основе кобальта с близкой к нулю константой 
магнитострикции может достигать 4 А/м (0,05 Э) при очень малых 
потерях энергии на перемагничивание благодаря высокому удельному сопротивлению. Рекордно высокие значения магнитной проницаемости обеспечивают величину гигантского магнитоимпеданса в 
сотни и даже тысячи процентов. Для микропроводов в стеклянной 
оболочке из сплавов на основе железа характерно магнитобистабильное поведение, связанное с проявлением гигантского скачка 
Баркгаузена. В таких проводах наблюдается быстрое распространение доменной границы со скоростью до 1500 м/с. 
Магнитные свойства тонких аморфных микропроводов определяются составом химического прекурсора (сплава, из которого они были получены), изменяются термообработкой (в магнитном поле или без него, 
с приложенными напряжениями или без них, отжигом током) и химической обработкой (травлением стеклянной оболочки и нанесением дополнительного магнитного слоя). Добавление соседнего микропровода 
изменяет механизм перемагничивания всей системы из-за появления 

магнитостатического взаимодействия между микропроводами. При перемагничивании систем микропроводов в стеклянной оболочке из сплавов на основе железа петли гистерезиса проявляют ступенчатую (скачкообразную) форму, свойства таких систем достаточно подробно изучены. Считается, что микропровода с небистабильными петлями гистерезиса не могут проявлять таких особенностей. 
Аморфные микропровода обладают уникальными свойствами, что 
позволяет их использовать взамен традиционных магнитных материалов. Например, метки, используемые в системах защиты и охраны, обычно состоят из магнитомягких материалов. В таких системах 
обеспечивается быстрое изменение намагниченности даже в относительно слабых внешних полях, при этом происходит возбуждение 
сложного сигнала в приемной катушке. Детектирование сигнала на 
гармониках способствует увеличению чувствительности и улучшает 
надежность всей системы. Современные метки разрабатываются на 
основе магнитомягких лент. Однако использование микропроводов 
технологичнее и дешевле. 
Активно ведутся разработки и поиски материалов в области кодирования информации в целях дублирования и замены современных 
оптических штрих-кодов. В 2000-е годы в качестве такого материала 
была предложена система параллельно расположенных взаимодействующих микропроводов. Информация с такой метки может быть считана индукционным методом при произвольной ее ориентации. Новые 
кодирующие системы, подобные штрих-кодам, на основе меток такого 
типа более удобны для считывания, чем оптические аналоги. 
На различных этапах исследования аморфные ферромагнитные 
микропровода использовались в различных областях: от сердечников 
трансформаторов и других деталей микроэлектроники до поглощающих покрытий, в качестве сверхчувствительных датчиков магнитного поля и систем кодирования и идентификации информации. 
Области их применения непрерывно расширяются.  
Аморфные ферромагнитные микропровода в стеклянной оболочке 
производятся путем быстрого охлаждения расплава (метод Тейлора –
Улитовского). Для этого заранее приготовленный сплав помещается в 
запаянную с одного конца стеклянную трубку. Металл в стеклянной 
трубке разогревается магнитным полем высокой частоты. Тепло, исходящее от металла, нагревает стекло и оно размягчается. От смягченного края стеклянной трубки оттягивается тонкий капилляр, который 
заполняется расплавленным металлом. Заполненный металлом капилляр входит в охлаждающуюся зону в перегретом состоянии. Режим 
охлаждения выбирается таким образом, чтобы получить аморфную 
микроструктуру ферромагнитной жилы. Охлаждающая зона включает 

в себя поток охлаждающей жидкости, через который протягивается 
капилляр. Микроструктура микропровода контролируется путем подбора аморфизаторов, интенсивностью охлаждения, природой охлаждающей жидкости, положением охлаждающего потока, временем охлаждения в потоке жидкости и температурой перегретого металла. 
Аморфизаторами обычно служат неметаллические атомы, такие 
как Si и B. Скорости охлаждения для обеспечения аморфной микроструктуры жилы провода составляют 105…106 К/с. При таких больших скоростях охлаждения и в связи с различием механических характеристик стекла и металла, в получаемом микропроводе создаются значительные внутренние механические напряжения, называемые 
закалочными напряжениями.  
Изготовленные таким методом аморфные ферромагнитные микропровода в стеклянной оболочке отличаются малым изменением свойств 
по длине и малой линейной плотностью дефектов. Они представляют 
собой ферромагнитную жилу диаметром ~ 5…50 мкм, покрытую тонкой стеклянной оболочкой толщиной 1…5 мкм (рис. 1.1, а). В состав 
микропроводов обычно входят железо, кобальт, бор, кремний, углерод. Микрофотографии микропровода в стеклянной оболочке представлены на рис. 1.1, б, в.  

 

Рис. 1.1. Аморфный микропровод в стеклянной оболочке:  
а – структура микропровода; б – микрофотография микропровода в 
стеклянной оболочке с диаметром D = 28,2 мкм; в – тот же 
микропровод с частично удаленной оболочкой, видна ферромагнитная 
жила диаметром d =17,8 мкм 

2. СВОЙСТВА АМОРФНЫХ 
ФЕРРОМАГНИТНЫХ МИКРОПРОВОДОВ 

Хорошо известно, что магнитные свойства аморфных ферромагнитных лент и проводов определяются в основном магнитострикционными взаимодействиями. С одной стороны, энергия магнитной 
кристаллографической анизотропии в аморфных образцах отсутствует в силу отсутствия самой кристаллической структуры. С другой 
стороны, остаточные механические напряжения, которые возникают 
при быстрой закалке провода из расплава, достигают обычно значительной величины. Поэтому распределение легких осей анизотропии 
в однородном по составу аморфном проводе определяется, как правило, зависимостью от координат тензора закалочных механических 
напряжений. 
Для полного теоретического описания магнитных свойств аморфных ферромагнитных проводов необходимо прежде всего провести 
расчет распределения закалочных механических напряжений по сечению провода. Затем необходимо подобрать адекватное выражение 
для плотности магнитоупругой энергии провода и проанализировать 
распределение намагниченности в проводе в основном состоянии в 
отсутствии внешнего магнитного поля. После этого следует изучить 
влияние различных внешних факторов, таких как внешнее магнитное 
поле, растягивающие и скручивающие упругие напряжения, на распределение намагниченности в аморфном проводе.  
В настоящее время экспериментально изучаются аморфные ферромагнитные провода двух основных типов. Провода первого типа 
производятся японской компанией Unitika, не имеют изолирующей 
стеклянной оболочки и обладают сравнительно большим диаметром 
D = 100…150 мкм. Более тонкие микропровода второго типа с типичным диаметром ферромагнитной жилы D = 5…20 мкм изготавливаются методом Тейлора – Улитовского в тонкой стеклянной оболочке толщиной 5…15 мкм. Наличие стеклянной оболочки позволяет 
существенно уменьшить диаметр провода, но ведет при этом к значительному увеличению амплитуды закалочных напряжений из-за 
разности в тепловых и механических свойствах ферромагнитной жилы и оболочки. Кроме того, в силу относительно малого диаметра 
микропровода зависимость тензора закалочных механических напряжений от координаты вдоль радиуса микропровода не столь существенна, как для провода типа Unitika. В силу этих обстоятельств 

магнитные свойства микропроводов в стеклянной оболочке и проводов типа Unitika существенно различаются. Кроме того, свойства 
проводов обоих типов определяются величиной и знаком феноменологической константы магнитострикции. Экспериментально могут 
быть приготовлены провода с преобладанием в составе ферромагнитной жилы железа с положительной магнитострикцией и с преобладанием кобальта с отрицательной магнитострикцией. Кроме того, 
специальным подбором состава ферромагнитной жилы можно приготовить предельно магнитомягкие ферромагнитные микропровода с 
константой магнитострикции близкой к нулю. Ниже остановимся 
более подробно на теоретическом описании свойств микропроводов 
в стеклянной оболочке.  
Обычно толщина как металлической жилы, так и стеклянной оболочки находится в пределах от нескольких микрометров до десятков 
микрометров. С одной стороны, микропровода с положительной 
магнитострикцией обладают прямоугольной петлей гистерезиса и 
имеют только два стабильных состояния, переход между которыми 
происходит с помощью гигантского скачка Баркгаузена. Пример такой петли гистерезиса приведен на рис. 2.1.  

 

Рис. 2.1. Бистабильная петля гистерезиса микропровода состава 
Fe74B13Si11C2 с положительной константой магнитострикции 

С другой стороны, микропровода с отрицательной магнитострикцией обладают практически линейной, безгистерезисной кривой намагничивания, как показано на рис. 2.2. Свойства микропроводов также в значительной степени определяются распределением остаточных 

закалочных напряжений по сечению провода. Более того, в силу различия в механических и тепловых характеристиках металла и оболочки, амплитуда закалочных напряжений в микропроводах, как правило, 
выше, чем в аморфных проводах типа Unitika. Как следствие, например, коэрцитивная сила микропроводов обычно примерно на порядок 
больше соответствующего значения для проводов типа Unitika. Описанные ниже теоретические результаты получены в работах [1, 2]. 

 

Рис. 2.2. Линейная петля гистерезиса микропровода состава 
Co68Mn7B15Si10 с отрицательной константой магнитострикции 

2.1. Остаточные механические напряжения  
в микропроводе 

Последовательный расчет закалочных напряжений в микропроводах может быть проведен на основе теории вязкоупругой среды [2]. 
При этом следует принять во внимание вязкоупругое поведение как 
металлической жилы, так и стеклянной оболочки, а также учесть 
разницу коэффициентов теплопроводности χ1 и χ2, коэффициентов 
линейного расширения α1 и α2, и упругих модулей металлической 
жилы и оболочки соответственно. При расчете остаточных закалочных напряжений в микропроводе со стеклянной оболочкой через r1 и 
r2 будут обозначаться радиус металлической жилы и радиус всего 
микропровода соответственно.  
Рассмотрим распределение закалочных напряжений в типичном 
аморфном микропроводе с радиусом r2 = 12,5 мкм и приведенной тол

щиной металлической жилы d = r1/r2 = 0,6. Можно показать, что приведенные компоненты тензора напряжений σrr/σ0, σϕϕ/σ0 и σzz/σ0 как 
функции приведенной координаты x = r/r2 зависят только от отношений 
механических и тепловых характеристик жилы и оболочки микропровода α1/α2 и χ1/χ2. Компоненты тензора напряжений удобно нормировать на σ0 = α1χ1T*, где T* = 50 К. Принимая значения α1 = 8,7⋅10–6 К–1, 
χ1 = 200 Вт/(м · К) Па для металлической жилы и α2 = 3,3⋅10–6 К–1,  
χ2 = 100 Вт/(м · К) для стеклянной оболочки соответственно, получаем 
для этих величин типичные значения α2/α1 = 0,4 и χ2/χ1 = 0,5.  
На рис. 2.3 показана радиальная зависимость компонент тензора 
закалочных напряжений при различных значениях параметра α2/α1, 
но при фиксированном отношении χ2/χ1. Амплитуда напряжений 
равна σ0 = 87 МПа при χ1 = 200 Вт/(м · К), α1 = 8,7⋅10–6 К–1. Как видно 
из этого рисунка, амплитуды компонент тензора напряжений существенно меняются при изменении отношения коэффициентов линейного расширения в интервале 0 ≤ α2/α1 ≤ 1,6. Кроме того, в отличие 
от оболочки провода, распределение закалочных напряжений внутри 
металлической жилы остается практически постоянным. При этом 
компоненты σzz и σϕϕ испытывают разрывы на границе металл-стекло 
при толщине микропровода x = 0,6. Расчет показывает, что подобное 
поведение испытывают компоненты закалочного тензора также при 
изменении отношения χ2/χ1 при фиксированном значении α2/α1. 
Именно амплитуды компонент изменяются пропорционально величине χ2/χ1, при этом распределение напряжений внутри металла 
практически не зависит от радиальной координаты.  

 

Рис. 2.3. Радиальная зависимость компонент тензора закалочных 
напряжений в аморфном микропроводе с фиксированным 
отношением объемных модулей χ2/χ1 = 0,5, но с различным 
отношением коэффициентов линейного расширения α2/α1 = 0,4(i – 1). 
Здесь i = 1…5 – номер кривой