连续压应力下Fe基非晶合金带材的压磁效应

连续压应力下Fe基非晶合金带材的压磁效应
杜康;朱正吼;周佳;付远;乔宝英
【摘要】Piezomagnetic effect of Fe-based amorphous alloy ribbon was studied by applying continuous stress to Fe-based amorphous alloy ribbon and testing the nearby closed loop inductance changes.The results show that the piezomagnetic property of Fe-base amorphous alloy ribbon can be characterized by testing the nearby closed loop inductance changes of Fe-base amorphous alloy ribbon.When the frequency was equal to
1kHz,piezomag-netic property of Fe-based amorphous alloy ribbon has a good stability.And piezomagnetic property can be raised by increasing pressure.In the same pressure cases,Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 alloy ribbon has a better piezo-magnetic property than that of Fe78 Si9 B13 alloy ribbon.When the frequency was equal to 100kHz,the piezomag-netic property of Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 has a better stability than Fe78 Si9 B13 alloy ribbon Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 al-loy ribbon show the best piezomagnetic property when the frequency was equal to 1kHz and the compressive stress was equal to 0.69MPa.When the compression stress was less than 0.1 MPa,the inductance of coil has a sharp rising trend with the increase of stress,Fe-based amorphous alloy ribbon was more sensitive to tiny stress.%通过对 Fe 基非晶合金带材连续施加压力,测试其附近闭合回路电感变化,研究了Fe基非晶合金带材的电感式压磁效应。

结果表明,通过测试 Fe基非晶合金带材附近闭合回路电感变化可用来测试和表征Fe基非晶合金带材的压磁性能；在f=1kHz时,Fe基非晶合金带材压磁性能稳定性好,随着压力的增大带材压磁
性能升高,在同一压力情况下, Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9带材压磁性能优于 Fe78 Si9 B13带材；在f=100kHz 时,Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9带材压磁性能稳定性优于 Fe78 Si9 B13带材,并且 Fe73.5 Cu1 Nb3-Si13.5 B9带材在f=1kHz、压应力为0.69MPa 时具有最佳的压磁性能；在压应力<0.1 MP a 条件下,随着压应力增大,线圈电感值Ls 有一个剧增的上升趋势,铁基非晶带材压磁性能对微小应力更加敏感。

【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2013(000)017
【总页数】5页(P2468-2472)
【关键词】压磁效应;非晶;电感
【作者】杜康;朱正吼;周佳;付远;乔宝英
【作者单位】南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌 330031;南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌 330031;南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌330031;南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌 330031;南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌 330031
【正文语种】中文
【中图分类】O484.4;TB43
1 引言
Fe基非晶态合金因其组织结构独特，不存在晶体缺陷和组织、成分不均匀性等缺陷，具有优异的软磁特性和较高的强度、耐蚀性、耐磨性和硬度［1］。

近几年Fe
基非晶态合金的压磁效应受到广泛研究［2－5］。

给已磁化了的磁弹性材料施加
压力或拉力，会导致其内部磁化状态变化以及外部磁场的变化，这种现象就是压磁效应，其实质是铁磁材料内磁系统和机械系统的转换［6］。

利用磁弹性带材的压磁效应制成的电子器件，由于具有机－磁耦合系数大、截止频率高、灵敏度高、响应时间短等特点，而被广泛应用于应力/应变传感器、移动通讯、GPS、T/R组件、网络阻抗匹配等系统中。

化学成分是决定材料性能的关键，决定了非晶合金的形成能力、稳定性及磁性能的好坏，少量的过渡族元素或稀土元素的加入可以改性非晶合金的性能，本文对 Fe －Si－B 系非晶合金（Fe78 Si9 B13、Fe73.5 Cu1－Nb3 Si13.5 B9）压磁性
能进行了对比研究，详细地分析了Fe78 Si9 B13 和Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9
的压磁性能。

有一些文献报道了铁基非晶带材的压磁效应，这些文献对非晶合金带材压磁效应测试是通过将铜导线焊接在非晶合金带材上，测试非晶合金带材受压应力过程中非晶合金带材阻抗值的变化情况［1，4－8］。

本文采用的测试方式独特之处在于，通过对Fe基非晶合金带材施加压力，测试带材附近闭合回路电感变化来表征非晶合金带材的压磁性能。

2 实验与分析测试
图1为电感式压磁效应测试原理示意图。

Fe基非晶合金带材为铸态，成分为Fe78 Si9 B13和Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9，带材尺寸为长30mm、宽10mm、厚
30μm。

带材平放在内置磁芯线圈的塑料管上，测试磁芯线圈内径6.20mm、外径21.04mm，f＝1k Hz空载电感L s＝3.2103m H；通过高档型微机控制压力试验
机（型号：LYYL－500N）在非晶合金带材上施加压力F，压头尺寸为
10mm×10mm。

整个实验过程包括压力F从0～1MPa的加载，再从1～0MPa
的卸载过程，加载/卸载速度为0.1mm/min；采用 TH－2816B型数字电桥测试
了非晶合金带材实验过程中闭合回路线圈感应电感值。

图1 电感式压磁效应测试原理示意图Fig 1 Inductive piezomagnetic effect test schematic diagram
压磁效应的值SI定义为：
式中，L s为线圈电感值，L s（σ）为应力为σ时线圈电感值，L s（σ0）为未加
应力时线圈电感值。

3 实验结果与分析
3.1 Fe78 Si9 B13非晶合金带材压磁性能
线圈电感值L s随着应力的增加而增大，原因是当给线圈中通入一定频率的交流电时，在包有磁芯的线圈形成了封闭磁路。

根据铁磁学原理，当非晶合金带材受压力时，Fe基非晶合金带材中磁性能各向异性能［7］：
式中，λs为材料的饱和磁致伸缩系数，σ为单位面积所受的压力，θ为压力和磁
化方向之间的夹角，这样对于λs为正的材料，应力的增大使得带材的磁各向异性
能E 0增大，为了使磁弹性能最低，θ应为0或180°，即磁化方向与压力方向平行，从而降低了通电线圈磁路中的磁阻，使得线圈电感值L s增大。

线圈电感值L s变化落后于压应力变化（即L s并不是在应力最大时达最大值，而是有一定的滞后性），且在卸载结束后，Fe78 Si9 B13带材应变并未恢复起始值，造成这些现象的原因与带材的弹性后效有关。

弹性后效是指材料在加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能，材料的弹性后效使得材料的应变落后于应力。

根据铁磁物理学，压磁效应可定性地用趋肤效应来解释［8］。

当铁磁材料受到应力时将发生相应的应变，由于磁弹性耦合作用使得铁磁材料内部的等效磁场会发生
变化，进而使铁磁材料发生自发磁化，并进一步影响铁磁材料的有效磁导率，使铁磁材料的趋肤深度δ发生变化，其表达式［8］为：
式中，f为电流频率；ρ为材料电阻率；μeff为有效磁导率。

对长、高、宽分别为l、w、t的薄膜，其阻抗Z可表示为［8］：
式中：
从式（4）可以看出阻抗Z与趋肤深度δ有关，δ与材料有效磁导率μeff相关，而μeff直接影响磁性材料的电感。

图2和3为f＝1、100k Hz下，线圈电感L s和Fe78 Si9 B13带材应力、应变随加卸载时间变化曲线。

在100k Hz情况下，加载过程中当压应力从0增加到约0.75MPa（应变从0增加到约0.39）时，线圈电感值L s随压应力增大显著增大到最大值，L s较未施加应力时增大了2μH；随后，在压应力＞0.75MPa时，无论是加载过程还是卸载过程，随着时间的延长，线圈电感值L s呈线性下降；在卸载过程中，随着压应力降低，线圈电感值L s呈线性增加。

图2 f＝1k Hz下，线圈电感L s和Fe78 Si9 B13带材应力、应变随加卸载时间变化曲线Fig 2 The curves of loop inductance L s and stress，strain of Fe78 Si9 B13 ribbon with loading and unloading time under f＝1k Hz
图3 f＝100k Hz下，线圈电感L s和Fe78 Si9 B13带材应力、应变随加卸载时间变化曲线Fig 3 The curves of loop inductance L s and stress，strain of Fe78 Si9 B13 ribbon with loading and unloading time under f＝100k Hz
比较图2和3的压磁特性，一个可能的解释是：一方面，测试频率越高，非晶带材的磁性能受带材内应力的影响越大，即高频下的电感值对带材内应力更敏感，因
此，当带材在100k Hz频率时其L s受应变影响非常快；另一方面，非晶带材在
压应力作用下存在弹性后效现象，应变落后于压应力。

两方面综合后，在100k
Hz时，当压应力快速经过1MPa而下降后，应变并没有紧跟应力变化达到最大，其L s值只与应变最大值对应而不对应于应力最大值。

此现象非常独特，有待今后进一步研究。

图2、3均显示一个非常重要的现象，就是在非常微小的压应力（＜0.1MPa）条
件下，线圈电感值L s有一个剧增的上升趋势，这从理论上推进了传感器对微小应力的测量范围。

图4、5分别为f＝1、100k Hz下Fe78 Si9 B13带材压磁特性曲线。

从图4可看出，在f＝1k Hz下Fe78 Si9 B13带材压磁效应随着压力的增大而增大，且从表1可看出当应力从0.2MPa加载到0.7MPa时，应力与压磁效应SI（%）曲线方程
的斜率K值稳定在0.1左右，说明在f＝1k Hz下、应力范围0.2～0.7MPa之间，Fe78 Si9 B13带材压磁效应与应力曲线趋近线性关系，且稳定性好，压磁效应SI （%）最大值0.142%出现在卸载过程对应应力值为0.63MPa时；可以看出同一
应力情况下，卸载过程的压磁效应比加载过程要高，这可能跟带材的弹性后效有关。

图4 f＝1k Hz下，Fe78 Si9 B13带材压磁特性曲线Fig 4 The curves of piezomagnetic property of Fe78 Si9 B13 ribbon under f＝1k Hz
与f＝1k Hz下Fe78 Si9 B13带材压磁效应相对比，在f＝100k Hz下Fe78 Si9
B13带材压磁效应重复性比较差，稳定性不好，且在同一应力情况下，f＝1k Hz
下Fe78 Si9 B13带材压磁效应明显高于f＝100k Hz下带材压磁效应，说明Fe78 Si9 B13压磁效应更适用于中低频。

图5 f＝100k Hz下，Fe78 Si9 B13带材压磁特性曲线Fig 5 The curves of piezomagnetic property of Fe78 Si9 B13 ribbon under f＝100k Hz
表1 f＝1k Hz下Fe78 Si9 B13带材加载过程应力、SI（%）和对应的曲线斜率K
值Table 1 Loading stress，SI（%）and slope of corresponding curves of
Fe78 Si9 B13 ribbon under f＝1k Hz应力（MPa） 0.051 0.102 0.201 0.301 0.400 0.502 0.604 0.701 0.802 0.903 1.000 SI（%） 0.001 0.020 0.042 0.057 0.071 0.086 0.100 0.109 0.118 0.125 0.133 K 0.489 0.314 0.166 0.142 0.149 0.143 0.118 0.090 0.074 0.074 0.063
对f＝1k Hz下Fe78 Si9 B13带材加载过程压磁效应分析，并用MATLAB软件拟合出加载过程有效曲线方程如式（5），并对其求一阶导数得斜率K 值，见表1所示。

3.2 Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 非晶合金带材的压磁性能
图6为f＝1k Hz下，线圈电感L s和Fe73.5 Cu1－Nb3 Si13.5 B9带材应力、应变随加卸载时间变化曲线。

图6 f＝1k Hz下，线圈电感L s 和 Fe73.5 Cu1 Nb3－Si13.5 B9带材应力、应变随加卸载时间变化曲线Fig 6 The curves of loop inductance L s and stress，strain of Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 ribbon with loading and unloading time under f＝1k Hz
将其与图2对比，可看出其变化规律跟图2基本吻合，加载过程中随着应力的增
大应变线性增大，线圈电感值L s也逐渐增大，当应力σ增大到最大实验力1MPa 时，带材应变也达最大值0.61，但此时线圈电感值L s并未达最大值，同样也表
现出一定的滞后性，这点与Fe78 Si9 B13带材实验结果一致。

卸载过程Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材应变随着实验应力的减小而减小，当卸载结束后，带材
应变同样表现出弹性滞后未恢复到起始值。

图7为f＝100k Hz下，线圈电感L s和Fe73.5 Cu1－Nb3 Si13.5 B9带材应力、应变随加卸载时间变化曲线。

图7 f＝100k Hz，线圈电感 L s 和 Fe73.5 Cu1 Nb3－Si13.5 B9带材应力、应变随加卸载时间变化曲线Fig 7 The curves of loop inductance L s and stress，strain of Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 ribbon with loading and unloading time under f＝100k Hz
加载过程在微应力条件下线圈电感值L s有一剧增过程，之后随着应力的增大L s
值先增后减，在应力σ＝0.77MPa时达最大值3.2098m H；卸载过程线圈电感值
L s值随应力的减小先减后增再减，在应力σ＝0.23MPa时达最大值3.2102m H，本文认为出现这种现象的原因是 Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材在某一特定应力条件下具有极佳的应力敏感性，这有待进一步研究探讨。

对f＝1k Hz下 Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材加载过程压磁效应分析，并用MATLAB软件拟合出加载过程有效曲线方程如式（6），并对其求一阶导数得斜率K值，见表2所示。

表2 f＝1k Hz下Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9带材加载过程应力、SI（%）和对应的曲线斜率K 值Table 2 Loading stress，SI（%）and slope of corresponding curves of Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 ribbon under f＝1k Hz
应力（MPa） 0.050 0.100 0.201 0.301 0.401 0.501 0.601 0.703 0.806 0.903 1.003 SI（%） 0.001 0.066 0.189 0.294 0.373 0.452 0.522 0.575 0.614 0.644 0.670 K 1.395 1.316 1.108 0.926 0.801 0.712 0.616 0.482 0.322 0.230 0.383 图8、9 分别为 f＝1、100k Hz下 Fe73.5 Cu1 Nb3－Si13.5 B9带材压磁特性
曲线。

从图8可知SI值随着压力的增加而增大，且从表2可看出，当应力从
0.05MPa加载到0.3MPa时，应力与压磁效应SI（%）曲线方程的斜率K 值稳定在1.1左右，说明在f＝1k Hz下、应力范围0.05～0.3MPa之间，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁效应与应力曲线趋近线性关系。

图8 f＝1k Hz下，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁特性曲线Fig 8 The curves of piezomagnetic property of Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 ribbon under f＝1k Hz
图9 f＝100k Hz下，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁特性曲线Fig 9 The curves of piezomagnetic property of Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 ribbon under f＝100k Hz
对比表1和2，相同频率和应力下Fe73.5 Cu1 Nb3－Si13.5 B9带材SI（%）和
应力曲线关系的斜率大于Fe78 Si9 B13带材的SI（%）和应力曲线关系的斜率，说明Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材比Fe78 Si9 B13 带材对应力更加敏感。

从图8可知卸载过程的压磁效应比加载过程要高，表现出滞后性，同时在应力σ
为0.69MPa时，压磁效应为0.73%，是同一应力条件下的Fe78 Si9 B13带材压
磁效应的5倍左右，同样说明 Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9带材压磁效应优于
Fe78 Si9 B13带材。

图9显示在 f＝100k Hz时，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9带材压磁效应SI在加载过程应力σ为0～0.4MPa时呈剧增，在σ＝0.4MPa时SI达最大值0.24%，当σ为0.4～1MPa时SI值先缓慢增加之后缓慢减小；卸载过程在σ为1～0.1MPa时，SI值缓慢增加，当σ＜0.1MPa时SI值呈剧降趋势。

将图5与9对比，可看出在f ＝100k Hz下 Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁特性的稳定性优于Fe78 Si9
B13带材的压磁效应。

4 结论
（1）通过对Fe基非晶合金带材连续施加压力，测试其附近闭合回路电感变化，
此测试方法可用来测试和表征Fe基非晶合金带材的压磁性能。

（2）在f＝1k Hz下，Fe78 Si9 B13带材压磁效应随着压力的增大而增大，当应力从0.2MPa加载到0.7MPa时，应力与压磁效应SI（%）曲线方程的斜率K值
稳定在0.1左右，带材压磁效应与应力曲线趋近线性关系，且稳定性好，压磁效应SI（%）最大值0.142%出现在卸载过程对应应力值为0.63MPa时；同一应力情
况下，卸载过程的压磁效应要高于加载过程；在f＝100k Hz下Fe78 Si9 B13带
材压磁效应重复性比较差，稳定性不好，Fe78 Si9 B13压磁效应更适用于中低频。

（3）在f＝1k Hz下，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁效应变化规律相似于Fe78 Si9 B13带材；在f＝100k Hz下，加载过程在应力σ＝0.77MPa时L s达
最大值3.2098m H；卸载过程线圈电感值L s值随应力的减小先减后增再减，在
应力σ＝0.23MPa时达最大值3.2102m H。

（4）在压应力＜0.1MPa条件下，随着压应力增大，线圈电感值L s有一个剧增
的上升趋势，铁基非晶带材磁性能对微小应力更加敏感。

（5）在f＝1k Hz时，Fe基非晶合金带材压磁性能稳定性好，随着压力的增大带材压磁性能增大。

在同一压力情况下，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁性
能优于Fe78 Si9 B13带材，在应力σ为0.069MPa时，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁效应为 0.73%，为Fe78 Si9 B13带材压磁效应最大值的5倍；
在f＝100k Hz时，Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9 带材压磁性能稳定性优于Fe78 Si9 B13带材。

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