Fe-6.5%Si软磁材料的磁畴结构模型和磁性能研究

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硅钢因其优异的软磁性能而受到广泛关注,并被广泛应用于电子和军工领域。硅钢的种类很多,其中含6.5%Si的硅钢具有高磁导率和高饱和磁化强度,且磁致伸缩几乎为零。由于其在高频磁场下具有较低的铁损,因而是制造高频电机、高频变压器及扼流圈的理想材料;而微观磁畴结构控制对进一步提高硅钢的软磁性能具有重要意义,但这方面的研究还鲜见报道。本论文针对以上研究背景,对6.5%Si硅钢进行了静态和动态磁化模拟。利用能量最小原理研究了厚度对其静态磁性、能量和磁畴结构的影响。根据LLG方程建立了动态磁化模型,进行了动态磁化分析,并研究了频率以及温度对其磁性、能量以及磁畴结构的影响。本论文主要研究结果如下:(1)研究了静态磁化过程的起始磁化阶段及剩磁与矫顽阶段的磁性和磁畴结构。在一定厚度范围内,随厚度的增加,损耗和矫顽力均先增后减;剩磁随厚度的增加而降低。在起始磁化阶段,当厚度超过5.50nm时,磁矩分布出现了心部涡旋向边界移动的过程,但在塞曼能的作用下,磁畴结构最后都形成了“C”态与“flower”态;在剩磁与矫顽阶段,当厚度超过5.50nm时,退磁场能与交换能的峰值消失,“长条状”磁畴结构亦消失;当厚度达到24.75nm时,退磁场能先降后升,而交换能先升后降,导致磁矩相互对称而心部出现两个涡旋。(2)研究了频率对动态磁化的起始磁化阶段及剩磁与矫顽阶段的磁性和磁畴结构的影响。发现了弛豫过程导致的磁频散现象。在10MHz频率的起始磁化阶段,出现“双C”形磁畴结构。在起始磁化和剩磁阶段,磁矩都呈现“flower”态。在10MHz和100MHz频率下,退磁场能与交换能出现两个峰值,且能量随磁化时间波动。在1GHz频率下,退磁场能与交换能仅出现一个峰值,涡旋的转移与湮灭更加复杂,且矫顽阶段磁矩更早的转向磁化方向,最后没有形成“长条状”磁畴结构。(3)研究了温度对动态磁化的磁性和磁矩分布的影响。饱和磁化强度和剩磁均随温度的升高而降低。在起始磁化阶段,当磁化时间达到0.150ns时,磁矩分布随温度升高变得更混乱,且遍布很多小磁畴与小涡旋;当达到0.225ns时,温度越高,交换能越大,小涡旋也越多。在剩磁与矫顽阶段,当达到5.000ns时(即剩磁点),心部磁矩随温度升高而偏离原磁场方向,且边缘的“C”形结构没有低温时明显;当达到5.340ns时,边缘仍存在小涡旋。(4)研究了长宽高比为1:1:1的硅钢在动态磁化过程中磁畴结构的变化。在起始磁化阶段,频率越低,磁矩越容易转向外磁场方向,且10MHz和100MHz频率下都形成了不对称的“C”形结构;在剩磁点,10MHz和100MHz频率下,心部都形成“长条状”磁畴结构,而1GHz频率时形成“flower”态磁畴结构;在矫顽状态,频率为1GHz时形成“X”形磁畴结构,而10MHz和100MHz时,虽然也形成“X”形结构,但畴壁厚度减小,畴壁内的磁矩更多地转向外磁场方向。
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