基于面磁荷密度的金属磁记忆检测正演模型

磁偶极子理论在金属磁记忆检测正演分析中得到了广泛应用,但是现有模型中的磁荷密度多为假设值,且假设磁荷在缺陷断面或应力集中区域呈均匀分布或线性分布,无法实现磁记忆信号的准确定量分析.针对上述问题,本文在结合力磁耦合理论、磁荷理论和有限元方法基础上,将试件离散为有限多个微小单元,假设单元内部磁特征参数分布均匀,建立了单元应力、磁化强度与磁荷密度之间的关系,构建了能够考虑应力不均匀分布对磁荷密度分布影响的金属磁记忆检测正演模型.与实验结果对比发现,本文建立模型无论是定性还是定量上都能很好预测磁记忆信号变化规律;在此基础上,对比了应力集中和宏观裂纹表面磁场分布的差异,并以裂纹缺陷为例,详细讨论了裂纹缺陷尺寸参数对磁记忆信号及其特征参量的影响规律.理论分析表明,本文模型可为定量分析磁记忆检测过程中缺陷附近磁场变化规律提供新的理论模型.     

磁性应力监测中力磁耦合特征及关键影响因素分析

针对磁性应力监测研究中力磁耦合关系有多种变化趋势且一直没有合理理论解释这一问题, 从磁性材料的微观磁畴运动出发, 根据磁致磁化过程, 详细分析了两种不同磁化状态下力致磁化的变化规律, 揭示出力磁耦合关系的变化特征, 进而提出磁化状态是导致力磁耦合关系差异的本质因素; 对工程上实际缆索用镀锌钢丝在不同磁化状态下进行了力磁耦合试验, 结果与理论一致: 力磁耦合关系随磁化状态的不同而不同, 本质上有效地解释了已有研究中力磁耦合关系的矛盾多样性. 关键词： 应力监测 磁化状态 力磁耦合 磁畴运动     

金属磁记忆效应的第一性原理计算与实验研究

为研究铁磁材料应力集中区域金属磁记忆信号的产生机理及其变化规律, 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法, 建立了磁记忆效应的磁力学模型; 计算分析了力与磁记忆自发漏磁信号的定量变化关系. 研究结果表明:力作用导致晶格畸变是磁记忆自发漏磁信号产生的根本原因; 常温下, 磁记忆信号随应力近似线性变化的规律与X70钢管水压爆破实验结果具有很好的一致性. 研究结果有助于金属磁记忆检测机理的研究. 关键词： 金属磁记忆 第一性原理 漏磁信号     

铁磁板磁巴克豪森应力检测的解析模型

作为评估铁磁材料性能及应力状态的重要无损检测技术之一,磁巴克豪森噪声方法可实现对材料早期结构损伤及相关应力状态的定量评价,应用前景广阔.此方法能否准确评估材料内部损伤及应力状态,关键在于能否建立合理有效的检测信号与材料内部应力分布之间的关系.为此,本文以铁磁板为例,沿板厚度方向激发信号,根据磁巴克豪森信号传播过程中的强度衰减效应,建立了铁磁板表面磁巴克豪森信号与材料内部应力定量关系的解析模型.基于已有实验结果的研究证实,本文理论模型能准确反映不同检测频率下铁磁板内部均匀应力值差异对检测信号的影响.而且,对于铁磁板内存在应力分布的情形,采用本文解析模型,研究得到了板内应力分布、铁磁板厚度、磁导率和电阻率等主要参数对铁磁板表面检测信号的影响规律.本文理论模型不仅揭示了基于磁巴克豪森噪声方法的铁磁材料应力检测机理,同时也为发展磁巴克豪森无损检测技术提供了合理有效的理论依据.     

表面缺陷的方向性对漏磁场分布的影响

由于漏磁检测(MFL)具有操作简单、成本低廉、信号稳定等特点,已被广泛应用于铁磁材料的无损检测.在MFL领域,实现缺陷评估的关键是对漏磁信号与缺陷几何特征之间的关系进行准确描述.本文建立了一个任意方向的表面缺陷漏磁场分布的三维数学模型.首先,将表面缺陷近似为一个有限长的矩形槽来进行描述;然后,从理论上分析了不同缺陷方向下槽壁磁荷密度的变化规律;最后,通过矢量合成得到了有向缺陷的漏磁场分布.开展了仿真和实验,对缺陷在不同磁化方向下的漏磁场分布进行了分析.实验结果表明,缺陷的MFL分布与方向性密切相关.随着与磁化方向夹角增大,缺陷漏磁场水平分量亦增加,单峰性也越突出;但垂直分量却随夹角的增大而呈现双峰分布.所建模型能有效地描述缺陷的方向性对漏磁场分布影响,对优化MFL检测器设计和提高缺陷评估质量有实际指导意义.     

磁振子宏观效应以及热扰动场对反磁化的影响

热扰动导致的磁反转是越过能量势垒的不可逆反转,称为热助隧穿.本文研究Pr-Fe-B磁体热扰动导致的磁反转弛豫现象,反转磁矩与时间自然对数关系可表示为与能垒之间的关系,因此反磁化弛豫现象可用磁振子按能量的玻色统计分布率来解释,是磁振子宏观效应的体现.反磁化不可逆过程的临界尺寸为纳米级,与理论磁畴壁尺寸接近,证实热扰动反磁化经过磁畴壁形核去钉扎过程.在实空间反磁化耦合体积增大能减小磁振子隧穿的反磁化概率,热扰动场减小;热扰动后效场测量值与热扰动场计算值基本是一致的.温度升高,热扰动能量增大,由于耦合作用热扰动后效场有所减小,但热扰动后效场相对于矫顽力的作用增大.     

具有不同交换偏置方向的外延FeGa/IrMn双层膜的磁各向异性与磁化翻转

采用磁控溅射方法在MgO(001)单晶衬底上制备了交换偏置分别沿着FeGa [100]和[110]方向的FeGa/IrMn外延交换偏置双层膜,研究了交换偏置取向对磁化翻转过程与磁化翻转场的影响.铁磁共振场的角度依赖关系的测量与拟合,表明样品存在不同取向的四重对称磁晶各向异性、单向交换磁各向异性和单轴磁各向异性的叠加.矢量磁光克尔效应测量表明交换偏置沿着[100]方向的样品在不同磁场方向下表现矩形、非对称和单边两步磁滞回线;交换偏置沿着[110]方向的样品在不同磁场方向下表现单边两步和双边两步磁滞回线.考虑不同交换偏置方向的畴壁形核和位移模型,能够很好地解释磁化翻转路径随磁场方向的变化规律和拟合磁化翻转场的角度依赖关系,表明交换偏置方向的改变使得畴壁形核能发生显著变化.     

基于磁动力学方程的电流感应磁化翻转效应的宏观模型

提出了一个基于磁动力学方程的宏观唯象理论模型，对纳米级赝自旋阀结构的电流感应磁化翻转效应给出了明晰的物理解释：流入自由层的净自旋流和自由层内的自旋弛豫过程的共同作用，导致自由层总磁矩随时间的改变，甚至产生磁化方向的翻转.模型将“铁磁/非铁磁”界面的自旋相关散射，以及铁磁层中的自旋积累和弛豫过程，统一于宏观的磁动力学方程中.通过求解该方程的解析解，给出了赝自旋阀在电流激励下的磁化翻转条件和临界电流密度的表达式.对该效应的定性解释和数值模拟结果都和实验报道良好符合.根据模型分析了影响临界电流密度的诸因素，并指出提高器件性能的途径. 关键词： 电流感应磁化翻转 磁动力学方程 自旋电子学     

Tb0.3Dy0.7Fe2单晶中巨磁致伸缩的逆效应

研究了Terfenol-D材料中巨磁致伸缩的逆效应,即磁机械效应.基于Stoner-Wohlfarth(SW)模型,考虑磁晶各向异性和应力各向异性能,依据自由能极小原理,获得了退磁态下Terfenol-D单晶中磁化强度方向和压应力的关系.采用数值方法求解了平衡条件下的非线性方程组.理论结果表明,Terfenol-D巨磁致伸缩单晶中的磁各向异性取决于磁晶各向异性和应力各向异性之间的竞争.在压应力的作用下,Terfenol-D单晶中的磁各向异性由立方向单轴转变.理论和实验结果的比较表明,存在一个临界压应力,使磁致伸缩效应达到极大值.该理论结果还解释了压应力使得Terfenol-D单晶材料难于磁化和磁致伸缩效应出现极大值的实验事实.理论计算不仅为研究这类问题提供了一个更准确的方法,而且其结果也有助于理解类似材料中的磁化过程.     

Tb0.3Dy0.7Fe2单晶中巨磁致伸缩的逆效应

研究了Terfenol-D材料中巨磁致伸缩的逆效应,即磁机械效应.基于Stoner-Wohlfarth(SW)模型,考虑磁晶各向异性和应力各向异性能,依据自由能极小原理,获得了退磁态下Terfenol-D单晶中磁化强度方向和压应力的关系.采用数值方法求解了平衡条件下的非线性方程组.理论结果表明,Terfenol-D巨磁致伸缩单晶中的磁各向异性取决于磁晶各向异性和应力各向异性之间的竞争.在压应力的作用下,Terfenol-D单晶中的磁各向异性由立方向单轴转变.理论和实验结果的比较表明,存在一个临界压应力,使磁致伸缩效应达到极大值.该理论结果还解释了压应力使得Terfenol-D单晶材料难于磁化和磁致伸缩效应出现极大值的实验事实.理论计算不仅为研究这类问题提供了一个更准确的方法,而且其结果也有助于理解类似材料中的磁化过程. 关键词： Terfenol-D 磁机械效应 巨磁致伸缩效应 磁各向异性     

Finite element simulation of the magneto-mechanical response of a magnetic shape memory alloy sample

Abstract

In this paper, the stress- and magnetic field-induced variant reorientation in a magnetic shape memory alloy (MSMA) sample is simulated by using the finite element method. This model is set up based on a three-dimensional setting with the whole sample and the surrounding space taken into account. A typical loading pattern is proposed on the sample. The unknowns of the model governing system include the spatial displacement vector, the scalar magnetic potential and some internal variables related to the effective magnetization vector. By considering the different properties of the unknowns, an iterative computational scheme is proposed to derive the numerical solutions. With the obtained solutions, the magneto-mechanical response of the MSMA sample under different field and stress levels can be predicted. The distributions of the variant state and the effective magnetization in the sample can also be determined. By comparing with the experimental results, it is found that the numerical solutions obtained in this model can predict the response of the MSMA sample at a quantitative level.     

基于表面磁感应强度的铁磁构件应力恒磁表征方法

便捷获取铁磁承载构件应力对维护基础设施安全具有重要意义.其关键在于准确快速地确定随应力变化灵敏度高、线性度好的表征参数.现有电磁检测法一般在时变磁场线圈激励下,逐点分析实验结果来确定合适的表征参数,会带来线圈发热、涡流影响结果的问题,表征磁参数的确立繁琐.为此,本文提出基于表面磁感应强度的铁磁构件应力恒磁表征方法,采用永磁恒定磁化器产生全局衰减局部均匀的空间变化磁场作激励,用正交磁场测量单元拾取构件表面轴向和法向磁感应强度以表征应力.着重阐述基于表面磁感应强度的应力表征原理：根据退磁场理论、磁场强度切向连续性和磁场高斯定理,建立表面轴向和法向磁感应强度关于应力导函数之间的关系方程.最后开展实验验证.结果表明：根据该关系方程可快速准确地确定随应力灵敏度最高的表面磁感应强度,且其随应力变化线性度较好,拟合优度R²大于0.98,可作为应力表征磁参数.本文所提方法可为在线检测铁磁构件应力提供新途径.     

电流感应磁化翻转效应的改进的系综模型

运用宏观双通道扩散模型研究了赝自旋阀结构中的自旋相关输运过程,考虑到磁化强度矢量的横向分量的影响,建立了自由层磁化强度矢量的动力学方程,利用自旋流连续和化学势差连续作为边界条件.理论计算求解了电流感应磁化翻转效应中的临界电流,解释了铁磁层和非磁层电导率匹配问题和纵向场对电流感应磁化翻转效应中临界电流的影响. 关键词： 赝自旋阀 电导率匹配 自旋转移扭矩 电流感应磁化翻转效应     

基于永磁恒定磁场激励的起始磁化曲线测量

现有起始磁化曲线测量系统需绕制励磁线圈和感应线圈,在线应用受限.为此,本文提出了一种基于永磁恒定磁场激励的起始磁化曲线测量原理并搭建了相应测量系统.该系统采用永磁磁化器作为激励磁源,以对称磁化方法在圆柱棒状构件上激励出随轴向位置变化的恒定磁场作为激励磁场;采用阵列霍尔探头测量构件表面不同提离下的轴向和法向磁感应强度;并基于多项式外推法和磁场高斯定理外推法,推算构件与空气分界面上的轴向和法向磁感应强度;进一步地,根据分界面上的磁感应强度获取构件的起始磁化曲线.系统测量结果表明,在永磁恒定磁场激励下,无须励磁线圈和感应线圈即可方便地获取棒状构件的起始磁化曲线,测量误差小于10%,测量误差标准差小于0.01,重复性较好.该系统可为便捷地在线测量棒状构件起始磁化曲线提供新途径.     

Low-field microwave absorption behaviors on single layer magnetic film and exchange coupled multilayer magnetic film

This study examined the magnetization reversal effects on low-field microwave absorption in a Fe_91.6B_2.5N_5.9 single layered film with in-plane uniaxial magnetic anisotropy and a multi-layered film with giant magnetoresistivity using ferromagnetic resonance measurements at 9.84 GHz. Two different kinds of absorption modes were observed at near zero dc field and high dc field. The signals at high-field showed all the features of ferromagnetic resonance due to spin precession. However, the absorption signals at low-field should be associated with the switching field at unsaturated magnetic field region.     

Interaction of a magnetic vortex with the probe field of a magnetic force microscope

The interaction of a magnetic vortex in a circular ferromagnetic nanoparticle with the probe field of a magnetic force microscope (MFM) is theoretically investigated. In the calculations, the probe field is approximated by the point dipole field. The rigid magnetic vortex model is used to describe the vortex state of magnetization. It is found that the effect of the probe field on the rigid magnetic vortex shell is similar to the effect of a uniform magnetic field parallel to the particle plane. The effect of the Z component of the probe field on the core of the vortex results in mutual probe-vortex attraction or repulsion. It is shown that the magnetization direction of the core of the vortex in the MFM probe field can be changed without a change in the shell vorticity direction.     

Micromagnetism in a planar system with a random magnetic anisotropy and two-dimensional magnetic correlations

The hysteresis loops and the micromagnetic structure of a ferromagnetic nanolayer with a randomly oriented local easy magnetization axis and two-dimensional magnetization correlations are studied using a micromagnetic simulation. The properties and the micromagnetic structure of the nanolayer are determined by the competition between the anisotropy and exchange energies and by the dipole–dipole interaction energy. The magnetic microstructure can be described as an ensemble of stochastic magnetic domains and topological magnetization defects. Dipole–dipole interaction suppresses the formation of topological magnetization defects. The topological defects in the magnetic microstructure can cause a sharper change in the coercive force with the crystallite size than that predicted by the random magnetic anisotropy model.     

阳离子空位磁矩起因探讨

运用群论和分子轨道理论的方法, 系统地研究了非掺杂磁性半导体中阳离子空位产生磁矩的原因, 并用海森堡模型阐明了磁矩之间的交换耦合机理. 研究发现: 阳离子空位磁矩的大小与占据缺陷能级轨道的未配对电子数有关, 而缺陷能级的分布与空位的晶场对称性密切相关; 通过体系的反铁磁状态和铁磁状态下的能量差估算交换耦合系数J₀, 交换耦合系数J₀的正负可以用来预测磁矩之间的耦合是否为铁磁耦合:J₀>0, 则表明磁矩之间的耦合为铁磁耦合, 反之为反铁磁耦合. 最后指出空位的几何构型发生畸变(John-Teller效应)的原因: 缺陷能级轨道简并度的降低与占据缺陷能级轨道的电子的数目有直接的关系.     

Magnetization reversal of ferromagnetic nanoparticles under inhomogeneous magnetic field

We investigated remagnetization processes in ferromagnetic nanoparticles under inhomogeneous magnetic field induced by the tip of magnetic force microscope (MFM) in both theoretical and empirical ways. Systematic MFM observations were carried out on arrays of submicron-sized elliptical ferromagnetic particles of Co and FeCr with different sizes and periods. It clearly reveals the distribution of remanent magnetization and processes of local remagnetization of individual ferromagnetic particles. Modeling of remagnetization processes in ferromagnetic nanoparticles under magnetic field induced by MFM probe was performed on the base of Landau–Lifshitz–Gilbert equation for magnetization. MFM-induced inhomogeneous magnetic field is very effective to control the magnetic state of individual ferromagnetic nanoparticles as well as to create different distribution of magnetic field in array of ferromagnetic nanoparticles.     

Vortex chirality control in magnetic submicron dots with asymmetrical magnetic properties in lateral direction

The authors use micromagnetic simulation to investigate the magnetization reversal process of a new ferromagnetic submicron dot structure composed of a lateral gradient magnetization. The reversal process in this new structure begins at the both edges along and is perpendicular to the applied magnetic field due to introducing a demagnetizing field from the interface of the magnetization gradient. This leads to a two-stage nucleation process. Based on the analytical results, a novel submicron structure with a quarter of lateral gradient magnetization is proposed to control the chirality of a vortex, which is important for applications that use the vortex's chirality.