The dynamic magnetostriction characteristics of an Fe-based nanocrystalline FeCuNbSiB alloy are investigated as a function of the dc bias magnetic field. The experimental results show that the piezomagnetic coefficient of FeCuNbSiB is about 2.1 times higher than that of Terfenol-D at the low dc magnetic bias $H_{dc}$ = 46 Oe. Moreover, FeCuNbSiB has a large resonant dynamic strain coefficient at quite low Hdc due to a high mechanical quality factor, which is 3-5 times greater than that of Terfenol-D at the same low $H_{dc}$. Based on such magnetostriction characteristics, we fabricate a new type of transducer with FeCuNbSiB/PZT-8/FeCuNbSiB. Its maximum resonant magnetoelectric voltage coefficient achieves ~10 V/Oe. The ME output power reaches 331.8 ${\mu}W$ at an optimum load resistance of 7 $k{\Omega}$ under 0.4 Oe ac magnetic field, which is 50 times higher than that of the previous ultrasonic-horn-substrate composite transducer and it decreases the size by nearly 86%. The performance indicate that the FeCuNbSiB/PZT-8/FeCuNbSiB transducer is promising for application in highly efficient magnetoelectric energy conversion.
본 연구에서는 대표적인 강자성 금속인 Fe에 비자성 원소가 치환된 비교적 단순한 B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn) 합금의 자기변형계수를 제일원리계산으로 수행하여 Fe 기반 합금이 희토류 원소 기반 자기변형 물질인 Terfenol을 대체할 수 있는 가능성을 탐색하였다. 계산방법으로 자성 연구에 가장 적합한 것으로 알려져 있는 총퍼텐셜 선형보강 평면파(Full-potential Linearized Augmented Plane Wave; FLAPW) 방법을 사용하였으며 일반화 물매근사(generalized gradient approximation: GGA)을 도입하여 전자 상호간의 교환-상관 퍼텐셜을 기술하였다. B2 구조의 FeX(X = Al, Si, Ni, Ga, Ge, Sn)의 합금들 중에 FeSi와 FeGe은 비자성 상태가, 그 외 나머지 합금은 강자성 상태가 안정된 것으로 계산되었다. FeAl, FeNi, FeGa, FeSn의 자기변형계수 는 각각 -5, +6, -84, -522ppm으로 계산되어 FeSn은 큰 자기변형을 가질 수도 있음을 예측하였다.
RFe$_2$(R=rare earth) Laves상 금속간 화할물은 $10^{-3}$ 정도의 큰 포화 자왜 정수를 나타내고 있어, 자왜 재료의 응용 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 이 금속간 화합물은 결정 자기 이방성 에너지가 크기 때문에, 큰 포화 자왜 정수를 얻기 위해서는 높은 외부 자장이 요구되어진다. 이에 따라 저자장에서 보다 높은 자왜 정수를 얻고자 하는 연구들이 행하여 지고 있는데, 이를 위한 방법은 RFe$_2$Laves상 금속간 화합물중 결정 자기 이방성 부호가 각기 다른 회토류 금속의 치환 혹은 RFe$_2$금속간 화합물의 비정질화이다. 본 연구에서는 RFe$_2$금속간 화합물의 자기 이방성 에너지를 최소화하여 저자장에서 높은 자왜 정수를 얻기 위해, 결정 자기 이방성 정수 및 자왜 정수의 부호가 각각 반대인 SmFe$_2$와 PrFe$_2$을 합금화 한후, 비정질화하여 자왜 정수의 변화를 포함한 자성을 조사하였다.
Metallic glass 1605SC, 2826MB 두 재질에 대해 세 가지 본딩 구조를 가지는 광섬유 자왜변환기를 구성하여 구조에 따른 여러가지 자왜응답특성을 측정해 보았다. 측정결과 두 재질 모두에서 양끝 본딩이 경우 가장 좋은 자왜응답특성을 보였다. 2605SC의 경우 양끝 본딩구조를 가진 자왜변환기의 유효자왜상수 $C_{eff}$, saturation magnetostriction .lambda.$_{s}$ , 최소감지자계 $H_{min}$은 각각 1.2*$10^{-5}$O $e^{-2}$ , 7.4*$10^{-4}$ , 1.6*$10^{-7}$ Oe/.root.Hz로 측정되었고, 2826MB재질의 경우 양끝 본딩구조에서의 유효자왜상수 $C_{eff}$, saturation magnetostriction .lambda.$_{s}$ 는 각각 7.6*$10^{-6}$ O $e^{-2}$ , 3.4*$10^{-4}$ 로 측정되었다.되었다.
The aim of this paper is to consider the effect of annealing on the coefficient of thermal expansion (CTE) of electroplated Invar Fe-Ni alloy. The CTE of the as-electroplated alloy is lower than those of alloys annealed at $400^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$. XRD peaks become sharper as the as-electroplated alloy is annealed, which means the grain growth. The average grain sizes of as-electroplated and as-annealed alloys at $400^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ are 10 nm, 70 nm, and $2{\mu}m$, respectively, as determined by TEM and EBSD analyses. The CTE variation for the various grain sizes after annealing may come from the magnetostriction effect, which generates strain due to changes in the magnetization state of the alloys. The thermal expansion coefficient is considered to be affected by nano grain size in electroplated Fe-Ni Invar alloys. As grain size decreases, ferromagnetic forces might change to paramagnetic forces. The effect of lattice vibration damping of nano grain boundaries could lead to the decrease of CTE.
The influences of the load resistance $R_L$ on the magnetoelectric (ME) characteristics of $NiZnFe_2O_4+PZT$ composite were investigated in the non-resonance frequency range. The ME coefficient peak increases with increasing $R_L$, but the frequency indicating the ME coefficient peak decreases with increasing $R_L$. The maximum output power peak is approximately $9.3{\times}10^{-10}mW/Oe$ near $R_L=3.3M{\Omega}$ at f=280 Hz, and the ME coefficient seems to be saturated at $R_L>20M{\Omega}$. This frequency shift effect of $R_L$ shows that the frequency range for an ME sensor application can be modulated with the appropriate value of $R_L$. The ME output voltage has a good linear response to the ac field Hac and shows fair stability over a range of temperatures. The measured non-linearity of this sample is approximately 0.8%. This sample will allow for a low-strength magnetic ac-field sensor. The result from this sample will serve as basic data for a signal-processing circuit system.
The effects of Mn and Co additions up to 0.6 and 2.0 wt% respectively and the amount of cold-rolled reduction on the thermal expansion coefficient (TEC) of powder rolled Fe-Ni Invar strips were investigated. The compacted strips were sintered, homogenized and cold-rolled to the final thickness of 0.8 mm, 0.65 mm and 0.4 mm. All the strips reached full density except the case of 0.8 mm sample which has a very few porosities. The interstitials which are well known to increase TEC were minimized to the level of 10 rpm C,5 and N,0 by the processing. TEC was found to decrease by increasing the cold reduction. The Mn content had little effect on the TEC. But in Fe-Ni-Co system, TEC decreased with Co content up to 0.4 wt% and then increased, yielding the minimum value of $0.2 {\times} 10-6/^{\circ}C$ at 0.4 wt% Co. This value is much lower than that of commercial Invar product. Such effect of Co is considered to be related with the maxiumum spontaneous- magnetostriction effect.
The magnetoelectric characteristics on layered Ni-PZT-Ni, Co, Fe composites by epoxy bonding for magnetic field sensor were investigated in the low-frequency range. The ME coefficient of Ni-PZT-Ni, Ni-PZT-Co and Ni-PZT-Fe composites reaches a maximum of $200mV/cm{\cdot}Oe$ at $H_{dc}=110$ Oe, $106mV/cm{\cdot}Oe$ at $H_{dc}=90$ Oe and $87mV/cm{\cdot}Oe$ at $H_{dc}=160$ Oe, respectively. A trend of ME charateristics on Ni-PZT-Co, Ni-PZT-Fe composites was similar to that of Ni-PZT-Ni composites. The ME output voltage shows linearly proportional to ac field $H_{ac}$ and is about 0~150 mV at $H_{ac}$=0~7 Oe and f=110 Hz in the typical Ni-PZT-Ni sample. The frequency shift effect due to the load resistance $R_L$ shows that the frequency range for magnetic field sensor application can be modulated with appropriate load resistance $R_L$. This sample will allow for a low-magnetic ac field sensor in the low-frequency (near f=110 Hz).
In this paper, effects of elastic energy of magnetostrictive film on the deflection of a cantilevered film-substrate system are investigated. The total energy including the elastic energy of magnetostrictive film is formulated. And it is minimized to give the curvatures and the position of neutral axis of the cantilevered system. To discuss the effects of the elastic energy of film in a measured system, three magnetostrictive unimorph cantilevers and a bimorph cantilever reported elsewhere are reviewed. It is shown that the assumption, since the thickness of film is much smaller than that of substrate the film elastic energy is negligible, can cause considerable error in evaluating magnetostrictive coefficients. Not the ratio of thicknesses but elastic energies between film and substrate is also shown to play important role in making decision whether the assumption is valid or not.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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