Structural and Magnetic Properties of the Glass-Forming Alloy Nd60Fe30Al10
Mikrostrukturelle und magnetische Eigenschaften der glasbildenden Legierung Nd60Fe30Al10
by Alberto Bracchi
Date of Examination:2004-11-18
Date of issue:2005-02-28
Advisor:PD Dr. Susanne Schneider
Referee:Prof. Dr. Konrad Samwer
Referee:Prof. Dr. Reiner Kirchheim
Referee:Prof. Dr. Markus Münzenberg
Files in this item
Name:bracchi.pdf
Size:25.5Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Structural and thermophysical investigations on multicomponent bulk metallic glasses have been intensively carried out since their discovery in 1990. Since then, particular attention has been paid to the chemical and structural homogeneity of these compounds. Several experiments have in fact indicated that those multicomponent eutectic glass-forming alloys show a remarkable tendency to phase separation in the (undercooled) liquid phase and therefore to form multiphase systems. The first investigation on Nd60Fe30Al10 has demonstrated that this bulk glass-forming alloy shows interesting hard magnetic behavior and, in particular, rapid-quenched Nd60Fe30Al10 glasses have shown surprisingly hard magnetic properties with a coercive field Hc at room temperature of about 59 kA/m. In this thesis the structural and magnetic properties of the glass-forming Nd60Fe30Al10 system are systematically examined. The tendency of this alloy to show phase separation and to form an intrinsic composite have been experimentally demonstrated. On the basis of these results, it was possible to vary the structural characteristics of the sample by changing the cooling rate used during its preparation. Using different methods, specimens with cooling rates ranging from approximately 10 K/s to 1010 K/s were prepared. Structure and morphology of the different samples were examined by high-energy X-ray diffraction, small angle neutron scattering and high resolution transmission electron microscopy, while the magnetic characteristics were characterized by SQUID and vibrating sample magnetometry, Mössbauer spectroscopy and polarized small angle neutron scattering. The results presented in this thesis show that the magnetic properties of the Nd60Fe30Al10 composite depend strongly on the structural characteristics. The interplay between the structural features and the magnetic behavior can be interpreted taking into account pinning processes of the magnetic domain walls. In particular, the temperature dependence of the coercive field is explained by the pinning model proposed by Paul Gaunt in 1983. Thus, it can be experimentally proven that the hard magnetic properties of this alloy are determined by pinning effects of the ferromagnetic phase at the grain boundary of the in-situ formed paramagnetic nanocrystals.
Keywords: bulk metallic glass; hard magnetic properties; intrinsic composites; domain wall pinning; coarsening; phase separation; high-energy X-ray diffraction; (polarized) small angle neutron scattering
Other Languages
Strukturelle und thermophysikalische
Untersuchungen an mehrkomponentigen, massiven metallischen Gläsern
werden seit deren Entdeckung im Jahr 1990 durchgeführt, dabei wurde
zunächst besonderer Wert auf die chemische und strukturelle
Homogenität der Proben gelegt. Viele Experimente haben aber
gezeigt, dass diese mehrkomponentigen eutektischen glasbildenden
Legierungen zur Entmischung in der (unterkühlten) Schmelze neigen.
Erste Arbeiten an Nd60Fe30Al10 zeigen, dass diese massive
glasbildende Legierung hartmagnetisches Verhalten aufweist und dass
selbst aus der Schmelze schnell abgekühlte Nd60Fe30Al10 Gläser eher
hartmagnetische Eigenschaften mit einer Koerzitivfeldstärke Hc von
59 kA/m bei Raumtemperatur besitzen. In der vorliegenden Arbeit
werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften der
glasbildenden Legierung Nd60Fe30Al10 systematisch untersucht. Die
Tendenz dieser Legierung zur Phasenseparation und zur Bildung eines
intrinsischen Komposits ermöglicht es, die strukturellen
Charakteristika durch Änderung der bei der Herstellung verwendeten
Abkühlrate zu variieren. Mittels verschiedener Präparationsmethoden
sind Proben mit Abkühlraten von etwa 10 K/s bis zu 1010
K/s hergestellt worden. Durch hochenergetische Röntgenbeugung,
Kleinwinkelneutronenstreuung und hochauflösende
Transmissions-Elektronen-Mikroskopie wurden die Struktur und die
Morphologie der verschiedenen Proben untersucht, während die
magnetischen Eigenschaften durch SQUID- und VSM-Magnetometrie,
Mössbauer Spektroskopie und polarisierte
Kleinwinkelneutronenstreuung charakterisiert wurden. Die Ergebnisse
zeigen, dass die magnetischen Eigenschaften der Nd60Fe30Al10
Komposite stark von den strukturellen Eigenschaften abhängen. Ihr
Zusammenspiel lässt sich gut mit Pinning Effekten der Domänenwände
interpretiert werden. Die Temperaturabhängigkeit der
Koerzitivfeldstärke kann sehr gut durch das Pinning Modell von
Gaunt aus dem Jahr 1983 beschrieben werden. Somit lässt sich das
Pinning der ferromagnetischen Phase an der Grenzfläche der in-situ
gebildeten paramagnetischen Nanokristalle experimentell
nachweisen.
Schlagwörter: massive metallische Gläser; hart magnetische Eigenschaften; intrinsische Komposite; Domänenwände Pinning; Kornwachstum; Phasenseparation (Entmischung); hochenergetische Röntgenbeugung; (polarisierte) Kleinwinkelneutronenstreuung