Numerical Field Simulations of Composite Material

Abstract

In the following work, results are presented which increase the understanding of the properties of composite material consisting of a non-magnetic matrix and ferromagnetic, spherical inclusions which fulfill the conditions of a homogeneous effective medium. Especially, we are interested in the shift of the ferromagnetic resonance frequency and the effective permeability tensor in dependence of the material properties and the microstructure of the composite. For generating the data of interest, various numerical simulation methods, including calculation of the static orientation of the magnetic moments, modelling of the of waveguide-based transmission and reflection experiments and corresponding evaluation methods, are used. With the methods at hand, we are able to analyze as well composite bulk material as finite samples and consider different kinds of inclusion arrangements from simple cubic lattices to random insertion. One of the main tasks during this work was to find possibilites to produce results with low inclusion numbers, to which we are restricted due to high memory consumptions in the high-frequency simulations, which also coincide with the large system limit. Even if we come up against limits due to finite memory resources leading to artifacts, we identify and isolate different, counteracting effects which cause a shifting of the ferromagnetic resonance frequency.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, die das Verständnis von Eigenschaften von Kompositmaterialien erhöhen, die aus einer nichtmagnetischen Matrix und ferromagnetischen, kugelförmigen Inklusionen bestehen, die die Bedingungen des homogenen effektiven Mediums erfüllen. Besonderes Interesse gilt dabei der Verschiebung der ferromagnetischen Resonanz und dem effektiven Permeabilitätstensors in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und der Mikrostruktur des Komposits. Für die Untersuchung werden zahlreiche Simulationsmethoden zur Berechnung der statischen Orientierung der magnetischen Momente, zur Modellierung der wellenleitergestützten Transmissions- und Reflexionsexperimente und entsprechende Auswertemethoden eingesetzt. Mit den zur Verfügung stehenden Methoden können sowohl unendlich ausgedehnte als auch endliche Kompositproben und verschiedene Anordnungen der Inklusionen, vom einfach kubischen Gitter bis zum zufälligen Einwurf, untersucht werden. Eine der Hauptaufgaben dieser Arbeit war es, Möglichkeiten zu finden, um mit geringen Inklusionszahlen, auf die wir in den Hochfrequenzsimulationen aufgrund deren hohen Speicherverbrauchs beschränkt sind, Ergebnisse zu produzieren, die auch für den Grenzfall großer Systeme gelten. Obwohl wir dabei auf Grenzen und daraus resultierende Artefakte stoßen, isolieren wir verschiedene, sich entgegenwirkende Effekte, die eine Verschiebung der ferromagnetischen Resonanzfrequenz verursachen.