Тема 5.3  Магнитные материалы специализированного назначения

Тема 5.2 Магнитомягкие и магнитотвёрдые материалы

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, большой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание. Магнитные свойства после механической обработки восстанавливают термообработкой (обжигом).

К магнитомягким относятся железо и его сплавы.

Железо - это материал, магнитные свойства которого сильно зависят от содержания примесей, структуры (особенно величины зерна - чем крупнее зерна, тем выше магнитные свойства). Его используют для изготовления изделий, которые работают в постоянных магнитных полях. Технически чистое железо применяется для получения почти всех ферромагнитных сплавов.

Электротехническая сталь(сплавы железа и до 4,5%кремния) - основной магнитомягкий материал. Текстурированные стали используются при изготовлении ленточных сердечников.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резанной ленты толщиной 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат применяется в полях повышенной частоты (до 1 кГц).

Пермаллои- железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой.

Высоконикелевые пермаллоисодержат 72 - 80% никеля, а низконикелевые - 40 - 50% никеля.

Пермаллой используется для изготовления магнитных экранов, сердечников малогабаритных и импульсных трансформаторов, сердечников катушек индуктивности, головок аппаратуры магнитной записи.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Они не уступают свойствам высоконикелевого пермаллоя. Изделия из альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов и т.п. изготавливаются методом литья с толщиной стенок не менее 2 - 3 мм. Его можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

Ферриты - химические соединения окиси железа Fe₂О₃ с оксидами одного или нескольких двухвалентных металлов, имеющих общую формулу МеО×Fe₂O₃, где Ме - двухвалентный металл. Феррит может быть магнитным, если на месте Ме стоит ион марганца, никеля, магния, меди и некоторые другие металлы, и немагнитным - если стоит ион цинка. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами.

Магнитомягкие ферриты применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, сердечников импульсных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и др.

Монокристаллы магнитомягких ферритов применяются при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения сигнала звукового и видео диапазонов в магнитофонах, т.к. они обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью по сравнению с металлическими.

Магнитодиэлектрики - это композиционные магнитомягкие материалы, состоящие из ферромагнетика и диэлектрика, применяемого в качестве связующего электроизоляционного материала. Основа должна обладать высокими магнитными свойствами, а связка - способностью образовывать между зернами сплошную электроизоляционную пленку одинаковой толщины. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер, молибденовый пермаллой. Изолирующей связкой служат фенолформоальдегидные смолы, полистирол, стекло и др.

Прессованные сердечники из магнитодиэлектриков применяются в катушках индуктивности контуров радиоприемных устройств, генераторов, фильтров и т.д.

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы обладают высокой коэрцитивной силой и большой площадью петли гистерезиса.

По способу изготовления они подразделяются на следующие группы:

- литые сплавы на основе Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Al-Co, легированные медью, титаном, ниобием и др. элементами;

- порошковые материалы, из которых постоянные магниты, получают прессованием порошков с последующей термообработкой;

- прочие магнитные материалы (например, сплавы на основе редкоземельных металлов, устаревшие материалы, пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты и др.).

По применению они  подразделяют на материалы, применяемые для изготовления постоянных магнитов и для длительного хранения информации (например, для звукозаписи).

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитном материале, необходимо затруднить процесс перемагничивания. Это достигается в материалах с большим количеством внутренних механических напряжений, дефектов кристаллической структуры и высокой магнитострикции, которые препятствуют смещению доменных границ. Кроме того большая коэрцетивная сила возникает в материале из однодоменных частиц, разделенных немагнитной фазой. Такие структуры получаются после определенной термообработки.

Магнитные свойства магнитотвердых материалов зависят от кристаллографической и магнитной текстур. Магнитная текстура создается путем охлаждения высококоэрцетивных сплавов в сильном магнитном поле. При этом сильно магнитная фаза ориентируется осями легкого намагничивания вдоль направления поля. Кристаллографическую текстуру создают методом направленной кристаллизации сплава, залитого в форму, при особых условиях охлаждения. Литые сплавы тверды и хрупки. После литья их можно подвергать только шлифовке.

Для получения магнитов со строго выдержанными размерами используют методы порошковой металлургии. Магниты из порошковых материалов подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и из микропорошков.

Металлокерамические магниты получают прессованием металлических порошков без связывающего материала и спеканием их при высокой температуре. По магнитным свойствам они немного уступают литым, но дороже последних.

Металлопластические магниты изготавливают прессованием металлических порошков вместе с изолирующей связкой и подвергают нагреву до невысокой температуры, необходимой для полимеризации связывающего вещества. Имеют пониженные магнитные свойства, но обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью и относительно дешевы. Оксидные магниты чаще всего изготавливают на основе ферритов бария и кобальта.

Магниты из феррита бария имеют высокую коэрцитивную силу, но малую остаточную индукцию, обладают большим удельным электрическим сопротивлением, дешевы, обладают высокой твердостью и хрупкостью и большой зависимостью магнитных свойств от температуры.

Кобальтовые магниты характеризуются большой температурной стабильностью, однако их стоимость выше, чем бариевых.

Сплавы на основе редкоземельных металлов представляют собой интерметаллические соединения редкоземельного элемента (самария, церия и др.) с кобальтом. Они обладают наивысшими магнитными свойствами, полученными в настоящее время. Требуют защиты от окисления.

К числу магнитотвердых материалов относятся магнитные ленты для видео-звукозаписи, для записи, хранения, ввода информации в ЭВМ и магнитные диски. Материалы для магнитной записи должны обладать высокой коэрцитивной силой, высокой остаточной намагниченностью, стабильностью параметров при изменении температуры.

Большинство магнитных лент изготавливают на основе полиэтилентерефталата (лавсана), обладающего высокой механической прочностью. На поверхность основы наносят магнитный порошок, однодоменные частицы которого имеют вытянутую игольчатую форму длиной около 1 мкм при диаметре порядка 0,1 мкм и ориентированы вдоль направления поля при записи. Чем равномерней толщина магнитного слоя и мельче частицы, тем меньше шумовой фон при воспроизведении записи.

В качестве магнитного слоя используют оксиды g - Fe₂O₃, CrO₂, чистое железо или ферромагнитные сплавы. Ленты на основе CrO₂ обладают большой коэрцитивной силой и повышенной чувствительностью на высоких частотах. Использование магнитного слоя из чередующихся окислов g - Fe₂O₃ и CrO₂ улучшают воспроизводимость низкочастотной части спектра. Наилучшими магнитными свойствами обладают ленты с рабочим слоем из мельчайших частиц химически чистого железа или ферромагнитных сплавов.

Тема 5.3  Магнитные материалы специализированного назначения

 Ферриты и металлические сплавы с ППГ. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля.

Двоичные элементы на магнитных сердечниках с ППГ характеризуются высокой надежностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, относительной стабильностью характеристик. Они обладают практически неограниченным сроком службы, сохраняют записанную информацию при отключенных источниках питания.

К материалам и изделиям этого типа предъявляют ряд специфических требований, а для их характеристики привлекают некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса К пу , представляющий собой отношение остаточной индукции В r к максимальной индукции В max :

К пу = В r /В max

Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а следовательно, иметь высокую температуру Кюри и некоторые другие свойства.

Ферриты с ППГ в практике распространены шире, чем металлические тонкие ленты. Это объясняется тем, что технология изготовления сердечников наиболее проста и экономична.

Ферритам свойственна спонтанная прямоугольность петли гистерезиса, т.е. специфическая форма петли реализуется при выборе определенного химического состава и условий спекания феррита, а не является результатом какой-либо специальной обработки материала, приводящей к образованию текстуры (например, механических воздействий или обработки в сильном магнитном поле).