Высокочастотные магнитомягкие материалы

Комментарии к рис.5.5.

Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30-25 мкм, а пермаллой, как мееханически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2-3 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких магнитных материалов близки к свойствам материалов больших толщин, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.

Магнитодиэлектрики – это фактически высокочастотные магнитные пластмассы, в которых наполнителем является ферромагнетик, а связующим – электроизоляционный материал органический (Например, фенолформальдегидная смола) или неорганический (например жидкое стекло). Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика всегда меньше магнитной проницаемости ферромагнетика, составляющего его основу и вычисляется по формуле:

m_мд = 1/ (1/m_ф + V/3)

Наиболее широко применяются магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя.

Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10³-10¹³ раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Высокопроницаемые ферриты. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe₂O₄ или MnFe₂O₄) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe₂O₄) - немагнитен.

Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tg d. Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tgd в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксациооными и резонансными явлениями.

В ферритах, как и в ферромагнетиках, реверсивная магнитная проницаемость может существенно изменяться под влиянием напряженности постоянного подмагничивающего поля, причем у высокопроницаемых ферритов эта зависимость выражена более резко, чем у высокочастотных ферритов с небольшой начальной магнитной проницаемостью.

Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.

По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности("прыжковый" механизм). Электроны, учавствующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Так, никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 200 на частоте 1 кГц имеет e = 400, а на частоте 10 МГц e = 15. Наиболее высокое значение e присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.

Большое влияние на поляризационные свойства ферритов оказывают ионы переменной валентности. С увеличением их концентрации наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости материала.

Магнитотвердые материалы

Комментарии к рис. 5.6.

К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой Н_с.

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_с, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство w_мах.

Магнитная проницаемость m магнитотвердых материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т.е. чем выше его коэрцитивная сила Н_с, тем меньше его магнитная проницаемость.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции B_r, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции B_max, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции

где (Br)1 и (Br)2 –значения остаточной индукции материала при температурах Т1 и Т2 соответственно.

Максимальная удельная магнитная энергия w_мах является важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов.

Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м2:

Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и магнитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации, магнитное поле в котором используют для технических целей.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.

В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции B_r на 1…3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Если со временем в постоянном магните произошли структурные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необратимого старения.

По назначению магнитотвердые материалы подразделяются на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хранения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на налитые, порошковые и прочие.

Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют основой сплавы железо- никель- алюминий (Fe-Ni-Al) и железо- никель- кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к прецизионным, так как их количество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.

Магнитотвердые литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуре начала распада. В процессе твердения происходит высокотемпературный распад твердого раствора на b-фазу и b₂-фазу. b-фаза близка по составу к чистому железу, которое обладает выраженными магнитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. b₂-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель- алюминий Ni-Al, обладающему низкими магнитными свойствами.

В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы b₂ с однодоменным сильномагнитным включениями фазы b, которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибольшее распространенными являются сплавы железо- никель– алюминий, легированные медью Cu и кобальтом Со.

Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы железо- никель- алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.

Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.

Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью.

Высококобальтовые сплавы представляют собой сплавы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, содержащие кобальт более 15%.

Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлаждения сплава в магнитном поле с напряженностью 160…280 кА/м от высоких температур 1250…1300°С до температуры приблизительно 500°С. полученный сплав приобретает улучшенный магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропный.

Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обработка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20% а для сплавов, содержащих 20…25% кобальта, -на 80% и более.

Термомагнитная обработка повышает температуру начала дисперсного распада с 950°С в сплаве без кобальта до 800°С в сплаве, содержащем 24% кобальта.

В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850°С.

Кристаллическую текстуру получают в процессе особых условий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с особой микротекстурой в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов .магнитная энергия повышается на 60…70%. Увеличивается коэрцитивная сила Н_с, остаточная магнитная индукция B_r и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала:

Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.

Недостатками высококобальтовых материалов являются высокая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механическую обработку.

Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.

Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al-, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных металлов.

Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обладают магнитными свойствами по параметрам B_r и w_max на 10…20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спеченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3…6 раз превосходят литые.

Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы Н_с, которые в 1,5…2 раза выше Н_с бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной магнитной энергии w_мах сравнимы со сплавом ЮНДК 24.

Сплавы на основа редкоземельных металлов (РЗМ) и урана при определенных соотношениях обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы Н_с (предельное теоретическое значение составляет 1032 кА/м) и рекордными значениями максимальной удельной магнитной энергии w_мах (предельное теоретическое значение достигает 112 кДж/м³.

Среди сплавов на основе редкоземельных наибольшее значение имеют интерметаллические соединения типа RCo₅, где R – редкоземельный металл. В марке соединения буква К означает кобальт, С – самарий, П – празеодим.

Сплавы на основе редкоземельных металлов получают холодным прессованием порошка сплава RCo₅ до высокой степени плотности, спеканием брикетов из порошков в присутствии жидкой фазы и литьем многокомпонентных сплавов, в которых кобальт замещен медью и железом.

Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.

Получают металлопластические магниты, кок и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, необходимых для полимеризации связующего вещества.

Бариевыемагниты обладают следующими свойствами:

Значения остаточной магнитной индукции B_r в 2…4 раза меньше, чем у литых магнитов;

Большая коэрцитивная сила Н_с, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;

Плотность d примерно в 1,5 раза меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;

Удельное электрическое сопротивление r (10⁴…10⁷ Ом*м) в миллионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, поэтому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей;

Не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплава ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов относят:

плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);

большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВ_r в 10 раз больше, чем ТКВ_r литых магнитов);

эффект необратимой потери магнитных свойств после охлаждения магнита до температуры -60°С и ниже (после охлаждения и последующего нагревания до начальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

В отличии от технологии изготовления магнитомягких ферритов после сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнитном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравнению с намагничивающим током направление.

Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применяют также сухое прессование.

Промышленность выпускаем бариевые изотропные БИ и бариевые анизотропные БА магниты.

Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами:

более высокая стабильность параметров, чем у бариевых;

температурный гистерезис, т.е. зависимость магнитных свойств от температуры, которая появляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до температуры выше 80°С;

из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их крепят с помощью клея;

высокая стоимость.

Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнитной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300…350°С в течении 1,5 часов и охлаждения в магнитном поле в течении 2 часов.

Магниты из микропорошков Mn-Bi поучают прессованием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцево-висмутовый сплав (23% Mn; 77% Bi) подвергают механическому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5…8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отделяют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц марганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной фазы при температуре примерно 300°С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют магнитные свойства только до температуры не ниже 20°С (при понижении свойства быстро ухудшаются и для их восстановления необходимо повторное намагничивание), что существенно ограничивает их применение.

Железные и железокобальтовыемагниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов получения частиц нужного размера (0,01…0,1). Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозийную стойкость железосодержащих магнитов.

Тесты к главе 5

Вопрос 1. (мт=0,8)

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Укажите, что является такими круговыми токами?

1: Движение свободных электронов между остовами кристаллической решетки.

2:  Вращение электронов вокруг собственных осей.

3: Вращение магнитных моментов в направление внешнего поля.

4:  Орбитальное вращение электронов в атомах.

Вопрос 2. (мт=0,6)

 Укажите, что характеризует явление магнитострикции?

1: Изменение линейных размеров ферромагнитных монокристаллов при намагничивании.

2: Процесс смещения границ магнитных доменов.

3: Процесс ориентации магнитных доменов в направлении поля.

Вопрос 3. (мт=0,8)

Какой вид обработки железа позволяет увеличить максимальную магнитную проницаемость до величины 200 000?

1: Электролиз.

2: Термическое разложение.

3: Переплавка в вакууме.

4: Обработка в водороде.

5: Рафинирование чугуна в мартеновских печах.

Вопрос 4. (мт=0,5)

Укажите марку листовой электротехнической стали среди приведенных магнитных материалов.

1: 45Н

2: Е786

3: 5ОНХС

4: Э48

5: ЮНДУ

Вопрос 5. (мт=0,3)

Укажите правильный ответ.

1: При изготовлении постоянных магнитов применяются магнито – мягкие материалы.

2: При изготовлении постоянных магнитов применяются магнитно – твердые материалы.

Вопрос 6. (мт=0,6)

 Какое определение соответствует листовой электротехнической стали?

1: Это сплав железа, алюминия и кремния, содержание которого 9,6%.

2: Это сплав железа с кремнием, содержание которого 0,8 – 4,8%.

3: Это сплав железа с никелем.

4: это смесь окиси железа с окислами цинка, марганца, никеля и др.

Вопрос 7. (мт=0,8)

Как влияет введение кремния в состав электротехнической стали на величину потерь на вихревые токи и гистерезис?

1: Потери снижаются.

2: Потери увеличиваются.

3: Потери не изменяются.

Вопрос 8. (мт=0,5)

Укажите правильный ответ.

1: Магнитомягкими материалами называются материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительно малой магнитной проницаемостью.

2: Магнитомягкими материалами называются материалы с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью.

3: Магнитомягкими материалами называются материалы с большим удельным сопротивлением и малой магнитной проницаемостью.

Вопрос 9. (мт=0,4)

 Какие из приведенных веществ относятся к диамагнетикам?

1: Водород (Н).

2:Кислород (О₂).

3: Алюминий (Al).

4: Золото (Au).

5: Железо (Fe).

Вопрос 10.  (мт=0,2)

Какие из приведенных веществ относятся к парамагнетикам?

1: Инертные газы.

2: Щелочные металлы.

3: Цинк (Zn).

4: Углекислый газ (CO₂).

5: Платина (Pt).

Вопрос 11. (мт=0,6)

 Какие сплавы обладают незначительными изменениями магнитной проницаемости при изменении напряженности поля?

1: Перминвар (Fe – Ni – Co).

2: Сплав – пермендюр (Fe – Co).

3: Сплав – альсифер (Fe – Si – Al).

4: Железоникелевый сплав – пермаллой (Fe – Ni).

Вопрос 12. (мт=0,5)

 Какие сплавы обладают особо высокой индукцией насыщения?

1: Железокобальтовый сплав – пермендюр.

2: Феррит.

3: Пермаллой.

4: Альсифер.

5: Никелевая сталь.

Вопрос 13. (мт=0,6)

Укажите, какие материалы относятся к немагнитным?

1: Сплавы альни.

2: Никелевая сталь

3: Сплавы меди и алюминия.

4: Углеродистая сталь.

5: Сплавы железа с кремнием и алюминием – пермаллои.

Вопрос 14.  (мт=0,7)

Укажите материалы, используемые для изготовления постоянных магнитов.

1: Альсифер.

2: Пермаллой.

3: Никелевая сталь.

4: Сплавы альнико.

5: Бариевый феррит.

Вопрос 15. (мт=0,5)

Укажите пластически деформируемые магнитные сплавы.

1: Викаллой.

2:. Кунифе.

3: Магнико.

4: Ферроксдюр.

5: Альсифер.

Заключение

Существенным отличием данного учебного пособия является использование графового представления учебного материала, что способствует развитию наглядно-образной памяти, внимания, активизации познавательной деятельности студентов.

Преимущества структурированного изложения материала обеспечивает целостность восприятия изучаемого материала, системность его подачи и анализа, прочность усвоения содержания дисциплины. При использовании графов студенты учатся не только находить признаки материалов, но и выявлять их связи, увязывать признаки в неразрывную совокупность.

Использование графов при обучении студентов «Материаловедению и технологии конструкционных материалов» повышает мотивацию к более глубокому самостоятельному изучению предмета. В процессе представления материала в виде графов снимаются междисциплинарные границы и закрепляются связи между различными курсами. При самостоятельном изучении темы раздела графы направляют студента, позволяют достичь как ситуативного, так и долгосрочного эффекта в осмыслении понятий материаловедения. Каждый из них несет определенную нагрузку, относится к тем базовым внутренним составляющим всего каркаса знаний, которые могут затем и наращиваться, и расширяться, но уже всегда останутся в сознании в обобщенном и систематизированном виде. Снимается когнитивный диссонанс: студент овладевает критической массой знаний и может самостоятельно найти ответы на интересующие его вопросы по использованию материалов и технологии их получения.