Материаловедение и материалы электронных средств

• Введение
• 1. Магнитомягкие материалы для сильных токов и промышленных частот
• 2. Электротехнические стали
• 3. Магнитомягкие материалы для постоянного тока
• 4. Магнитомягкие материалы для слабых токов низких и повышенных частот
• 5. Магнитострикционные материалы
• 6. Материалы для высоких частот и СВЧ
• 7. Ферриты
• 8. Задача
• Список используемой литературы

К магнитомягким материалам относятся магнитные материалы с малой коэрциативной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничивания до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводах: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п. Условно магнитомягкими считаются материалы, у которых Нс<800 А/м. Необходимо также отметить что у лучших магнитомягких материалов коэрциативная сила может составлять менее 1 А/м.

1. Магнитомягкие материалы для сильных токов и промышленных частот

Термин «железо» является условным, строго говоря, это название, химического элемента. В промышленном же применении железо всегда содержит примеси, т. е. представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Поэтом, например, в стандартах на магнитные материалы (ГОСТ 3836−47) термин «железо» заменен названием «низко углеродистая электротехническая сталь». Однако такая терминология встречает возражения. Мы будем пользоваться обоими названиями, считая, что технически чистое железо содержит менее 0.1% углерода и минимальное количество серы, фосфора, марганца и других примесей.

Железо является основным компонентом почти всех современных магнитных материалов и его качество как составляющей шихты во многом определяет их свойства. Кроме того, железо применяется и как самостоятельный магнитномягкий, а в последнее время и как магнитнотвердый материал. Вследствие низкого удельного электросопротивления железо применяется только в постоянных магнитных полях.

Магнитные свойства железа, в первую очередь значения магнитной проницаемости в слабых и в средних полях и коэрцитивная сила, могут меняться в очень широких пределах в зависимости от количества и состава примесей, величины зерна, характера термообработки и других причин.

Например, чистейшее железо, полученное П. Чиоффи в результате длительного отжига в водороде при 1480 °C, обладало следующими свойствами: µmax=680 000. Hc=0.80 а/m=0.010 э; современное промышленное железо соответственно имеет µmax=4500−3500; Hc=6.4−9,6 а/m=0,8−1,2 з. т. е. свойства лабораторного железа в 100−200 раз выше свойств технического.

Такая значительная разница объясняется большим влиянием примесей на свойства железа и трудностями их удаления. Так, для удаления 90% всей содержащейся в железе серы из листа толщиной 0.36 мм требуется выдержка в водороде при 1250 °C, а течение 30 ч.

Влияние примесей на свойства чистейшего железа приведено в табл.1. Из данных таблицы можно сделать вывоз о том, что самыми вредными примесями являются углерод, кислород и сера.

Таблица 1.

Кроме химического состава, большое влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно величина зерна. На границах зерен происходит искажение кристаллической решетки и особенно легко выделяются содержащие углерод фазы, поэтому, чем меньше зерен приходится на единицу объема (чем крупнее зерна), тем выше магнитные свойства.

Влияние размера зерна на коэрцитивную силу можно оценить следующей эмпирической формулой:

где Н_с — коэрцитивная сила, э;

d - средний диаметр зерна, см;

А и D - постоянные, зависящие от содержания примесей.

Для чистейшего железа

для низкоуглеродистой электротехнической стали

Следовательно, для получения железа с высокими магнитными свойствами необходимо стремиться не только к очистке его от примесей, но и к выращиванию крупного зерна, что достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом).

Железо выплавляется в мартеновских или электрических печах. При этом листы одной плавки имеют магнитные свойства, соответствующие первому, второму, третьему сорту, а возможно и браку. Качество плавки оценивают по процентному соотношению сортов.

Улучшение свойств железа в процессе производства может быть достигнуто в результате многократных переплавок в вакууме, а также различных видов отжига: в водороде, вакууме и др.

При использовании железа в качестве магнитного материала необходимо учитывать эффект старения и влияние на магнитные свойства механических напряжений.

Под магнитным старением обычно понимают увеличение коэрцитивной силы железа со временем, что объясняется структурными превращениями, а именно образованием немагнитных включений определенной степени дисперсности. Типичные кривые магнитного старения низкоуглеродистой стали при различных температурах показаны на рис. 18. Коэрцитивная сила может возрасти более чем в 1,5−2 раза. Повышение температуры ускоряет процессы старения.

Уменьшение старения достигается легированием железа некоторыми элементами, например кремнием или алюминием, а так же искусственным отпариванием, которое заключается в выдерживании материала при 100° С в течение 100−150 ч.

Механические напряжения, возникающие при штамповке резке и других видах обработки, а также при растяжении, сжатии или скручивании железа, могут вызвать значительное ухудшение магнитных свойств. Деформация на 0,5−1% вызывает снижение Umax на 25−30% и возрастание Н_с на 15−20%.

Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработка деталей. Необходимо также иметь в виду, что магнитные свойства тонких листов железа (меньше 0,5−1 мм) обычно хуже, чем толстых листов.

Все это относится к магнитным свойствам железа в слабых и в средних полях. Проницаемость в сильных полях и индукция насыщения от указанных выше причин зависят мало.

В настоящее время наибольшее применение имеют низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая и сортовая сталь, армко-железо, электролитическое и карбонильное железо.

Низкоуглеродистая электротехническая сталь и армко-железо по существу не имеют между собой различия. Формальная разница между ними заключается в том, что первая изготовляется как тонколистовая (ГОСТ 3836−47) и как сортовая (ЧМТУ 2900−56), а армко-железо используют обычно в виде поковок, полос, прутков и т. п., нормированных по размерам только местными условиями.

Иногда разделение этих сплавов на сталь и железо производят на основе технологических особенностей их изготовления. Однако такое разделение является условным.

В соответствии с ГОСТ 3836–47 сталь низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая содержит не свыше 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей.

Сталь выпускается трех марок (сортов по магнитным свойствам): Э (низший сорт), ЭА (средний сорт), ЭАА (высший сорт), в виде листов тонкого проката, имеющих толщину d = 0,2 — 4,0 мм. Листы поставляются потребителю в отожженном состоянии.

Магнитные свойства материала приведены в табл.2, а типичная кривая намагничивания — на рис. 1.

Сортовая сталь выпускается согласно ЧМТУ 2900−56 марки Э в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечения, а также полос. Из магнитных свойств нормируется только коэрцитивная сила (Н_с? 1,25 э).

Таблица 2

Рисунок 1

После изготовления изделий из железа для получения высоких магнитных свойств необходимо провести окончательный (повторный) отжиг. Его можно исключить лишь в том случае, если для работы устройства существенными являются свойства в сильных полях, а значения коэрцитивной силы и проницаемостей в слабых и средних полях не играют роли. ГОСТ 3836–47 рекомендует отжиг при температуре 900° С в течение 2 ч без доступа воздуха с медленным охлаждением до 600° С.

Применяя вместо отжига такого рода более сложные виды термической обработки, например повторные отжиги или рафинирующие отжиги в водороде, можно существенно улучшить магнитные свойства железа. Электролитическое железо изготовляется путем электролиза. Осажденное железо после тщательной промывки измельчается в порошок в шаровых мельницах. Ввиду большого насыщения водородом магнитные свойства такого железа являются весьма низкими (Н_с = 2−8 э). Однако в результате переплавки в вакууме и многократных отжигов его свойства можно существенно улучшить. Обработанное таким образом электролитическое железо характеризуется следующими средними магнитными свойствами: µa= 500; µmax= 15 000; Н_с = 0,36 э, что в несколько раз лучше, чем у армко-железа.

Ввиду высокой стоимости электролитическое железо применяется мало.

Карбонильное железо получается посредством термического разложения пентакарбонила железа Fe (CO) 5. При этом в зависимости от условий разложения можно получить железо различного вида: порошкообразное, губчатое и т. п. Для получения высоких магнитных свойств карбонильное железо должно быть подвергнуто термической обработке в водороде, после чего его можно охарактеризовать следующими свойствами: µa = 2000 — 3000; µmax = 20 000−21 500; Н_с = 0,08 э, что намного выше свойств армко-железа.

Карбонильное железо находит широкое применение в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков. Оно изготовляется также в виде листов различной толщины.

В некоторых случаях вместо технически чистого железа в электропромышленности применяются углеродистые и легированные стали с содержанием 0,1−0,4% углерода. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа. Эти свойства можно улучшить отжигом деталей после их изготовления.

2. Электротехнические стали

Электротехнические стали представляют собой сплав железа с 0,5−5,0% кремния. Они известны уже более 60 лет и занимают по объему производства и разнообразию применения первое место среди магнитных материалов. Это объясняется их высокими электромагнитными свойствами, удовлетворительными и хорошими механическими качествами, а также отсутствием дефицитных компонент и малой стоимостью.

Среди работ, посвященных физическим процессам в кремнистых сталях, разработке технологии их производства н применения, большое значение имеют труды советских ученых.

Рассмотрим влияние кремния на свойства железа.

Кремний, образуя с железом твердый раствор, приводит к увеличению удельного сопротивления. Зависимость удельного сопротивления от процентного содержания кремния можно представить следующим эмпирическим уравнением:

Из формулы следует, что, например, при содержании 4,8%Si удельное сопротивление стали возрастает по сравнению с сопротивлением железа в 6,7 раз, соответственно уменьшаются потерн на вихревые токи.

На магнитные свойства чистейшего железа кремний влияет отрицательно. Однако магнитные свойства технического железа при легировании его кремнием улучшаются. Возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшаются коэрцитивная сила и потерн на гистерезис, существенно улучшается стабильность свойств.

Положительное действие кремния на магнитные свойства технически чистого железа объясняется рядом причин. Кремний переводит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Он, действуя как раскислитель, связывает часть растворенных в металле газов, прежде всего кислород, а также способствует росту зерен и уменьшает константы магнитной анизотропии и магнитострикции.

На рис. 2 приведена зависимость максимальной проницаемости от содержания кремния. Наибольшее значение максимальной проницаемости наблюдается при содержании 6,5−6,8% Si, чему соответствует близкое к нулю значение магнитострикции. М. Гертц в результате обработки в магнитном поле рамочного монокристалла из сплава с 6,8% Si получил максимальную проницаемость, равную 3800 000. Однако в технике применяют сплавы с содержанием кремния не свыше 5,0%. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойства, повышая твердость и хрупкость. Уже при 4,0−5,0% Si материал выдерживает не более 1−2 перегибов на 90°.

Кремний снижает индукцию насыщения, что является нежелательным. Снижение индукции можно оценить следующей эмпирической формулой:

B_s - 21 580 — 480 — {% Si) [гс]. (42)

Кремний влияет также на плотность, теплоемкость и т. п.

Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит углерод, серу, марганец, фосфор и др. На рис. 3 представлена зависимость потерь на гистерезис в сплаве с 4% Si от различных примесей. График приведен для чистейшего железа при наличии, а нем только одной из примесей.

Как видно из рис. 3, наиболее вредной примесью является углерод. Его влияние на магнитные свойства определяется не только процентным содержанием, но и формой, в которой он находится (например, в виде цементита или в виде графита), а также дисперсностью включений.

Рисунок 2 Рисунок 3

Форма и дисперсность включений углерода зависят от многих причин, в том числе и от режима термообработки. В этом отношении нежелательным, например, является быстрое охлаждение стали с последующим ее старением для стабилизации свойств (нагревом до 120 — 150 °C в течение 100−120 ч). Такой режим может вызвать увеличение коэрцитивной силы в два-три раза.

Углерод несколько снижает потери на вихревые токи, однако не настолько, чтобы уменьшить полные потери.

Влияние серы, кислорода и марганца на магнитные свойства электротехнической стали отрицательно. Фосфор уменьшает потери как на гистерезис, так и на вихревые токи и. следовательно, может использоваться для легирования стали, но он повышает хрупкость.

В технически чистом железе всегда имеется небольшое количество различных примесей, поэтому влияние каждой из них надо рассматривать в совокупности с действием других. Для этого случая зависимости, приведенные на рис. 3, являются несправедливыми.

Для улучшения свойств стали необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Однако существенно улучшить указанными методами свойства электротехнических сталей, выпускаемых в промышленном масштабе, не удается.

Свойства значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры в стали при ее холодной прокатке и последующем отжиге.

Ранее отмечалось, что электротехнические стали, особенно с большим содержанием кремния, отличаются большой хрупкостью, поэтому долгое время при их изготовлении применяли горячую прокатку. Применение холодной прокатки считалось нерентабельным.

В 1935 г. Госс обнаружил высокие магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали вдоль направления прокатки. Во всех других направлениях свойства оказались хуже, т. е. такая сталь обладала магнитной текстурой и являлась магнитноанизотропной. Существенно улучшились и механические свойства: качество поверхности листа, волнистость и штампуемость. Все это привлекло большое внимание к опытам Госса и завершилось выпуском в промышленных масштабах холоднокатаных электротехнических сталей, оттеснивших на последнее место горячекатаные стали.

Высокие свойства холоднокатаных сталей и их магнитная анизотропия объясняются образованием в процессе прокатки и отжига кристаллографической текстуры.

Элементарная ячейка железокремнистого сплава представляет собой объемноцентрированный куб, для которого направлениями легкого намагничивания являются его ребра, а самому трудному намагничиванию соответствуют пространственные диагонали.

При отсутствии текстуры имеет место хаотическое расположение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства со статистически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

В результате холодной прокатки зерна в кристаллографическом отношении получают преимущественную ориентацию, которая называется текстурой прокатки. Степень текстуры зависит от температуры прокатки, степени обжатия и толщины листа.

Однако деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений и, следовательно, к росту коэрцитивной силы. Эти напряжения можно снять отжигом.

При нагреве холоднокатаной стали до температуры свыше 900 °C наблюдается рекристаллизация, сопровождающаяся бурным ростом зерен кристаллитов и одновременной ориентацией их вдоль направления легкого намагничивания. В результате ребра кубов оказываются расположенными параллельно к направлению прокатки, а плоскости ромбических додекаэдров — параллельно плоскости прокатки. Такая текстура называется ребровой текстурой рекристаллизации. Ее интенсивность достигает 80−90%. Преображенский А. А. — Магнитные материалы. (1965 г.)

3. Магнитомягкие материалы для постоянного тока

Кроме рассмотренных выше основных групп магнитомягких материалов, в технике находят применение материалы, обладающие особыми свойствами и имеющие более узкое применение. Из них мы рассмотрим железокобальтовые сплавы с высокой индукцией насыщения.

Чем выше индукция насыщения, тем более мощный поток (при прочих равных условиях) можно получить в магнитопроводе.

Из обычных материалов наивысшей индукцией насыщения обладает железо. В случаях, когда предъявляются особенно высокие требования к габаритам устройства, его весу и величине потока, применяют железокобальтовые сплавы, у которых индукция насыщения достигает 24 300 гс, что позволяет получить экономию в весе и объеме, по сравнению с железом, на 15−20%.

Практическое применение находят сплавы с содержанием 30−50% кобальта и 1.8−2,0% ванадия, который улучшает технологические свойства сплавов, в частности их обрабатываемость в холодном состоянии. Эти сплавы называются пермендюрами.

Индукция насыщения сплавов с большим и малым содержанием кобальта приблизительно одинаковая. Но высококобальтовые сплавы в слабых и средних полях имеют большие значения проницаемости, чем низкокобальтовые, зато последние дешевле.

Кроме большого значения индукции насыщения, пермендюр обладает также очень высокой обратимой проницаемостью, что делает его особенно ценным в качестве материала для мембран телефонов.

К недостаткам пермендюра следует отнести его малое электрическое сопротивление, высокую стоимость и дефицитность кобальта и ванадия.

Пермендюр применяется в постоянных магнитных полях или в слабых переменных полях с сильным подмагничиванием постоянным полем.

Преимущество железокобальтовых сплавов перед техническим железом становится ощутимым в области индукций выше 10 000 гс. Разница в величине магнитной проницаемости достигает своего максимального значения при индукции около 18 000 гс. Вблизи этой точки проницаемость кобальтовых сплавов больше проницаемости мягких сортов железа в несколько десятков раз.

Перминвар. (железоникелевокобальтовые сплавы). Например: 25% Со, 45% Ni. После специальной термообработки (кратковременного отжига при t = 1000єС или длительного при 450єС) приобретают постоянное значение, но и малые потери на гистерезис в слабых полях. Такой материал в слабых полях обладает настолько узкой петлей гистерезиса, что она сливается в одну линию. По мере увеличения поля петля расширяется.

Свойства перминвара сильно зависят от термообработки: при быстром охлаждении от точки Кюри появляется крутая петля в слабых и сильных полях. При длительном отжиге ниже точки Кюри — безгистерезисное перемагничивание в слабых полях, в средних перетянутая форма, в сильных перетянутость исчезает.

Перминвары обладают большой амплитудной стабильностью и значительной магнитной нестабильностью.

Преображенский А.А. — Магнитные материалы. (1965 г.)

http://maxburtsev.ru/radio2all/radiomat/lect/lect08. htm

4. Магнитомягкие материалы для слабых токов низких и повышенных частот

Развитие автоматики, радиосвязи, электрических измерении и других областей техники потребовало создания материалов с более высокими магнитными свойствами в слабых полях, чем у электротехнических сталей.

К таким материалам относятся прежде всего пермаллои — сплавы железа с никелем, обычно легированные хромом, медью, кремнием и некоторыми другими элементами.

Высокие магнитные свойства пермаллоев в слабых полях были известны еще в 1913 г. Однако широкое внедрение этих материалов в технику произошло в последние 15−20 лет, а первый стандарт на эти материалы в СССР введен только с 1963 г.

На рис. 35 представлены зависимости физических свойств железоникелевых сплавов от содержания никеля. Из рассмотрения кривых видно, что наибольшими значениями µа и µmax обладает сплав с содержанием 78,5% Ni, получивший название классического пермаллоя.

Для этого сплава константа кристаллографической анизотропии К и магнитострикции насыщения лs близки к нулю.

Как показали Н. С. Акулов и затем Е. И. Кондорский, одновременное равенство нулю К и л_s и является причиной особенно легкой намагничиваемости пермаллоев, что объясняется следующим образом.

Уменьшение магнитной кристаллографической анизотропии или, другими словами, уменьшение внутрикристаллических сил ориентации приводит к тому, что разница в работе, которую надо совершить для намагничивания кристалла в «легком» или в «трудном» направлениях, становится меньше. Уменьшение магнитострикции приводит к снижению напряжений в кристаллической решетке, возникающих при изменении линейных размеров под действием намагничивающего поля, и, следовательно, облегчает процессы намагничивания.

Следует отметить, что при близких к нулю значениях К и X_s магнитные свойства материала становится чрезвычайно чувствительными к наличию внешних напряжений, что, а большинстве случаев является нежелательным.

Магнитные свойства в очень большой степени зависят также от химического состава и чистоты сплава. При этом особенно сильное влияние оказывают примеси, такие, как углерод, сера и кислород, не входящие в твердый раствор.

Высокие магнитные свойства v пермаллои с содержанием 78,5% Ni были получены в результате особого вида термической обработки, так называемой «пермаллойной». которая состоит из двух этапов.

1. Нагрева до 900−950° С с выдержкой при этой температуре в течение часа и охлаждением со скоростью, не превосходящей 100єС в час.

2. Повторным нагревом до 600^єС и охлаждением при комнатной температуре на медной плите со скоростью до 1500 град/мин (" воздушная закалка").

Сильная зависимость проницаемости от скорости охлаждения объясняется образованием сверхструктуры* при медленном охлаждении, однако окончательно выясненным этот вопрос считать нельзя.

При очень большой скорости охлаждения магнитные свойства ухудшаются, что объясняется возникновением внутренних напряжений.

Дальнейшие исследования показали, что двойная обработка для классического пермаллоя может быть заменена одинарной, заключающейся в высокотемпературном отжиге при 1300 °C в чистом сухом водороде и длительном отпуске при 400−500° С. Магнитная проницаемость у высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в несколько десятков раз выше, чем у электротехнических сталей. Отметим, что без термической обработки проницаемость пермаллоев ниже, чем у технически чистого железа.

Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев приблизительно в 2 раза (ниже, чем у электротехнических сталей и в 1,5 раза. ниже, чем у низконикелевых.

Отсюда следует, что, высоконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве материала для сердечников силовых трансформаторов и других устройств, для которых существенным является создание большого магнитного — потока.

Удельное электросопротивление высоконикелевых пермаллоев в 2 раза меньше, чем у низконикелевых. Следовательно, при работе в переменных магнитных полях, особенно на повышенных частотах, предпочтение надо отдать низконикелевым пермаллоям. Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Следует также иметь в виду, что высоконикелевые пермаллои дороже низконикелевых из-за большого содержания никеля и что механические напряжения, а также чистота и состав сплава значительно сильнее влияют на магнитные свойства высоконикелевых пермаллоев, чем низконикелевых.

Для улучшения электромагнитных свойств обе группы пермаллоев обычно легируют различными элементами.

Легирование молибденом вызывает значительное увеличение удельного электросопротивления, оказывает положительное влияние на величину начальной проницаемости и позволяет двойную термообработку заменить сравнительно простым отжигом. Кроме того, наличие молибдена уменьшает чувствительность к деформации.

Отрицательное действие молибдена проявляется «в уменьшении индукции насыщения.

Действие хрома в значительной степени аналогично действию молибдена.

Медь способствует увеличению постоянства магнитной проницаемости при изменении напряженности поля, улучшает температурную стабильность, а также повышает электросопротивление. Сплавы с медью хорошо поддаются механической обработке. Для легирования пермаллоев применяются также и некоторые другие элементы.

Создание стандарта на промышленные марки пермаллоев связано с большими трудностями, что объясняется плохой воспроизводимостью характеристик. Стандарт можно создавать лишь при высокой культуре производства сплавов.

В настоящее время впервые в СССР принят ГОСТ 10 160–62, «Сплавы железоникелевые с высокой магнитной проницаемостью (срок введения 1/VII 1963 г.).

Стандарт распространяется на девять марок сплавов, разделенных на четыре группы.

I.45И, 50Н — нелегированные низконикелевые пермаллои с содержанием соответственно 45% Ni и 50% Ni.

II.50НП, 65НП, 34НКМП — сплавы, обладающие кристаллографической или магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса (свойства этих сплавов рассмотрены в § 27).

III.50HXC — низконикелевый пермаллой с содержанием 50% Ni, легированный хромом и кремнием.

IV.79НМ, 80НХС, 76НХД — высоконикелевые пермаллои (79% Ni, 80% Ni, 76% Ni), легированные соответственно молибденом (3,8−4,1%), хромом и кремнием, хромом и медью (4,80 — 5, 20%).

Все сплавы содержат в. небольших количествах марганец (0,30−0,60%) и кремний (0,15−0,30%).

Сплавы изготовляются в виде холоднокатаных лент толщиной от 0,02 до 2,5 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков. Ширина лент зависит от толщины и составляет для самых тонких лент 30−100 мм, для самых толстых-100−250 мм.

Листы, ленты и прутки поставляются в термически необработанном виде. Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, дефицитность отдельных компонентов, прежде всего никеля, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки, а также большая зависимость магнитных свойств от механических воздействий.

Попытки найти заменители пермаллоев, свободные от указанных недостатков, привели к исследованию сплавов железо — алюминий без третьего или с третьим компонентом.

Примером тройного сплава такого рода является альсифер — сплав алюминия, кремния и железа. Альсифер получают как литой материал. Он нековок, обладает высокими твердостью и хрупкостью.

Сплав оптимального состава (9,6% Si и 5,4% AI) имеет следующие свойства: µ_а = 35 400; µ_мах=117 000; Н_с = 0,022 э, т. е. не уступает пермаллоям.

Однако максимум магнитных свойств соответствует очень точному соблюдению состава, что может быть обеспечено только для лабораторных образцов. Промышленный альсифер имеет средние значения начальной проницаемости µ_а=6000−7000 (после отжига), т. е. значительно более низкие, чем оптимальное.

Вследствие хрупкости альсифера толщина стенок должна быть не менее I-2 мм, что ввиду малого электрического сопротивления изделия полностью исключает возможность применения отливок из альсифера в цепях переменного тока даже с частотой 50 гц.

Альсифер благодаря хорошей размольности применяют главным образом в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Преображенский А.А. — Магнитные материалы. (1965 г.)

5. Магнитострикционные материалы

Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий.

Среди магнитострикционных материалов можно отметить как чистые металлы, так и сплавы и различные ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот.

На рис. 4 показано изменение линейных размеров образцов ряда материалов в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля при продольном магнитострикционном эффекте.

Рисунок 4

В эксплуатационных условиях в большинстве случаев магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного подмагничивающего полей. Если выполняется соотношение B_m<. <�ЈD__t то между амплитудами переменного магнитного поля и механических колебаний существует линейная зависимость. Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в намагниченной (магнитно-поляризованной) среде по своему внешнему проявлению аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому их иногда называют пьезомагнитными;

До начала 60-х годов наиболее широко применяемым магнитострикционным материалом являлся никель; частично он сохраняет свое значение и в настоящее время, хотя постепенно вытесняется другими магнитострикционными материалами и пьезоэлектрической керамикой. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости.

Сплав платины с железом обладает большой константой магнитострикцин, однако он очень дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность (или даже хрупкость), затрудняющая механическую обработку, и низкая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде.

Широкое применение в магнитострикционных устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.

По составу магнитострикционная керамика представляет собой либо чистый феррит никеля, либо твердые растворы на его основе.

Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.

6. Материалы для высоких частот и СВЧ

Ферриты для устройств СВЧ. Диапазон СВЧ соответствует длинам волн от 1 м до I мм. В аппаратуре и приборах, где используются электромагнитные волны диапазона СВЧ. необходимо управлять этими колебаниями: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебании, поворачивать плоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока.

Электромагнитные волны могут распространяться в пространстве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти полностью отражаются. Поэтому металлические поверхности используют для направления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия СВЧ чаще всего передается по волноводам, представляющим собой полые или частично заполненные твердыми материалами металлические трубы. В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты СВЧ и некоторые немагнитные активные диэлектрики. Магнитными характеристиками первых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, электрическими свойствами вторых — за счет внешнего электрического поля.

Практическое применение ферритов СВЧ основано на: а) магнитооптическом эффекте Фарадея; б) эффекте ферромагнитного резонанса; в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены различные углы поворота плоскости поляризации, а следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы.

Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спинов электронов. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего (управляющего) поля Н. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряженности переменного возбуждающего и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.

Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля Н, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение Н, тем сильнее поглощение электромагнитной энергии, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели и циркуля-торы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами; фазовращатели; фильтры; модуляторы, ограничители мощности и др.).

Помимо достижения узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд специфических требований. Основными из них являются:

1) высокая чувствительность материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым внешним полем);

2) высокое удельное объемное сопротивление и возможно меньший тангенс угла диэлектрических потерь, а также возможно меньшее значение магнитных потерь вне области резонанса, обеспечивающее малое затухание в феррите;

3) температурная стабильность свойств и возможно более высокое значение точки Кюри.

В отдельных случаях к ферриту предъявляют и другие требования, которые могут быть даже противоречивыми. Большинство требований удовлетворяется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния. Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты).

Конфигурация и размеры ферритового изделия, с одной стороны, определяются принципом действия прибора, а с другой, зависят от свойств самого материала. В различных приборах СВЧ применяемые ферритовые вкладыши имеют форму прямоугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. При определенной геометрии вкладыша обеспечивается наилучшее согласование его с волноводом, т. е. получается минимальное отражение электромагнитной волны от феррита. Для изготовления вкладышей используются как поликристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса.

Особое место среди материалов для СВЧ занимают феррогранаты иттрия с частичным замещением ионов иттрия и железа другими ионами. Они характеризуются весьма низкими диэлектрическими и магнитными потерями, слабой анизотропией, наиболее узкой резонансной кривой. Среди ферритов, применяемых в низкочастотной части диапазона СВЧ, феррогранат иттрия является наиболее распространенным.

Монокристаллы феррогранатов обычно получают кристаллизацией из раствора-расплава с использованием оксифторида свинца в качестве растворителя.

7. Ферриты

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

Большое удельное сопротивление р. превышающее р железа в I0³-10¹³ 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.

Получение ферритов. Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков.

При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Общая технологическая схема производства ферритов во многом аналогична схеме производства радиокерамики. Однако при получении материалов с заданными магнитными свойствами предъявляются более жесткие требования к исходному сырью в отношении его химической чистоты, степени дисперсности и химической активности. В отличие от электрорадиокерамики ферритовая керамика совершенно не содержит стекловидной фазы; все процессы массопереноса при синтезе соединения и спекания изделий происходят лишь за счет диффузии в твердой фазе.

Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительный обжиг с целью ферритизации продукта, т. е. образования феррита из окислов. Ферритизованный продукт вновь измельчают и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий. Предварительно его пластифицируют, причем в качестве пластификатора обычно используют водный раствор поливинилового спирта.

Формование изделий наиболее часто осуществляют методом прессования в стальных пресс-формах. Высокой производительностью формовки отличается также метод горячего литья под давлением. В этом случае в качестве пластифицирующего и связующего веществ применяют парафин.

Отформованные изделия подвергают спеканию при температуре 1100−1400°С в контролируемой газовой среде. Контроль за составом газовой среды особенно необходим на стадии охлаждения, чтобы предотвратить выделение побочных фаз. Наибольшей чувствительностью к изменению давления кислорода характеризуются ферриты марганца и твердые растворы на их основе. В процессе спекания завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зеренную структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства керамики. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не позволяющими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку. Для этих видов механической обработки широко используют порошки карбида кремния и абразивные инструменты из синтетических алмазов.

магнитомягкий материал сильный ток

8. Задача

На поверхности диэлектрика параллельно друг другу расположены два ножевых электрода. Расстояние между электродами b=2 мм, их ширина h=10 мм. Чему равно удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, если сопротивление между электродами 5 МОм?

Данная задача решается по формуле сs=Rs*h/b. Переведем данные в систему СИ. b=2 мм=2*10^-6 м — расстояние между электродами, h=10 мм=10^-5 м — ширина электродов, Rs=5*10⁶ Ом — сопротивление между электродами.

Подставим данные в формулу.

сs=5*10⁶ 10^-5 /2*10^-6 =25 МОм

Ответ: сs=25 МОм

Список используемой литературы

1. Преображенский А. А. — Магнитные материалы. (1965 г.)

2. Пасынков В. В. — Материалы электронной техники. Издание 3. (2001 г.)

3. http://maxburtsev.ru/radio2all/radiomat/lect/lect08. htm