Аморфные магнитные материалы

 

В последнее время уделяется большое внимание вопросам получения и применения аморфных магнитных материалов (АММ). Особенностью АММ является отсутствие в них дальнего порядка в расположении атомов. Однако, несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных моментов. АММ во многом подобны стеклам и металлическим расплавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществиться.

Быстрое охлаждение расплавленного сплава достигается различными технологическими приемами, среди которых есть непрерывные или полунепрерывные методы. Аморфная структура получается при скорости охлаждения расплава до 10⁵...10⁸ К/с.

Современными методами можно изготовить из аморфного материала проволоку или ленту различного профиля непосредственно из расплава со скоростью до 1800 м/мин. АММ обладает очень высокими магнитными характеристиками наряду с повышенным сопротивлением. После получения АММ еще не обладают высокими магнитными параметрами, для повышения их в большинстве случаев проводится термическая обработка во внешнем магнитном поле. Обработка АММ обеспечивает более высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления, что уменьшает потери на гистерезис и вихревые токи. Производство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Металлические магнитомягкие АММ состоят из 75...85 % смеси (или одного) из металлов – железа, кобальта, никеля и 15...25 % неметаллов (легкоплавкого компонента – стеклообразующего). Перспективными высокопроницаемыми материалами являются аморфные сплавы железа и никеля (40 % Ni, 40 % Fe, 14 % Р, 6 % В), высокожелезистые (80 % Fe, 16 % Р, остальное С и В) и высококобальтовые (70 % Со, 15 % Si, остальное В и Fe). Для улучшения отдельных свойств АММ дополнительно легируют хромом, молибденом, алюминием, марганцем, ванадием и др. Неметаллы ухудшают магнитные и температурные параметры АММ, но увеличивают удельное электрическое сопротивление r, которое изменяется от 1,25 до 1,8 мкОм·м. Неметаллы повышают прочность, твердость, износостойкость и коррозионностойкость.

По магнитным свойствам АММ близки к электротехническим сталям и пермаллоям. В зависимости от состава и термообработки, у этих материалов m_max изменяется в пределах 12000...750000, В_s – от 0,7 до 1,6 Тл, Н_c – от 0,56 до 8,0 А/м.

Аморфные магнитные материалы используются в технике магнитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразователях постоянного напряжения на частотах до нескольких мегагерц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с высокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД, в качестве конструкционных материалов.

МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ

 

Эти материалы состоят из конгломерата мелкодисперсных частиц ферро- или ферримагнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком – связующим элементом. Благодаря тому, что частицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечивается жидким стеклом, различными смолами, например полистиролом, фенолформальдегидной смолой или другими связующими веществами. Размеры ферромагнитных частиц d =10^–2...10^–4 см.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя.

Технология изготовления изделий из магнитодиэлектриков состоит из приготовления ферромагнитного порошка, прессования изделия и обработки. Магнитодиэлектрики предназначаются для работы в слабых магнитных полях, близких по значению к коэрцитивной силе, и используются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике и других областях.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика слабо зависит от частоты. Для магнитодиэлектриков на основе карбонильного железа начальная магнитная проницаемость 10...20, на основе альсифера – 20...94, на основе пермаллоев – 60...250. Изделия из магнитодиэлектриков изготовляются в виде кольцевых и броневых сердечников или в виде элементов других конфигураций.

 

 

ФЕРРИТЫ

 

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³... 10¹³ раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe₂O₃, или MeFe₂O₄, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Сd2⁺, Mg²⁺ и др. Ионы двухвалентного металла характеризуют феррит, который получает название по характеризующему металлическому иону, например NiFe₂O₄ – никелевый феррит, ZnFe₂O₄ – цинковый феррит.

Изделия из ферритов формуются прессованием в стальных пресс–формах, выдавливанием через мундштук, горячим литьем под давлением, горячим прессованием. Для улучшения пластичности при изготовлении изделий в ферритовый порошок вводят пластификаторы (вода, поливиниловый спирт, парафин и др.). Изделие подвергают окончательному обжигу при температуре 1100...1400°С. Во время обжига происходит спекание частиц и заканчивается реакция ферритизации, начавшаяся при предварительном обжиге, (химическая реакция, протекающая между твердыми частицами при нагревании в процессе диффузии катионов) по уравнению

 

МеО + Fe₂О₃ à MeFe₂O₄.

 

Ферритовые спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Ферриты можно обрабатывать абразивным инструментом из синтетических алмазов или подвергать их резке, шлифовке и полировке.

В ферритовых изделиях можно пробивать отверстия ультразвуком. Ультразвук позволяет производить пайку ферритов между собой и металлом. Ферритовые детали склеивают полистироловым, эпоксидным или другими клеями. Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры. Ферриты обладают более низкой индукцией насыщения, чем металлические ферромагнетики, поэтому в сильных полях их применять нецелесообразно, однако в высокочастотных полях ферриты могут иметь более высокую индукцию, так как отсутствует размагничивающее действие вихревых токов.

 

Простые ферриты не применяются. Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов:

– никель-цинковые, представляющие собой твердые растворы никелевого феррита NiFe₂O₄, и феррита цинка ZnFe₂O₄. Химическая формула такого феррита Ni_{1– x} Zn _x Fe₂O₄, где х – доля концентрации цинка в феррите. Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (х =0,4... 0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции, магнитной проницаемости и уменьшению температуры Кюри;

– марганец-цинковые, представляющие собой твердые растворы марганцевого феррита MnFe₂O₄ и цинкового феррита ZnFe₂O₄. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 МГц, чем никель-цинковые ферриты, что объясняется меньшими потерями на гистерезис. Марганец-цинковые ферриты имеют более высокие значения температуры Кюри и индукции насыщения. Недостатком марганец–цинковых ферритов является меньшее значение рабочей частоты (до нескольких мегагерц), никель–цинковые ферриты можно использовать на частотах до 100 МГц;

литиевые типа Li_0,5Fe_2,5O₄, в которых в качестве двухвалентного металла используется комплекс ионов 1/2(Li⁺+Fe³⁺). Литиевые ферриты обладают структурой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.

Для оценки допустимого частотного диапазона, где может использоваться ферритовый материал, вводят понятие критической частоты f _кр, при которой тангенс угла магнитных потерь достигает значения 0,1.

Таким образом, можно сделать вывод, что чем выше значение начальной магнитной проницаемости ферритов, тем меньше их удельное электрическое сопротивление и тем ниже их критическая частота.

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) особенно важны в устройствах автоматического управления аппаратуры телеграфной связи, вычислительной техники, коммутирующих дросселей.

Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса k _пу, который определяется как отношение остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

 

k _пу= B_r / B _max<1.

 

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с плюса на минус, примерно 10^–7...10^–9 с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.

Кроме ферритов, ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы «железо–никель–кобальт» с содержанием кобальта от 30 до 55%, легированные медью или другими металлами. Они изготовляются в виде лент толщиной от единиц до нескольких сотен микрометров, их коэффициент прямоугольности от 0,85 до 0,98. Прокатка микронной ленты, ее термообработка и изготовление сердечников сложнее, чем производство изделий из ферритов, поэтому ферриты с ППГ применяются более широко. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания. Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, натрия и др.

Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности k =0,9...0,94, остаточная индукция В_r =0,15...0,25 Тл, температура Кюри T_K =110...250 °С (для магниево–марганцевых ферритов), Т_K =550...630 °С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схемах автоматического управления 10...20 А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, 100...1200 А/м.

Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников различных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15х15 мм, которые содержат 16х16 = 256 отверстий. К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температурная стабильность параметров, чем металлических сплавов.