Ответы на экзамен 2 (Билет №26, 29, 30, 31)

Посмотреть архив целиком

9



Билет №26, 29, 30, 31

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

15.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Требования, предъявляемые к свойствам магнитомягких материа­лов, в значительной степени определяются областью их применения. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насы­щения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в перемен­ных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое электри­ческое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечни­ков, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д.) в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Как было показано в гл. 14.2.5, значения коэрцитивной силы Нс и магнитной проницаемости μ металлических магнитных материалов зависят от степени деформации кристаллической решетки и размера зерна. Чем меньше содержание примесей в материале, однороднее его структура (она должна быть однофазной), меньше внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов, тем меньше Нс и боль­ше μ. Поэтому металлические магнитомягкие материалы должны иметь: минимальную концентрацию вредных примесей (особенно кислорода, углерода, серы, фосфора), которые образуют нераствори­мые в металле химические соединения (оксиды, карбиды, сульфиды, фосфиды), а также крупнозернистую структуру и минимальное со­держание внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов. Для этого выплавку большинства этих материалов производят в ва­кууме или иной инертной среде, а полученные из них магнитные из­делия подвергают отжигу, который производят обычно при темпера­туре 900— 1200°С в вакууме или в среде сухого водорода.

Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материа­лов определяется в значительной степени величиной их удельного электрического сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем на более высоких частотах его можно применять. В области радиочастот применяют магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях, включая зву­ковые частоты, применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка 10─7 Ом•м; их называют низко­частотными.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, крем­нистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы. В области радиочастот используют высокочастотные магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением ρ = 10—1010 Ом•м..

К высокочастотным магнитомягким материалам относятся: маг-нитодиэлектрики и ферриты. При ультразвуковых частотах еще мож­но использовать тонколистовые (А = 25—30 мкм) и рулонные холод­нокатаные электротехнические стали и пермаллои (толщиной до 2—3 мкм).

Железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемен­та, которым условно называют низкоуглеродистые стали и чистое железо.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе уг­лерода С ≤ 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера, фосфор. Осо­бенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом боль­шинства современных магнитных материалов. Его достоинства — высокие показатели индукции насыщения (Bs = 2,18 Тл), пластично­сти, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное сопротивление (ρ ≈ 1•10─7 Ом•м) и, как следствие, большие потери на вихревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изде­лиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферро­магнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концен­трации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения Нс и μ, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства (табл. 15.1).

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа под­вергают специальной термической обработке — отжигу, проводи­мому при температуре 900°С в течение 2—4 ч, и затем медленному охлаждению до 600°С. Весь цикл термообработки осуществляют или в вакууме (для предохранения металла от окисления), или в актив­ной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном ам­миаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополнительную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается количе­ство дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается сум­марная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структур­ных превращений; в результате со временем увеличивается коэрци­тивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение уменьшают путем легирования некоторыми химическими элемента­ми (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100°С в течение 100—150 ч.

Деформация и внутренние напряжения, возникающие при меха­нической обработке, значительно ухудшают магнитные свойства. Например, деформация на 0,5—1% вызывает возрастание Нс на 15—20% и снижение μм на 25—30%. Внутренние напряжения снима­ют отжигом.

В качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше уг­лерода и других вредных примесей, чем конструкционные стали, и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свойствами. Маг­нитные свойства отожженных образцов этих материалов приведены в табл. 15.1.

Технически чистое железо содержит углерода С ≤ 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называ­ют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.

Карбонильное железо содержит углерода С ≤ 0,005%. Его получа­ют путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5, представляющего собой желтоватую жидкость, устойчи­вую на воздухе (Ткип = 103°С). При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа Fe22O3 , который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент. В отсутствие воздуха пары Fe(CO)5 при температуре 350°С разлагаются на окись углерода и металлическое железо:

Fe(CO) 5 = Fe + 5CO.

Образовавшийся очень мелкий порошок (размер частиц 0,5— 20 мкм) для уменьшения содержания вредных примесей подвергают отжигу в водороде. Карбонильное железо применяют в качестве маг­нитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Из табл. 15.1 видно, что с уменьшением содержания примеси и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнит­ных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием. .

Кремнистая электротехническая сталь

Свойства стали можно значительно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига. В результате холодной прокатки происходит преимущественная ориентация зерен. Однако деформа­ция в холодном состоянии приводит к образованию больших внут­ренних напряжений и, следовательно, к увеличению коэрцитивной силы. Внутренние напряжения снимают отжигом при температуре 900— 1000°С. При отжиге происходит рекристаллизация, сопровож­дающаяся ростом зерен и одновременной их ориентацией вдоль на­правления легкого намагничивания. В результате ребра кубов ока­зываются расположенными параллельно направлению прокатки (см. гл. 14.2.2). Такая сталь обладает так называемой ребровой тек­стурой; ее магнитные свойства вдоль направления прокатки суще­ственно выше. Текстурированные стали применяют в магнитопроводах такой конструкции, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под уг­лом 55° к направлению прокатки. Однако эти условия трудно вы­полнимы для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора. В этих случаях применяют малотекстурированные стали или стали не с ребровой, а с кубической текстурой. У последних наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока в трех направлениях: вдоль, попе­рек и перпендикулярно прокатке, а направление самого трудного намагничивания (см. рис. 14.5, а) не существует в плоскости намаг­ничивания.

В трансформаторостроении выгодно при­менять текстурированную сталь. Например, замена в мощных транс­форматорах изотропной горячекатаной стали на текстурированную позволяет снизить потери энергии на 30%, массу до 10%, расход ста­ли на 20%. Применение текстурированной стали для трансформато­ров малой мощности дает еще большие преимущества.

Кремнистую электротехническую сталь выпускают в виде руло­нов, листов и лент. Сталь производят в виде листов толщиной от 0,1 до 1,0 мм без покрытия, с термостойким, электроизоляционным термостойким или электроизоляционным покрытием. Ленты хо­лоднокатаные анизотропные выпускают толщиной 0,05; 0,08; 0,15 и 0,20 мм и шириной от 5 до 240 мм без покрытия или с термо­стойким электроизоляционным покрытием. Стали толщиной 0,05— 0,2 мм применяют для работы при частоте 400 Гц. Например, сталь марки 3425 толщиной 0,08 мм имеет P1,1/400= 15 Вт/кг и В2500= 1,82 Тл.

Пермаллои

Пермаллои — это сплавы железа с никелем (FeNi), железа с ни­келем и кобальтом (FeNi—Со) и железа с кобальтом (Fe—Со). Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэр­цитивной силой. При определенном химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропией и ма­лой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницае­мости.

Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем допол­нительного легирования молибденом, хромом, медью, кремнием, ва­надием и др. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим напряжениям, но снижают индукцию насыщения. Медь повышает температурную стабильность и удельное сопротив­ление, а также стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля в узком интервале. Сплавы, легированные медью, кроме того, лучше поддаются механической обработке. Кремний и молибден увеличивают только удельное со­противление. Недостатки пермаллоев — высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механи­ческой обработки и относительно высокая стоимость.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей. На их свойства отрицательно влияют примеси, не образующие твердых растворов (углерод, кислород, сера, фосфор). Кроме того, магнитные свойства резко изменяются от режима термической обработки. Для снятия механических напряже­ний, сильно ухудшающих магнитные свойства, все магнитные изде­лия из пермаллоя подвергают специальной термической обработ­ке — отжигу при температуре 1300°С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при 400—500°С. Отожженные изделия должны быть светлыми, чистыми, без окислов, темных пятен и цветов побе­жалости. При сборке их нельзя подвергать ударам, изгибам, рихтов­ке, шлифовке, чрезмерной затяжке и сдавливанию обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Сплавы изго­тавливают в виде холоднокатаных лент толщиной 0,005—2,5 мм, хо­лоднокатаных листов 0,2—2,5 мм, горячекатаных листов 3—22 мм, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8—100 мм, холоднока­таной проволоки диаметром 0,05—5,0 мм. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. Термо­обработке подвергают, как указывалось выше, готовые магнитные изделия.

Зависимость основных магнитных свойств и удельного сопротив­ления железоникелевых сплавов от содержания никеля представлена на рис. 15.1. Сплавы с содержанием никеля 70—80%, имеющие наи­большие значения начальной и максимальной магнитной проницае­мостью, называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержа­нием никеля 78,5% — классическим пермаллоем. Второй, меньший по величине, максимум ц„ и цм наблюдается у сплавов при содержании Ni 40—50%, их называют низконикелевыми пермаллоями. У высокони­келевых пермаллоев магнитная проницаемость в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в десятки раз больше, чем у электро­технических сталей (см. табл. 15.1). Индукция насыщения у них в 1,5 меньше, чем у низконикелевых пермаллоев, и примерно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей. Из этого следует, что вы­соконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройст­вах, в которых требуется создание мощного магнитного потока.

Высоконикелевые пермаллои применяют для изготовления сер­дечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, рабо­тающих в слабых магнитных полях, головок аппаратуры магнитной

Рис. 15.2. Петля гистерезиса железоникелевого сплава 65НП

Рис. 15.1. Зависимость магнитных свойств и удельного сопротивления железоникелевых сплавов от содержа­ния никеля


записи, в качестве магнитных экранов. В виде ленты толщиной 0,05 мм и менее высоконикелевые пермаллои используют в импульс­ных трансформаторах, магнитных пускателях и т.д.


У низконикелевых пермаллоев удельное электрическое сопро­тивление в 3 раза больше, чем у высоконикелевых. Они обладают не очень высокой магнитной проницаемостью, но более высокой ин­дукцией насыщения. Кроме того, магнитная проницаемость низко­никелевых пермаллоев с увеличением частоты, начиная ƒкр, сильно снижается и тем резче, чем больше первоначальное значение μн, (см. рис. 14.11). Поэтому низконикелевые пермаллои предпочтительно использовать в силовой аппаратуре и при повышенных частотах. Их применяют для магнитопроводов малогабаритных силовых транс­форматоров, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих в области высоких индукций (высоких значений Н), а также в издели­ях, работающих при повышенных частотах.

Магнитные свойства магнитных изделий в переменных и им­пульсных полях существенно зависят от сопротивления электриче­ской изоляции, покрывающей их поверхности. Электроизоляцион­ное покрытие должно быть однородным, сплошным, с достаточно высоким удельным сопротивлением и быть термически стойким при температуре отжига в глубоком вакууме или в водороде. В качестве такого покрытия применяют оксиды MgO или А12О3 .

Сплавы группы 1 обладают высокой μ и наивысшим значением Bs по сравнению со всеми железоникелевыми сплавами; рекомендова­ны в качестве сердечников малогабаритных силовых трансформато­ров, дросселей, реле и других деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы группы 2 обладают прямоугольной петлей гистерезиса; применяются в виде сердечников при частотах в несколько кило­герц, а сердечники микронного проката — в переключающих уст­ройствах с рабочей частотой в сотни килогерц и работающих в ши­роком температурном диапазоне.

Сплав группы 3 обладает повышенной μ и высоким удельным сопротивлением; рекомендован для сердечников импульсных транс­форматоров и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, рабо­тающих без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы группы 4 имеют высокую μ в слабых полях, а сплав 76НХД обладает к тому же повышенной температурной стабильно­стью в интервале от —60 до +60°С; эти сплавы рекомендованы для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Кроме рассмотренных девяти марок пермаллоев, выпускаемых в соответствии с ГОСТами, применяют и другие марки железоникелевых, железоникелькобальтовых и железокобальтовых сплавов.

Сплавы на железокобальтовой основе обладают наиболее высо­кой индукцией магнитного насыщения (Bs до 2,4 Тл), температурой Кюри (Tк до 1050°С) и магнитострикцией (λs до 10─4). Применяют­ся для изготовления магнитопроводов, полюсных наконечников и сердечников электромагнитов, соленоидов, силовых трансформато­ров, магнитных усилителей, ультразвуковых генераторов и преобра­зователей, роторов и статоров электрических машин, телефонных мембран и т.д. Сплавы 27КХ и 48КНФ применяют преимущест­венно в электрических машинах. Сплавы 49КФ, 49К2Ф универ­сального назначения. Сплав 92К предназначен для всех магнито­проводов, работающих при температурах от —273 до +1000°С. Из-за высокого содержания кобальта эти сплавы более дорогие, чем дру­гие пермаллои.

Альсиферы

Альсиферы — это тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа (AlSiFe), образующие твердые растворы. Вы­сокую магнитную проницаемость альсиферы имеют в очень узком концентрационном интервале содержания в сплаве А1 и Si. Сплав оптимального состава содержит: Si 9,6%, Al 54%, остальное Fe.

Магнитные свойства альсифера с оптимальным составом приве­дены в табл. 15.1, из которой видно, что они не уступают магнитным свойствам пермаллоев. Магнитная анизотрония и константа магнитострикции у альсиферов близки к нулю. Однако максимум магнит­ных свойств соответствует очень точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промыш­ленные образцы имеют более низкие значения магнитных свойств, чем альсифер оптимального состава (у отожженных образцов μн = 6000—7000). Альсиферы отличаются высокой твердостью и большой хрупкостью, вследствие чего толщина изделий из альсифе­ра (например, магнитные экраны) должна быть не менее 2—3 мм. Из-за низкого удельного сопротивления изделия из этого материала не используют в цепях переменного тока даже при частоте 50 Гц. Альсиферы хорошо размалываются в порошок, который, как карбо­нильное железо, используется в качестве ферромагнитной фазы в матнитодиэлектриках.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики — это фактически высокочастотные магнит­ные пластмассы, в которых наполнителем является ферромагнетик, а связующим — электроизоляционный материал органический (на­пример, фенолоформальдегидная смола, полистирол) или неоргани­ческий (например, жидкое стекло).

В магнитодиэлектриках частицы ферромагнетика разделены друг от друга сплошной пленкой из электроизоляционного материа­ла, образующего непрерывную фазу-матрицу с высоким электриче­ским сопротивлением, являющуюся одновременно механическим связующим. Благодаря тому что частицы ферромагнетика (их размер d10─4—10─6м) электроизолированы друг от друга, потери на вихре­вые токи и на гестерезис малы. Поэтому основным видом потерь становятся потери на магнитное последействие, которые превышают остальные виды потерь в 10—30 раз. Суммарная мощность потерь Р складывается из потерь на гистерезис Рг, вихревые токи Рвт, магнит­ное последействие Рп и диэлектрические потери в электроизоляци­онном материале Рд:

Р = Рг + Рвт + Рп + Ра. (15.2)

Общий (суммарный) тангенс угла потерь магнитодиэлектрика можно выразить через его сопротивление потерь r1, следующей фор­мулой:

Tgδ = r1/ωL = 1/Q

где r1, — активное сопротивление, эквивалентное всем видам магнит­ных потерь, потерям в обмотке и в электрической изоляции; ω — частота; L и Qиндуктивность и добротность катушки, соответст­венно. Величина мощности потерь в магнитодиэлектриках зависит в значительной мере от размера частиц ферромагнетика и характера изоляции.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика μмд всегда мень­ше μ ферромагнетика, составляющего его основу, и вычисляется по формуле μмд =1/(1/μ + V/3) (15.3)

где μ— магнитная проницаемость исходного ферромагнетика; Vотносительный объем, занимаемый электроизоляционным материа­лом.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков имеет невысо­кое значение (см. табл. 15.1) и мало зависит от частоты. Преимуще­ство магнитодиэлектриков перед ферритами заключается в том, что они обладают более высокой стабильностью магнитных свойств и изделия из них получают более высоких классов геометрической точности и степени шероховатости поверхности. Однако по ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферри­там, поэтому применение их постепенно сокращается.

Наиболее широко применяются магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя, имеющих рабочую частоту соответственно не более примерно 100, 0,1 и 0,7 МГц. Для придания молибденовому пермаллою хрупкости и возможности получать из него порошки, в него в процессе выплавки вводят небольшое количество серы.

Ферриты

Ферриты — это ферримагнитная керамика, сочетающая в себе высокие магнитные свойства и высокое удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что позволило их применять в области ВЧ и СВЧ, т.е. там, где металлические магнитомягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущество ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой сложные системы окислов железа и двухвалентного (реже одновалентного) металла, имеющие общую формулу MeOFe2O3. В качестве металла применяют ионы Ni2+, Mn2+, Co2+, Fe2+ , Zn2+, Cd2+, Li+ и др., которые и дают название фер­риту. Например, NiOFe2O3 — никелевый феррит, ZnOFe2O3 — цин­ковый феррит. Применяющиеся в технике ферриты называют также оксиферами. В последнее время широко применяются ферриты с об­щей формулой 3Me2O3 •5Fe2O3 (где Me — ион двух- или трехвалент­ного металла).

Свойства ферритов и соответственно изделий из них сильно зави­сят от их состава и технологии получения. В промышленности используют наиболее простую технологию, заключающуюся в спека­нии оксидов при высокой температуре: в приготовленный ферритовый порошок, состоящий из обожженных окислов соответствующих металлов, тонко измельченных и тщательно перемешанных, добавля­ют пластификатор (обычно раствор поливинилового спирта) и из по­лученной массы под большим давлением прессуют изделия требуемой формы и обжигают их при температуре 1100—1400°С. В процессе об­жига и образуется феррит, представляющий собой твердый раствор окислов. При этом происходит усадка, которая может составлять 10—20%. Очень важно, чтобы обжиг происходил в окислительной сре­де (обычно в воздухе). Присутствие даже небольшого количества во­дорода может вызвать частично восстановление окислов, что приведет к увеличению магнитных потерь. Полученные ферритовые изделия являются твердыми и хрупкими и не позволяют производить механи­ческую обработку, кроме шлифования и полирования.

Ферриты имеют гранецентрированную плотноупакованную ку­бическую решетку, в которой ионы кислорода образуют тетраэдры. Ионы кислорода образуют и октаэдры, которые тоже участвуют в формировании магнитных свойств. В центре тетраэдра располагается ион металла. Если этим ионом является Fe3+, то материал обладает магнитными свойствами, например, ферриты никелевый (NiO-Fe2O3 ) и марганцевый (MnO-Fe2O3 ). Если этим ионом является Zn2+ или Cd2+ , то магнитные свойства отсутствуют, образуется немагнит­ный феррит, например, цинковый (ZnO-Fe2O3) или кадмиевый (CdO-Fe2O3). Указанные явления объясняются тем, что в ферритах между магнитными моментами соседних атомов осуществляется кос­венное обменное взаимодействие, которое приводит к их антипарал­лельной ориентации (см. гл. 14.1.5). В связи с этим кристаллическую решетку ферритов можно представить как состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток, имеющих противоположные на­правления магнитных моментов ионов (атомов). В магнитном фер­рите намагниченность подрешеток неодинаковая, поэтому возникает суммарная спонтанная намагниченность, а в немагнитном феррите суммарная намагниченность равна нулю.

Технические ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. К магнитомягким ферритам в первую очередь относятся две группы ферритов: никель-цинковые и марганец-цинковые, представляющие собой трехкомпонентные системы NiOZnOFe2O3 и MnOZnOFe2O3 (табл. 15.5). Немагнитные ферриты добавляют к магнитным для увеличения маг­нитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы. Однако при этом снижается температура Кюри.

Магнитные свойства ферритов, как и альсиферов, очень сильно зависят от их состава. На рис. 15.3 приведена зависимость начальной магнитной проницаемости никель-цинкового феррита от его соста­ва. Из рисунка видно, что высокие значения μн достигаются на очень узком участке диаграммы.

Начальная магнитная проницаемость μн — один из основных магнитных параметров магнитомягких ферритов. Ее величина у раз­личных марок магнитомягких ферритов изменяется от 7 до 20000 н = 45—35000). Чем выше начальная магнитная проницаемость феррита данной группы, тем ниже его температура Кюри (рис. 15.4) и менее стабильны магнитные свойства при изменении температу­ры. Магнитная проницаемость влияет также на величину критиче­ской частоты ƒкр; чем больше μн, тем ниже ƒкр. Ферриты, у которых μн = 20—20000, во многих случаях в слабых полях эффективно заме­няют пермаллои и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (в 2—3,5 раза) индукцию насыще­ния, чем металлические ферромагнетики.

Температурная зависимость магнитной проницаемости характе­ризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКμ и относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости αμ, К─1 ', определяемого из выражения

αμ = ТКμ/μТ1 =(μТ2─μТ1 )/[μТ12 (T2 T1] (15.4 )

Индукция насыщения у ферритов составляет 0,1—0,4 Тл (значи­тельно ниже, чем у магнитомягких сплавов). Однако у сплавов в вы­сокочастотных полях Bs. становится ниже, чем у ферритов, из-за вы­соких размагничивающих вихревых токов.

Магнитные потери ферритов часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь tgδм (см. формулы (14.17) и (14.21)). В слабых по­лях потери на вихревые токи у них ничтожны из-за высокого удель­ного сопротивления, на гистерезис малы и в основном образуются за счет потерь на магнитное последействие. Удельные потери Р на пeремагничивание в слабых полях тороидального ферритового сердеч­ника можно вычислить по формуле

P = {ƒB2 tgδм / μн }•5•l0-8 (15.5)

Из формулы (15.5) видно, что удельные потери на перемагничивание в основном зависят от квадрата индукции В и тангенса угла магнитных потерь, приведенного к величине начальной магнитной проницаемости (1§5М/Ц„)'

Основные недостатки ферритов — трудность получения точных размеров изделий из-за большой усадки при обжиге (до 20%), не­достаточно высокая воспроизводимость магнитных свойств, невысо­кие значения индукции насыщения и температуры Кюри, невысокая стабильность магнитных параметров во времени (у некоторых фер­ритов с высокой μн в течение первого года величина μ снижается на 3-7 %).

Исходя из условий эксплуатации и области применения, ферриты условно делят на несколько групп.

Группа 1ферриты общего применения. К ним относятся низкочастотные ферри­ты никель-цинковые (100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН 2000НН) и марганец-цинковые (1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ), работающие в диапазоне частот до 30 МГц в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, антенн, где нет особых требований к температурной и временной стабильности. Основными нормируемыми характеристиками этих ферритов являются ц„ и tg5M.

Группа 2термостабильные ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (700НМ, 1000НМЗ, 1500 НМ1, 1500НМЗ, 2000НМ1, 2000НМЗ), применяемые на частотах до 3 МГц и имеющие Тк = 200—240°С, и высо­кочастотные никель-цинковые ферриты (7ВН, 20ВН, ЗОВИ, 50ВН, 100ВН, 150ВН), применяемые на частотах до 100 МГц и имеющие Тк — 400—450°С.

Группа 3 высокопроницаемые ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ). Ра­бочая частота до 1 МГц. Изделия из этих ферритов значительно дешевле, чем из тонкокатанного пермаллоя для тех же частот.

Группа 4 — ферриты для телевизионной техникиприменяют в основном для магнитопроводов выходных строчных трансформаторов и специальных узлов в цвет­ных телевизорах. К ним относятся ферриты марок 2500НМС1, 3000НМС.

Группа 5 — ферриты для импульсных трансформаторов работают в импульсном ре­жиме подмагничивания. К ним относятся ферриты марок 300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ.

Группа 6 — ферриты для перестраиваемых контуров. К ним относятся высокочас­тотные никель-цинковые ферриты (10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, ЗООВНП). Используют их в контурах, перестраиваемых подмагничиванием, мощных радиотехнических устройствах.

Группа 7 — ферриты для широкополосных трансформаторов. К ним относятся вы­сокочастотные никель-цинковые ферриты (50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС), ис­пользуемые в радиопередающей аппаратуре. Эти ферриты обладают повышенной доб­ротностью в слабых и сильных полях при частотах до 250 МГц.

Группа 8 — ферриты для магнитных головок. Эти ферриты в конце маркировки имеют букву Т (500НТ, 500НТ1, 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ, 500МТ, 1000МТ. 2000МТ, 5000МТ). Одними из основных их магнитных характеристик являются цм и порис­тость (поверхностная пористость должна быть <1 %).

Группа 9 — ферриты для датчиков температуры. Основное назначение — сердеч­ники для индуктивных бесконтактных датчиков температуры. К ним относятся низко­частотные никель-цинковые ферриты (1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200ННЗ, 800НН).

Группа 10 — ферриты для магнитного экранирования. К ним относятся ферриты марок 200ВНРП, 800ВНРП. Эти ферриты отличаются высоким значением магнит­ных потерь в широком диапазоне частот и используются в радиопоглощаюших уст­ройствах.

15.2. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основными характеристиками магнитотвердых материалов явля­ются коэрцитивная сила Hс, остаточная индукция Вs и максимальная удельная магнитная энергия WM, отдаваемая материалом в простран­ство.

Коэрцитивная сила магнитотвердых материалов на 1—4 десятич­ных порядков больше, чем у магнитомягких, однако магнитная про­ницаемость ц у них меньше; при этом чем больше Hс, тем меньше μ.

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления посто­янных магнитов — источников постоянных магнитных полей, ис­пользуемых в различной аппаратуре, устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Если постоянный магнит в виде кольцевого сердечника, то он практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри него. В этом случае магнитное поле вне сердечника практически отсутствует. Что­бы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера. Тогда на образовавшихся концах возникнут полюсы, создаю­щие размагничивающее поле с напряженностью Hd, снижающее ин­дукцию внутри магнита до Bd, которая меньше остаточной индукции Вr. Остаточная индукция Вr характеризует материал в том случае, ко­гда магнит находится в замкнутом состоянии и предварительно был намагничен до состояния технического насыщения (Bs).

На рис. 15.5 приведены кривые, характеризующие свойства маг-нитотвердого материала при размагничивании, для случая, когда об­разец материала был предварительно намагничен до состояния тех­нического насыщения (В= Bs). Кривая I— кривая размагничивания


Рис. 15.5. Кривые размагничивания (1) и удельной магнитной энергии (2) в воздушном зазоре


на участке гистерезисной петли, расположенной во втором квадран­те (от т. Вr к т. Hс), и кривая 2 —кривая изменения магнитной энер­гии в воздушном зазоре. Известно, что удельная энергия Wd магнит­ного поля в единице объема воздушного зазора магнита, выраженная в Дж/м3, определяется формулой

Wd=BdHd/2, (15.6)

где значения Bd и Hd принадлежат т. D, расположенной на кривой размагничивания (см. рис. 15.5, кривая 1).

При изменении величины воздушного зазора т. D будет переме­щаться на кривой размагничивания и будут изменяться значения Bd, Hd и Wd. Если зазор между полюсами отсутствует, то Bd= Вr, а Wd0, так как Hd = 0. Если зазор очень велик, то Wd → 0, так как Bd =0, а Hd = Hс.

Таким образом, чем меньше длина магнита и больше воздушный зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и меньше Bd. При некоторых значениях B'd и H'd, равных наибольшим значениям (Bmах и Hmах), удельная магнитная энергия достигнет максимального значения Wм Дж/м3:

Wм=(BH)mах/2. (15.7)

Максимальная удельная магнитная энергия Wм является важней­шей характеристикой при оценке качества магнитотвердых материа­лов. Она изменяется в широком диапазоне: от ~1 кДж/м3 для хроми­стых сталей, закаленных на мартенсит, до ~80 кДж/м3 для сплавов кобальта с редкоземельными элементами, образующими интерметал­лические соединения. Максимальная энергия Wм в воздушном зазоре тем больше, чем больше остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Hс и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала γ:

γ=(BH)mах/(2BrHc) (15.8)

С увеличением прямоугольности петли гистерезиса коэффици­ент выпуклости у приближается к единице.

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

Обратимое старение происходит под действием ударов, толчков, резких колебаний температуры, воздействия внешних постоянных полей. Оно приводит к снижению Вr на 1—3 %. Магнитные свойства при этом старении можно восстановить путем повторного намагни­чивания.

Необратимое старение связано с изменением структуры материа­ла во времени — повторным намагничиванием не устраняется.

Высокая коэрцитивная сила у магнитотвердых материалов дости­гается путем создания в кристаллической решетке большого количе­ства внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов путем легирования • материала и последующей термической обработки. Кроме того, очень высокую Яс получают у материалов, состоящих из смеси магнитной и немагнитной фаз. При этом частицы магнитной фазы настолько мелкие, что не делятся на домены.

Классификация магнитотвердых материалов. По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на следую­щие группы: 1) легированные стали, закаленные на мартенсит; 2) ли­тые высококоэрцитивные сплавы; 3) металлокерамические и метал-лопластические магниты; 4) магнитотвердые ферриты; 5) сплавы на основе редкоземельных элементов; 6) сплавы для магнитных носите­лей информации.

Магнитотвердые ферриты

Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) — это ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Технология их получения аналогична технологии приготовления керамики. Сте­пень и однородность измельчения шихты являются важным крите­рием. Размер частиц шихты близок к критическому размеру однодо-менности феррита (~1 мкм).

Практическое применение получили ферриты бария, стронция и кобальта. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную струк­туру с общей химической формулой МеО•nFе2О3 , где Me — барий или стронций, n— коэффициент, изменяющийся в зависимости от марки от 4,7 до 6,0. Для получения определенного сочетания магнит­ных свойств в материал вводят оксиды Al, Si, В, Bi в количестве 0,1—3,0 % и редкоземельные элементы 0,1 — 1,0 %. Ферриты бария и стронция в сравнении с литыми магнитами обладают меньшими значениями Вr однако бoльшая кристаллографическая анизотропия существенно увеличивает у них Hс, что, во-первых, позволяет полу­чать удовлетворительную Wм и, во-вторых, придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков. Плотность у них примерно в 1,5 раза ниже, чем у литых магнитов, а удельное сопротивление в миллион раз выше, что позво­ляет применять их в цепях, подвергающихся действию высокочас­тотных полей. Благодаря своим преимуществам магнитотвердые ферриты постепенно вытесняют магнитотвердые материалы других групп. Недостатком является ббльшая величина температурного ко­эффициента Вr, чем у литых магнитов.

Магниты на основе феррита бария выпускают изотропными (БИ) и анизотропными (БА), а ферриты стронция — анизотропными (СА). Производство магнитов марок (БА) и (СА) включает в себя прессование в постоянном магнитном поле (Н≥ 240—400 кА/м) для улучшения свойств в направлении действия поля.

Ферриты кобальта имеют кубическую структуру с общей химиче­ской формулой СоО •Fe2O3 и получают их по той же технологии, что и ферриты бария и стронция. Основное отличие заключается в тер­момагнитной обработке спеченных магнитов для придания им улуч­шенных свойств. Магнитные свойства феррита кобальта анизотроп­ного (КА) заметно хуже, чем анизотропных ферритов бария и стронция. Однако в диапазоне температур —70°С—+80°С КА имеет температурный коэффициент Вr в 3—4 раза меньше, чем у ферритов бария и стронция.


Магнитные пленки. Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура. При толщине пленки свыше 10─3—10─2 мм образу­ется многодоменная структура, состоящая из длинных'узких полосо­вых доменов (ширина от долей микрометров до нескольких микрометров), намагниченных в противоположных направлениях относительно друг друга. Под действием внешнего поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться. Ее можно использо­вать как управляемую дифракционную решетку для видимого света и ближайшего к нему диапазона электромагнитных волн.

В пластинах некоторых ферритов и в тонких пленках некоторых материалов, вырезанных в направлении, перпендикулярном оси лег­кого намагничивания, образуются полосовые домены. При наложе­нии магнитного поля, перпендикулярного поверхности пленки, при некоторых условиях полосовые домены превращаются в цилиндриче­ские магнитные домены (ЦМД). ЦМД в микроэлектронике исполь­зуют для создания запоминающих устройств (ЗУ). Рабочим элементом ЗУ являются монокристаллическая гранатовая пленка магнитного граната толщиной 1—3 мкм, нанесенная на подложку из немагнитно­го галлия-гадолиниевого граната (ГГГ). В качестве магнитного граната применяют железоитгриевый гранат (гранат — это кристаллическая структура, образованная из кубических элементарных ячеек, которые состоят из восьми одинаковых октантов; феррогранат может иметь три магнитные подрешетки). Такие ЗУ предназначены для длительно­го хранения информации в отсутствие питания. Они компактны: мик­росхема на ЦМД площадью 0,5—1 см2 содержит от 256•103 до 1000•103 единиц информации (256 килобитов — 1 мегабит).


Случайные файлы

Файл
15827.doc
31241.rtf
10578-1.rtf
38798.rtf
91529.rtf