Аморфные магнитные материалы

В последнее время уделяется большое внимание вопросам получения и применения аморфных магнитных материалов (АММ). Такие материалы получаются при быстром охлаждении из расплавленного состояния без кристалли­зации. Аморфная структура получается при скорости охлаждения расплава до 10⁶ °C/c. Совре­менными методами можно изготовить из аморфного материала про­волоку или ленту различного профиля непосредственно из распла­ва со скоростью до 1800 м/мин. АММ обладают очень высокими маг­нитными характеристиками наряду с повышенным сопротивлением. Перспективными высокопроницаемыми материалами являются аморфные сплавы железа и никеля с добавками хрома, молибдена, бора, кремния, фосфора, углерода или алюминия с магнитной про­ницаемостью до 500, коэрцитивной силой Н_соколо 1 А/м и индук­цией насыщения B_sот 0,6 до 1,2 Тл.

Магнитодиэлектрики

Это такие материалы, которые состоят из конгломерата частиц низкокоэрцитивного магнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим ди­электриком, который играет роль и связующего элемента. Благода­ря тому, что частицы ферромагнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и ма­лыми потерями на вихревые токи, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Кроме того, магнитодиэлектрики харак­теризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой ста­бильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц производится жидким стеклом, полистиролом, различными смолами, например фенолформальдегидной смолой или другими связующими. Разме­ры ферромагнитных частиц составляют d = 10^-2…10^-1см.

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 магнитодиэлектрика на основе карбонильного железа начальная магнитная проницаемость находится в пределах 10…20, на основе альсифера — 20…94, на основе пермаллоев — 60…250.

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 ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой MeO×Fe₂O₃ или Me²⁺Fe₂³⁺+O₄^2- где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мп²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ и др. Ионы двухвалентного метал­ла характеризуют феррит, который получает название по ха­рактеризующему металлическому иону, например NiFe₂O₄ -никелевый феррит, ZnFe₂O₄ — цинковый феррит. Кристалли­ческая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала — благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой плотнейшую упа­ковку образуют относительно большие ионы кислорода (ионный ра­диус 0,132 нм). Металлические ионы, имеющие меньший ионный радиус (0,04…0,1 нм), располагаются в промежутках (узлах) меж­ду ионами кислорода.

Распределение ионов двух- и трехвалентного металла по узлам кристаллической решетки оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритов.

Решетку можно представить как состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток A и В в узлах, которых находятся ионы металлов, причем внутри подрешеток магнитные моменты ионов оказываются параллельны друг другу. Таким образом, суммарная намагничен­ность феррита может быть представлена как разность намагниченностей подрешеток.

Если намагниченности подрешеток неодинаковы, как это на­блюдается в случае ферритов, возникает спонтанная намагничен­ность.

При повышении температуры магнитное упорядочение разруша­ется и спонтанная намагниченность уменьшается. Зависимость спонтанной намагниченности феррошпинелей с увеличением тем­пературы в большинстве случаев монотонно убывающая и аналогич­на зависимости для металлических магнитных материалов.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердеч­ников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных ан­тенн, статоров и роторов высокочастотных небольшой мощности электрических моторов, деталей отклоняющих систем телевизион­ной аппаратуры.

Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следую­щих видов:

а)Никель-цинковые, представляющие твердые растворы ни­келевого феррита NiFe₂O₄, и феррита цинка ZnFe₂O₄.

б)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. Кроме того, марганец-цинковые ферриты имеют более высокие температуру Кюри и индукцию насыщения. Не­достатком марганец-цинковых фер­ритов является меньшее значение рабочей частоты (до нескольких мегагерц), в то время как никель-цинковые ферриты работают до 100 МГц;

в) Литиевые ферриты типа LiFe₂O₄ , 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, тангенс угла магнитных потерь при которой достигает значение 0,1.

5.5 Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвердые материалы в отличие от магнитомягких имеют существенно большую коэрцитивную силу, которая изменяется в пределах от 5×10³ до 5×10⁶ А/м, и площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы применяются для изготовления по­стоянных магнитов — источников постоянных магнитных полей, которые практически во многих случаях выгоднее, чем электромагнитные.

Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор; следова­тельно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью H_d, снижающее индук­цию внутри магнита до B_d, которая меньше остаточной индукции B_г. Остаточная индукция B_г, характеризует материал в том слу­чае, если магнит находится в замкнутом состоянии и предваритель­но намагничен до насыщения в сильном внешнем магнитном поле.

Рисунок 5.5-Кривые, характеризующие свойства магнитотвёрдых материалов.

На рисунке 5.5 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов: кривая размагничивания (1) участок гистерезисной петли, расположенный во втором квадрате; кривая энергии магнита в зазоре (2). Удельная магнитная энергия поля создаваемого в воздушном зазоре магнита, определяется выраже­нием:

W_d=B_dH_d/2 (5.9)

Индукция разомкнутого магнита B_d уменьшается с увеличением зазора. При замкнутом магните B_d =B_г, магнитная энергия равна нулю, так как H_d= 0, если зазор между полюсами велик, то напряжённость магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе материала H_c, а B_d=0; следовательно, и в этом случае магнитная энергия W_d=0. При некоторых значениях B_d и H_d энергия достигает максимального значения:

W_max= B_dmax H_dmax /2 (5.10)

Величина W_max является важ­нейшей при оценке качества ма­териала. Форма кривой размагни­чивания характеризуется коэффи­циентом выпуклости:

g=B H_max / (B_г H_c) (5.11)

Коэффициент выпуклости при­ближается к единице с увеличе­нием прямоугольности петли ги­стерезиса. Максимальная энергия магнита тем больше, чем больше остаточная индукция B_г, коэрци­тивная сила H_с и коэффициент выпуклости g.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения под­разделяют на следующие группы: 1) литые высококоэрцитивные сплавы; 2) металлокерамические материалы; 3) магнитотвердые ферриты; 3) сплавы на основе редкоземельных элементов; 5) прочие магнитотвердые материалы (мартенситные сплавы, пластически деформируемые сплавы и др.).