Радиоматериалы и радиокомпоненты

магнитного поля, являются микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной кристаллической решеткой. Устранение этих структурных барьеров позволяет повысить магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значение Н ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Мар- ганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой (со средним размером кристаллитов порядка 40 мкм) обладают начальной магнитной проницаемостью до 20000, что близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.

Свойства ферритов могут быть лишь частично описаны всеми теми параметрами и характеристиками, которыми описываются низкочастотные ферромагнитные материалы (см. подраздел 6.3). В связи с тем, что ферриты предназначены для работы в условиях высоких частот и, как правило, при низких уровнях индукции, они характеризуются и другими параметрами, которые ниже будут выделены жирным курсивом.

Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости Н важнейшей характеристикой является тангенс угла магнитных потерь tg . Благодаря низкой проводимости потери на вихревые токи в ферритах малы, и ими можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительны и потери на гистерезис. Значение tg в ферритах на высоких частотах определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Инерционность смещения доменных границ приводит не только к росту tg , но и к снижению Н. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятия

критической частоты fкр, или граничной частоты fгр. Под fкр понимают такую частоту, при которой tg , достигает значения 0,1, а под fгр - такую частоту, при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от Нст, ее значения в постоянном или низкочастотном магнитном поле. Как правило, fкр< fгр , но с практической точки зрения эти два параметра одного порядка и оба могут быть названы предельной частотой ( рисунок 7.9).

Электрические свойства. По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или диэлектриков. При рабочих частотах боль-

шее значение потерь, связанных с электрическими явлениями (при возникнове-

нии вихревой ЭДС), имеет электрическая электронно-релаксационная поляризация, которая обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности (в частности между ионами железа, которые могут быть двух- и трехвалентными). При повышении температуры увеличивается вероятность перескока электронов между ионами переменной валентности. Основным фактором, влияющим на эффективное электрическое сопротивление ферритов является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe2+. Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe2+ к ионам Fe3+ и понижают их валентность. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fe3O4 (феррит железа), у которого = 5 105 Ом м. В

242

феррогранатах концентрация ионов Fe2+ мала, их удельное сопротивление достигает значений 109 Ом м. Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость ( ст >100 1000), которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Наиболее высокое значение присуще марганец-цинковым ферритам (порядка тысяч единиц).

9.6.3 Применение ферритов

Магнитомягкие ферриты используют при изготовлении сердечников различных трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров, резонансно-коле- бательных контуров, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных моторчиков, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры, индуктивных линий задержки. Все это относится к высокочастотной и импульсной технике. Для передачи переменных магнитных потоков применяют никель-цин- ковые и марганец-цинковые, в области высоких частот, литий-цинковые, свин- цово-никелевые ферриты.

Ферриты по сравнению с металлическими магнитными материалами обладают низкой индукцией насыщения (в силу частичной компенсации магнитных моментов и их "разреженности" в матрице оксида), поэтому в сильных полях применять их не выгодно. Но в переменных полях высокой частоты ферриты благодаря отсутствию размагничивающего действия вихревых токов имеют более высокую индукцию, чем металлические материалы. Магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400—20000 в слабых полях заменяют листовые ферромагнитные материалы.

Монокристаллы магнитомягких ферритов находят широкое применение при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения сигналов звукового и видеодиапазонов в магнитофонах. Ферритовые головки обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью

10 МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

10.1 Классификация магнитотвердых материалов

При получении магнитотвердых материалов (МТМ) ставится задача создание неоднородных структур, включающих в себя несколько фаз. Эта задача является сложной, так как, в частности, МТМ должны иметь высокую коэрцитивную силу при достаточно высокой индукции. Очень важным является стабильность намагниченного состояния.

Существуют несколько классификаций МТМ. По способу получения МТМ подразделяются на литые и порошковые. По химическому составу их делят на

243

материалы на основе: 1) железа; 2) сплавов Fe Ni Al; 3) благородных металлов; 4) редкоземельных элементов; 5) медно-никелевых сплавов; 6) кобальт-ва- надиевых сплавов; 7) ферритов. По физическому состоянию МТМ бывают твердые, пластически деформируемые, эластичные и в виде порошка (наполнителя). По магнитным параметрам, важнейшими из которых являются коэрцитивная сила (Нс) и максимальная удельная магнитная энергия (wmax), МТМ делятся на следующие классы:

1)МТМ с умеренными значениями Нс и wmax;

2)МТМ с повышенными значениями Нс и wmax;

3)МТМ с большими значениями Нс и повышенными значениями Wmax;

4)МТМ с большими значениями Нс и wmax;

5)МТМ с наибольшими значениями Нс и wmax;

Рассмотрим более подробно каждый из представленных классов

10.2 МТМ с умеренными значениями Нс (4 − 40 кА/м) и

wmax (1 − 4 кДж/м3)

К данной категории относятся мартенситные стали, особый вид микроструктуры стали, получаемый при ее закалке. Образование мартенсита сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений решетки, возникновением относительно больших значений коэрцитивной силы (4 40 кА/м). Оптимальные магнитные свойства получают, если в структуру, кроме мартенсита, входят высокодисперсные карбиды. В мартенсите отдельные фазы феррита (Fe3O4), цементита (Fe3C) и углерода (вредные для магнитомягких электротехнических сталей!) образуют пластинчатую структуру, что способствует увеличению коэрцитивной силы. Стали для постоянных магнитов легируют элементами Cr, Co, W для оптимизации их свойств. Мартенситные стали начали применять раньше других материалов для постоянных магнитов. В настоящее время их используют сравнительно мало ввиду низких магнитных свойств. Но полностью от них не отказываются, потому что они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.

10.3 МТМ с повышенными значениями Нс (10 − 200 кА/м) и wmax (10 − 40 кДж/м3)

К этой группе относятся широко используемые литые сплавы систем Fe— Ni—А1 и Fe—Ni—Co—Al, модифицированные различными добавками. Они являются активными элементами многих приборов и характеризуются оптимальным соотношением между магнитными свойствами и стоимостью производства. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обусловлено их дисперсионным распадом на две фазы при охлаждении до определенной температуры. В системе Fe—Ni—Al одна из фаз, образующихся в результате распада твердого раствора, по составу близка к чистому железу ( фаза) и является сильномагнитной.

244

Другая фаза состоит почти полностью из никеля и алюминия и оказывается слабомагнитной ( 2 фаза). Таким образом, получается композиция из немагнитной матрицы и однодоменных магнитных включений. Материалы, имеющие такую структуру, намагничиваются в основном за счет процессов вращения магнитных моментов доменов, образование доменных границ и их перемещение при таких размерах магнитных областей оказывается энергетически невыгодным. В итоге, процессы намагничивания и размагничивания сопровождаются большим обменом энергии между внешним и внутренним магнитным полем. В тройной системе Fe—Ni—Al наибольшей удельной магнитной энергией обладают сплавы, содержащие около 28% Ni и 14% Al (по массе), что приблизительно соответствует интерметаллическому соединению Fe2NiAl. Однако без легирующих элементов эти сплавы практически не применяют. Распространенными легирующими добавками являются кобальт, медь, титан и ниобий. Они улучшают магнитные свойства и обеспечивают технологическую воспроизводимость.

Магнитные свойства МТМ во многом зависят от кристаллографической и магнитной текстур. Магнитная текстура высококоэрцитивных сплавов создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле. При этом достигается упорядоченное расположение пластинчатых выделений сильномагнитной фазы, которые своими осями легкого намагничивания ориентируются в направлении поля. Недостатком сплавов типа Fe—Ni —А1 и Fе—Ni —Al—Co является их хрупкость и плохая обрабатываемость.

10.4 МТМ с большими значениями Нс (100 − 300 кА/м) и повышенными значениями wmax (4 − 20 кДж/м3)

К этому классу МТМ относятся материалы, обладающие большими значениями коэрцитивной силы, но относительно малыми значениями остаточной индукции. Это магнитотвердые ферриты. Из магнитотвердых ферритов наиболее известны бариевый феррит BaO 6Fe2O3 , кобальтовый феррит CoO Fe2O3 и стронциевый феррит SrO 6Fe2O3 . В отличие от магнитомягких ферритов бариевый и стронциевый ферриты имеют не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Наличие одноосной анизотропии в сочетании с текстурированием в процессе производства (выдержка в поле с напряженностью 600— 800 кА/м) и мелкозернистой структурой обеспечивает высокую коэрцитивную силу. Удельное сопротивление ферритов 103 107 Ом м, поэтому, в отличие от металлических магнитотвердых сплавов их можно использовать в цепях высокой частоты. По стоимости они дешевле магнитов из сплавов типа ЮНДК. Бариевые магниты обладают наибольшими из данной группы магнитными параметрами. К недостаткам бариевых магнитов следует отнести низкую механическую прочность, большую хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры. Кроме того, они обнаруживают необратимое изменение магнитных свойств после охлаждения от комнатной до низких температур (—60°С) (температурный гистерезис). Кобальтовые магниты

245

характеризуются большей температурной стабильностью по сравнению с бариевыми, однако уступают им по значению максимальной энергии и стоимость их выше.

10.5 МТМ с большими значениями Нс (200−700 кА/м) и wmax (50 − 120 кДж/м3)

К этой группе МТМ относятся платино-кобальтовые сплавы и сплавы на основе редкоземельных элементов (РЗЭ) интерметаллические соединения кобальта, железа, циркония с редкоземельными металлами: церием, самарием, празеодимом, лантаном, а также иттрием.

Магнитотвердые материалы на основе РЗЭ являются весьма распространенными. Наибольший интерес представляют интерметаллические соединения типа RCо5 и R2Co17, где R — редкоземельный элемент (чаще самарий), или группа редкоземельных элементов (например, Sm0,5Pr0,5Co5). Указанные соединения имеют гексагональную структуру, им присуща сильная магнитная кристаллографическая анизотропия и высокая температура Кюри, которая лишь на 200— 400°С ниже ТК чистого кобальта. При остывании сплава до температуры ниже некоторого критического значения соединения RCо5 распадаются на две фазы. Нарушения фазовой однородности являются одной из причин появления высокой коэрцитивной силы в материале (как и в случае материалов, рассмотренных выше).

Существует три направления в технологии получения этих материалов:

1)холодное прессование порошка сплава RCo5;

2)спекание брикетов из порошков в присутствии жидкой фазы;

3)литье сплавов, в которых кобальт частично замещен медью и железом. Наиболее распространенным способом получения магнитов является вто-

рой способ.

10.6МТМ с наибольшими значениями Нс (до 1600 кА/м)

иwmax (до 200 кДж/м3)

Магнитотвердые материалы с наибольшей коэрцитивной силой разработаны на основе сплавов типа R2Fe14B. Магнитные свойства в значительной степени определяются строением фазы. Теоретический предел wmax для Nd2Fe14B равен 255 кДж/м3. Разработаны два метода получения постоянных магнитов из соединений неодим—железо—бор: 1) скоростная закалка и 2) спекание порошков.

Основным методом получения магнитов из сплавов типа неодим—же- лезо—бор является порошковый. При этом достигнуто значение wmax = 200 кДж/м3 . Технологические операции в этом случае аналогичны операциям, применяемым для получения RСо-магнитов. Порошок получают механическим измельчением с размером частиц около 3 мкм. Текстурирование производят в

246

магнитном поле 800 кА/м при прессовании под давлением 200 МПа перпендикулярно направлению магнитной текстуры. Брикет спекают при температуре ~1380 К около 1 часа с последующим быстрым охлаждением. Применяют также другие методы изготовления порошков, в частности восстановление из оксидов.

Коэрцитивная сила рассматриваемых материалов определяется закреплением доменных границ на границах зерен. Зарождение доменов с обратной намагниченностью также происходит на границах зерен.

Недостатком NdFeB-магнитов является их низкая температурная стабильность, которая в четыре раза хуже, чем у Sm—Со-магнитов. В значительной степени это связано с низкой температурой Кюри Nd2Fe14B (585 К вместо 1020 К у

SmCo5 и 1200 К у Sm2Co17).

11 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

11.1 Термомагнитные материалы

Термомагнитными называют материалы с сильной зависимостью магнитной индукции насыщения от температуры в определенном интервале температур (в большинстве случаев приблизительно −60 — +60° С). Термомагнитные материалы используют:

-в качестве магнитных шунтов или магнитных добавочных сопротивлений (терморегулирование магнитных потоков);

-в качестве датчиков в индукционных печах для поддержания заданной температуры;

-в виде сердечников термореле, момент срабатывания которых зависит от температуры.

К термомагнитным материалам предъявляют следующие специальные требования:

1) Крутой ход термомагнитной характеристики B=f(Т) при H=const, то есть

высокий коэффициент чувствительности = B/ Т.

2)Большое значение индукции насыщения, что уменьшает необходимую площадь поперечного сечения термоэлементов;

3)Малые значения напряженности поля, необходимые для насыщения;

4)Определенная форма термомагнитной характеристики, соответствующая задаче (линейная, гиперболическая, параболическая и т. д.);

5)Высокая воспроизводимость характеристик.

Термомагнитные материалы могут быть либо однородными сплавами, либо многослойными материалами. Поскольку наибольшая зависимость индукции от температуры для ферромагнетиков наблюдается в области, близкой к точке Кюри, то последняя для термомагнитных сплавов должна находиться вблизи от рабочих (комнатных) температур. Из ферромагнитных материалов-элементов лучше всего этому соответствует никель (ТК=350°С). Материалы с еще более низкой точкой Кюри могут быть получены введением в никель немагнитных

247

присадок. К термомагнитным сплавам относятся Ni-Fe-Сr (компенсаторы), NiCu (кальмаллои), Ni-Fe (термаллои).

Наибольшее применение имеют компенсаторы. Преимуществами их являются обратимость свойств в диапазоне изменения температур ±70°С, удовлетворительная воспроизводимость характеристик, хорошая механическая обрабатываемость. Чувствительность компенсаторов~10-2 Тл/К.

Многослойные термомагнитные материалы получают при совместной прокатке листов или полос из термомагнитных сплавов различного химического состава, то есть с различными термомагнитными свойствами. Подбирая соответствующим образом исходные сплавы и толщину полос, можно получить материалы с наперед заданными свойствами. Роль термомагнитных материалов могут выполнять некоторые ферриты с низкой температурой Кюри (<100 С). Основные недостатки этой группы материалов состоят в малой индукции насыщения и плохой воспроизводимости свойств.

11.2 Магнитострикционные материалы

Магнитострикция (МС) - явление деформации магнитного материала при воздействии на него магнитного поля.

МС имеет непосредственное техническое применение в магнитострикционных генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний. Такие вибраторы используют в технологических установках по обработке ультразвуком (механическая обработка хрупких и твердых материалов, обезжиривание и др.), в эхолотах, дефектоскопах, а также в некоторых радиотехнических схемах и устройствах (взамен пьезоэлектриков для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах и т. д.).

Поскольку относительная деформация материала в статическом поле определяется величиной индукции, которая ограничена значением насыщения, то имеется и предельное статическое значение относительной деформации (рису-

нок 11.1, а), называемое коэффициентом магнитострикции s= ls/l (где l—

длина стержня из магнитного материала при отсутствии поля, ls—изменение длины под действием поля в условиях насыщения индукции).

Коэффициент магнитострикции для различных МСМ может быть как отрицательным, так и положительным. У сплавов Pt−Fe, Co−Fe, Al−Fe, Al−Ni−Co−V он положителен (растягивающая деформация), у никеля и никелевых ферритов он отрицателен (деформация сжатия).

К МСМ предъявляются следующие требования (в скобках даны требования, непосредственно связанные с указанными).

1)Высокие значения s (высокие амплитуды колебаний).

2)Высокая крутизна зависимости l/l= (Н) (быстрый выход на режим насыщения, при малых значениях напряженности возбуждающего поля).

3)Малые магнитные потери (малые значения коэрцитивной силы, большие удельные сопротивления).

248

3)Высокая механическая прочность (устойчивость к деформациям).

4)Коррозионная стойкость (долговечность при работе в воде в составе эхолокаторов).

5)Относительно низкая стоимость.

Наибольшей магнитострикцией ( s>+10-4) обладает сплав 54%Pt 46%Fe, однако его применение в технике ограничено из-за высокой стоимости. Редко применяют также железокобальтовые сплавы (пермендюры), что объясняется их малой коррозионной стойкостью и большой стоимостью.Наиболее широко в качестве магнитострикционных материалов применяют никель, никель-кобальтовые ферриты и реже железоалюминиевый сплав алфер.

Рисунок 11.1 - Изменение относительной деформации МСМ при воздействии медленно изменяющегося (статического) магнитного поля (а) и поля с частотой резонанса (б).

Никель имеет относительно большой отрицательный коэффициент магнитострикции s= −3,5 10—5. Обычно применяют никель толщиной 0,1 мм в виде жесткой неотожженной ленты.

В силу своей хрупкости магнитострикционные ферриты реже используются как излучатели звуковых волн. Более широкое применение они нашли в прецизионных фильтрах, поскольку низкие магнитные потери в ферритах обуславливают высокую добротность устройства. Чаще используют никелевые ферриты с различными присадками (кобальт, медь и др.).

11.3 Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре связи. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля.

249

Основным параметром рассматриваемых материалов является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции, к индукции насыщения

Для определенности Вs измеряют при напряженности Н = 5Нс. Желательно, чтобы К П был возможно ближе к единице. Типичные значения для материалов с ППГ К П ~0,85 0,95. Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания.

Вкачестве материалов с ППГ используются как ферротак и ферримагнетики. Ферриты с ППГ в практике распространены шире, технология изготовления из них сердечников наиболее проста и экономична. Прямоугольность петли реализуется при выборе определенного химического состава и условий спекания феррита, а не является результатом какой-либо специальной обработки материала, приводящей к образованию текстуры. Из ферритов с ППГ наиболее широкое применение находят феррошпинели Li-Na, Mg-Mn-Ca, Li-Mg-Mn и Mg- Mn-Zn-Ca. Установлено, что прямоугольная петля гистерезиса характерна для материалов с достаточно сильной магнитной кристаллографической анизотропией и слабо выраженной магнитострикцией. В этом случае процессы перемагничивания происходят главным образом за счет смещения доменных границ. Сохранение большой остаточной намагниченности после снятия внешнего поля объясняется локализацией доменных границ на микронеоднородностях структуры.

Взависимости от особенности устройств, в которых применяются ферриты

сППГ, требования, предъявляемые к ним, могут существенно различаться. Так, ферриты, предназначенные для коммутационных и логических элементов схем автоматического управления, должны иметь малую коэрцитивную силу (10—20 А/м). Наоборот, материалы, используемые в устройствах хранения дискретной

информации, должны иметь повышенное значение Нс (100—300 А/м). Существенный недостаток ферритов с ППГ - температурная нестабильность в отношении коэрцитивной силы, остаточной индукции и коэффициента прямоугольности.

Ленточные микронные сердечники из низконикелевых пермаллоев имеют лучшие магнитные свойства по сравнению с ферритами и более высокую температурную стабильность. Однако, прокатка микронной ленты, ее термообработка, требующая вакуума или атмосферы инертного газа, а также изготовление из ленты сердечников значительно сложнее, чем изготовление изделий из ферритов.

Впоследнее время все большее значение приобретают тонкие ферромагнитные пленки, наносимые на подложки методами распыления в вакууме. Они обладают термостабильными свойствами, обеспечивают меньшие времена перемагничивания (менее 10-8с) и высокую степень интеграции. Методы получения

250