49. Магнитомягкие высокочастотные материалы

Под высокочастотными магнитными материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы Подразделяются на ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты. Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10³ – 10¹³ раз, а, следовательно, незначительные потери энергии в области повышенных частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоты технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков. При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешивают в специальных мельницах тонкого помола, а затем проводят предварительный обжиг с целью образования феррита из окислов. Ферритизированный продукт вновь измельчают, и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий. Формирование изделий из ферритов производят прессованием деталей в стальных формах или выдавливанием стержней трубок через мундштук. Для улучшения прессуемости в порошок вводят пластифицирующие вещества: водный раствор поливинилового спирта, воду, реже — парафин. После введения пластификатора масса тщательно перемешивается и поступает на формовку. Заключительной технологической операцией, от которой в значительной степени зависит качество ферритовых изделий, является окончательный отжиг, в процессе которого происходит спекание изделий и заканчивается процесс ферритизации (температура окончательного отжига 1100 — 1400°С, отжиг проводится в контролируемой газовой среде). В процессе окончательного отжига завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зернистую структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства ферритов. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не допускающими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку.

К ферритам для радиочастот относятся в первую очередь никельцинковые и марганеццинковые NiO-ZnO-Fe₂O₃ и MnO-ZnO-Fe₂O₃. Находят также применение литий цинковые, свинцовоникелевые и некоторые другие типы ферритов. Эти группы ферритов используют для изготовления сердечников различных трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров магнитных антенн, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры и т.д.

Для ферритов, используемых в переменных полях, обычно кроме начальной магнитной проницаемости, измеренной на высокой частоте, указывают тангенс угла потерь tgδ (или относительный тангенс угла потерь tgδ /_Н), критическую частоту f_КР и некоторые другие параметры.

Тангенс угла потерь и критическая частота. Экспериментально установлено, что для некоторой области изменения напряженности магнитного поля от нуля и выше (область Релея, определяемая обычно десятыми долями А/м) выражение для тангенса утла потерь в зависимости от f и Н может быть представлено следующим образом:

tgδ = δ_ГН + δ_Вf + δ_Д, (4.0)

где δ_Г, δ_В, δ_Д – коэффициенты, характеризующие соответственно потери на гистерезис, отнесенные к единице напряженности поля; на вихревые токи, отнесенные к единице частоты и на последействие (дополнительные потери).

Для ферритов составляющая потерь на вихревые токи мала и ею можно пренебречь. В областях очень слабых полей незначительными оказываются и потери на гистерезис. Следовательно, в области Релея потери определяются в основном величиной δ_Д и возрастают с ростом частоты. Однако, при повышении частоты tgδ, начиная от некоторого определенного для каждой марки феррита значения, возрастает значительно быстрее, чем это можно предполагать согласно уравнению (4.4). Одновременно резко уменьшается магнитная проницаемость. Частота, при которой начинается возрастание угла потерь, называется критической частотой. Для определенности ввели понятие критической частоты f_KP, при которой tgδ=0,1. Причины резкого возрастания потерь и уменьшения проницаемости с ростом частоты весьма сложны и объясняются главным образом релаксационными, а иногда и резонансными явлениями. Чем выше начальная проницаемость, тем ниже граничная частота.

Во многих случаях вместо tgδ удобнее пользоваться понятием относительного тангенса угла потерь tgδ/_Н.

Относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК. Большая зависимость свойств ферритов от температуры по сравнению с другими магнитными материалами, особенно с магнитодиэлектриками, объясняется низкой точкой Кюри ферритов. Для некоторых ферритов Т_К<100°С. Известно, что при температурах ниже точки Кюри, но близких к ней, имеют место значительные изменения проницаемости и других магнитных свойств.

Для оценки температурных изменений проницаемости используют температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК:

и относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости:

Рабочей температурой Тр называют такую температуру, при которой проницаемость составляет 20% от номинального значения при 20°С. Практический интерес представляют вопросы стабильности магнитных свойств ферритов во времени. С течением времени проницаемость ферритов падает. Величина уменьшения  сильно зависит от состава и условий изготовления, а также от температуры образцов. Можно считать, что начальная магнитная проницаемость замкнутого магнитопровода в течение первого года после изготовления ферритов падает на 3%. Дальнейшие изменения незначительны.

Детали из ферритов могут быть изготовлены любых форм.

Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот для краткости обозначают буквой Н (низкочастотные). Критическая частота их для разных марок может лежать в пределах от 0,1 до 50 МГц, В маркировке высокочастотных ферритов имеются буквы ВЧ, критическая частота их 50 – 600 МГц. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав материала: М – марганеццинковый феррит, Н - никельцинковый и т.д. Ферриты марок ВЧ относятся к никельцинковым.

Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой. Магнитные свойства магнитодиэлектриков в значительной степени определяются особенностями намагничивания совокупности отдельных ферромагнитных частиц, а, следовательно, их размерами и формой, взаимным расположением, соотношением между количествами ферромагнетика и диэлектрика. Магнитные параметры исходного ферромагнетика (наполнителя) влияют на параметры магнитодиэлектрика сравнительно мало.

Магнитодиэлектрики, как и ферриты, обладая высоким удельным электрическим сопротивлением, являются высокочастотыми материалами. Они имеют некоторые преимущества перед ферритами, прежде всего более высокую стабильность свойств. Кроме того, особенности технологии производства магннтодиэлектриков, соответствующей технологии пластмасс, позволяют получить изделия значительно более высоких классов точности и чистоты. По ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферритам.

Наиболее широко применяют магнитодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа.

Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Альсифер представляет собой сплав алюминия, кремния и железа. Для магнитодиэлектриков применяют сплавы с содержанием 9-11% Si и 6-8% Аl. Значения коэффициентов потерь на гистерезис и последействия минимальны при содержании Si – 9,4-10.2% (при 7,5%А1) и А1 – 7,2-8% (при 10% Si). Важнейшая особенность альсифера состоит в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания 51 и А1 может быть больше. меньше или равен нулю. Альсифер является дешевым и недефицитным материалом. Все это обеспечило ему широкое применение в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков. В качестве связки при изготовлении магнитодиэлектриков на основе альсифера используют фенолформальдегидные смолы, полистирол и др.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. Технологический процесс производства сердечников из порошка карбонильного железа состоит в изолировании порошка, прессовании деталей и их низкотемпературной термической обработке для придания механической прочности и стабилизации свойств.

Из магнитодиэлектриков изготавливают сердечники, которые применяются в индуктивных катушках фильтров, генераторов, частотомеров, контуров радиоприемников и т.п. Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и могут быть использованы в широком диапазоне частот.