Высокочастотные магнитомягкие материалы.

Материалы должны выполнять функции магнетиков на звуковых, ультразвуковых, низких и высоких радиочастотах, а также СВЧ. По физической природе и строению они делятся на ферриты и магнитодиэлектрики. При повышении частоты возрастают потери на вихревые токи. Их снижают уменьшением магнитной индукции и повышением удельного электрического сопротивления.

Ферриты – оксидные материалы, спонтанная намагниченность доменов которых обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Низкие потери энергии при повышенных частотах (удельное сопротивление в 10³–10¹³ раз больше, чем у железа) и достаточно высокие магнитные свойства обеспечивают ферритам широкое применение.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и простой технологии керамические материалы занимают ведущее место. Исходное сырье (окислы соответствующих металлов) подвергают измельчению, после брикетирования или гранулирования – обжигу с целью образования феррита из окислов. Продукт вновь измельчают, добавляют пластификаторы: водный раствор поливинилового спирта, воду, реже – парафин. Масса тщательно перемешивается и поступает на формовку. В процессе отжига при 1100–1400 °С в контролируемой газовой среде происходит спекание и заканчивается процесс ферритизации. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, допускающими только шлифовку и полировку.

Высокопроницаемые ферриты. Применяют никель-цинковые NiO–ZnO–Fe₂O₃ и марганец-цинковые MnO–ZnO–Fe₂O₃ ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами. Один (NiFe₂O₄ или MnFe₂O₄) является ферримагнетиком, другой (ZnFe₂O₄) – немагнитен. Элементарная ячейка шпинели представляет куб из 8 структурных единиц MeFe₂O₄ (см. рис. 11.10). Кислородные ионы (белые шарики) имеют кубическую упаковку и образуют 8 тетраэдрических и 16 октаэдрических пустот, в которых располагаются катионы металлов (Ме). Катионы цинка всегда занимают тетраэдрические пустоты, катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетраэдрических, так и в октаэдрических пустот ах. Магнитоактивные катионы металлов разделены ионами кислорода. Прямое обменное взаимодействие между катионами отсутствует, электронные оболочки не перекрываются. В соответствии с теорией ферримагнетизма Нееля основную роль играет косвенное взаимодействие катионов металлов при участии ионов кислорода.

Внешняя 2р-оболочка кислородного аниона полностью заполнена электронами, спиновые моменты попарно скомпенсированы. Незаполненные 3d-оболочки катионов никеля и железа имеют 2 и 5 нескомпенсированных спинов. Диамагнитный ион кислорода отдает один валентный электрон ближайшему катиону, например, катиону никеля Ni²⁺. По принципу Паули спин переходящего электрона должен быть направлен антипараллельно магнитному моменту катиона. Отдавая электрон, кислородный анион приобретает магнитный момент и участвует в обменном взаимодействии с другим соседним катионом – железа. Благодаря перекрытию электронных оболочек, отношение а/d < 1,5. Обменное взаимодействие носит антиферромагнитный характер, результатом является антипараллельная ориентация магнитных моментов катионов.

Состав твердого раствора с учетом распределения катионов по кислородным пустотам можно охарактеризовать следующей формулой:

,

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках, в круглых скобках указаны ионы, занимающие тетраэдрические пустоты, квадратных – октаэдрические. Вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические пустоты. Решетка феррита состоит из двух подрешеток с антипараллельной намагниченностью. Такая структура обеспечивает максимальную эффективность обменного взаимодействия, если три взаимодействующих иона находятся на одной прямой. Спонтанная намагниченность равна разности намагниченностей двух подрешеток.

С повышением температуры силы обменного взаимодействия ослабляются, намагниченность уменьшается и исчезает. Температура перехода в парамагнитное состояние (точка Нееля или антиферромагнитная точка Кюри) для некоторых ферритов – менее 100 °С. Для оценки температурных изменений используют температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК. Рабочей называют такую температуру, при которой магнитная проницаемость составляет 20 % от номинального значения при 20 °С. После изготовления феррита проницаемость в течение года падает на 3 %; дальнейшие изменения незначительны. Величина уменьшения зависит от состава и условий изготовления, температуры образцов. Детали могут быть изготовлены любых форм.

Различают магнитно-мягкие низко- и высокочастотные, сверхвысокочастотные, с прямоугольной петлей гистерезиса и магнитно-твердые ферриты. Низкочастотные ферриты применяют при изготовлении контурных катушек, магнитных экранов, сердечников импульсных трансформаторов. Они имеют большую диэлектрическую проницаемость. В обозначении цифры указывают значение начальной магнитной проницаемости, буквы определяют верхнюю границу частотного диапазона, при которой начинается быстрый рост потерь. Ферриты для низких радиочастот обозначают буквой Н (критическая частота для разных марок – 0,1–50 МГц), для высоких частот (30–300 МГц) – ВЧ, для сверхвысоких – СВЧ. Далее следуют буквы, указывающие состав феррита: Н – никель-цинковый, М – марганец-цинковый. На высоких частотах (до 800 МГц) применяют литиевые (Li₂O5Fe₂O₃), кобальт-бариевые (Co,Ba)OFe₂O₃ и более сложные ферриты с ГПУ решеткой.

СВЧ-ферриты. В устройствах СВЧ диапазона (>800 МГц) необходимо управлять электромагнитным потоком: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебаний, поворачивать плоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока. Электромагнитные волны могут распространяться в пространстве, заполненном диэлектриком, от металлов они почти полностью отражаются. Поэтому металлические поверхности используют для направления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия передается по волноводам, представляющим собой полые или частично заполненные твердым материалом металлические трубы. В качестве материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты и некоторые активные диэлектрики. Применение сверхвысокочастотных ферритов основано на явлениях эффекта Фарадея и ферромагнитного резонанса.

Эффект Фарадея состоит в повороте плоскости поляризации плоскополяризованной волны, распространяющейся вдоль намагниченного постоянным полем феррита. Угол поворота пропорционален длине стержня феррита и напряженности поля. Чем меньше напряженность, требуемая для поворота плоскости поляризации на заданный угол, тем эффективнее феррит. Ферриты используют в модуляторах, фазовращателях, циркуляторах и т. д.

Ферромагнитный резонанс возникает, когда на феррит, перемагничиваемый высокочастотным полем Н, наложено перпендикулярно постоянное магнитное поле Н₀. Это поле вызывает прецессию орбитального момента электрона, частота прецессии изменяется пропорционально напряженности Н₀. При определенном значении Н₀ частота прецессии совпадает с частотой высокочастотного поля, и наступает ферромагнитный резонанс. Он проявляется в уменьшении магнитной проницаемости вдоль феррита (вдоль распространения СВЧ поля), но ее увеличении поперек феррита. Происходит полное или частичное поглощение потока энергии обратной электромагнитной волны. Эффект избирательного поглощения используется в резонансных вентилях, фильтрах, быстродействующих переключателях. СВЧ-ферриты должны обладать высоким сопротивлением (10⁶–10¹¹ Омм), высокой температурой Кюри, малыми диэлектрическими и магнитными потерями вне области резонанса, обеспечивающими незначительное затухание сигнала в феррите, высокой чувствительностью к управляющему полю.

Цифра в марке указывает длину волны λ в см. Для λ = 1–3 см применяются никелевый, магний-марганцевый, никель-магниевый и другие ферриты. Для λ = 4–10 см – тройные ферриты, содержащие MgO, MnO, ZnO, и полиферриты, содержащие CuO для уменьшения пористости и CoO – для снижения константы анизотропии. Для уменьшения намагниченности насыщения и магнитных потерь вводят Cr₂O₃ и Al₂O₃. Для λ ≥ 10 см применяют феррогранаты 3Y₂O₃5Fe₂O₃, которые имеют узкую резонансную линию. Их используют на частотах 4000–5000 МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) используют в вычислительной технике (в марке буквы ВТ) для хранения дискретной информации. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Эта особенность позволяет их 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. Широко применяются магний-марганцевые и литиевые ферриты (например, MgO3MnO3Fe₂O₃), а также полиферриты, содержащие дополнительно оксиды цинка, кальция, лития. Магнитная текстура формируется при охлаждении после спекания в результате магнитострикционных явлений. Устройства вычислительной техники из ферритов изготовляют в виде тонких пленок и слоистых матриц, что обеспечивает их малые размеры и высокое быстродействие.

Кроме ферритов используются сердечники из пермаллоев (ленты толщиной 1,5–3 мкм), которые могут работать на частотах до 1 МГц. Прямоугольную петлю гистерезиса получают кристаллографической текстурой при холодной прокатке, либо магнитной текстурой (термомагнитной обработкой). По сравнению с ферритами сердечники из пермаллоев обладают более высокой точкой Кюри 400–630 °С и стабильностью свойств, но технология их изготовления сложнее и дороже.

Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики представляют собой смесь порошка высокопроницаемого магнитного материала (альсифера, карбонильного железа, пермаллоя) и диэлектрической связки (фенолформальдегидной смолы, полистирола, стекла и т. д.). Диэлектрик образует между зернами ферромагнетика сплошную пленку и связывает зерна между собой. Магнитные свойства определяются особенностями намагничивания отдельных ферромагнитных частиц, т. е. их размерами и формой, взаимным расположением, соотношением между количествами ферромагнетика и диэлектрика. Изготавливают сердечники индуктивных катушек фильтров, генераторов, частотомеров, контуров радиоприемников и т. п. Наиболее широко применяют магнитодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. Для уменьшения потерь на вихревые токи применяют мелкий порошок (средний размер зерен 1–5 мкм). Сердечники отличаются высокой стабильностью, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и используются в широком диапазоне частот. Технологический процесс производства включает: изолирование частиц порошка, прессование деталей, термическую обработку для повышения механической прочности и стабилизации свойств.

Магнитодиэлектрики на основе альсифера являются дешевыми и недефицитными материалами. В зависимости от содержания кремния и алюминия, альсифер может иметь температурный коэффициент магнитной проницаемости от положительных до отрицательных значений: можно создавать сердечники с термостабильными свойствами.

Магнитодиэлектрики на основе супермаллоя имеют наибольшую начальную магнитную проницаемость, магнитные потери у них меньше, чем у альсифера, стабильность параметров выше.