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 магни- томягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущест­во ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой сложные системы оксидов железа и двухвалентного (реже одновалентного) металла, имеющие общую формулу Me0Fe₂0₃. Ионы металлических оксидов: Ni⁴"², Мп²⁺, Со²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Li⁺ и др., которые и дают название ферриту. Напри­мер, NiO Fe₂0₃ — никелевый феррит, Zn0Fe₂0₃ — цинковый фер­рит. Применяющиеся в технике ферриты называют также оксифера- ми. В последнее время широко применяются ферриты с общей формулой 3Me₂0₃-5Fe₂0₃ (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; она заключается в следую­щем. В начале приготавливают ферритовый порошок, состоящий из обожженных оксидов соответствующих металлов, тонко измельчен­
ных и тщательно перемешанных. В порошок 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 оксидов. 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 оксидов, 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 как тетраэд­ры, так 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 (Ni0Fe₂0₃) и марганцевый (Mn0Fe₂0₃). Если этим ионом является Zn²⁺ или Cd²⁺, то магнит­ные свойства отсутствуют, образуется немагнитный феррит, напри­мер, цинковый (Zn0Fe₂0₃) или кадмиевый (Cd0Fe₂0₃). 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 трехкомпо- нентные системы NiO—ZnO—Fe₂0₃ и MnO—ZnO—Fe₂0₃ (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 |х_н достигаются на очень узком участке диаграммы.

Начальная магнитная проницаемость |х_н — один из основных магнитных параметров магнитомягких ферритов. Ее величина у раз­личных марок магнитомягких ферритов изменяется от 7 до 20 000

Таблица 15.5

Марка материала	щ, при 20°С	tgSM 1Q6	Мти	суЮ^6; К"^1,	/кМГц, при tg8M-0,l	Параметры петли гистерезиса	С, не
	Ин при Я =0,8 А/м		при —60-г-+20°С	В[3] Тл	Яс, А/м	ниже
Марганец-цинковые ферриты
20000НМ	15000-25000	25 (0,01)*		0,0-1,5	0,005	0,35	2,0
10000НМ	8000-15000	35 (0,02)*		0,5-2,0	0,05	0,35	4,0
2000НМ	1700-2500	15 (0,1)*		0-3,5	0,45	0,35
2000НМЗ	1700-2500	12 (0,1)*		0-1,5	0,5	0,36
1000НМ	800-1200	15 (0,1)*		2,5-4,5	0,6	0,35
Никель-цинковые ферриты
2000НН	1800-2400	100 (0,1)*		2-6	0,1	0,25
1000НН	800-1200	85 (0,1)*		2,5-7,5	0,4	0,27
400НН	320-500	50 (1,0)*		15-30	2,0	0,26
100ВЧ	80-120	135 (18)*		0-8		0,35
20ВЧ2	16-24	280 (30)*		0-15		0,2

Параметры некоторых магнитомягких ферритов

100 T, °c Рис. 15.4. Зависимость начальной маг­нитной проницаемости ц_н от температу­ры Т для марганец-цинковых и никель- цинковых ферритов

(|х_м = 45—35 000). 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 /_кр; чем больше |х_н, тем ниже /_кр. Ферриты, у которых |х_н = 20—20 000, 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 TKji и относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости а_д, К^-1, определяемого из выражения

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

NiO 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Fe₂0₃ %Fe₂0₃ Рис. 15.3. Зависимость начальной маг­нитной проницаемости ц_н никель-цин­ковых ферритов от состава (температура обжига 1380 °С)

Магнитные потери ферритов часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь tg5_M (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, Вт/м³,

на перемагничивание в слабых полях тороидального ферритового

сердечника можно вычислить по формуле

_{p = fB (155)}

Из формулы (15.5) видно, что удельные потери на перемагничи­вание в основном зависят от квадрата индукции В и относительного тангенса угла магнитных потерь (tgSjypJ.

Маркировка. В основу маркировки магнитомягких ферритов по­ложена величина начальной магнитной проницаемости. Стоящее впереди число указывает номинальное значение р_н. Следующие за числом буква Н или В означают соответственно низкочастотный или высокочастотный материал. Далее следует буква, указывающая со­став феррита: М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый. На­пример, 2000НМ означают, что это низкочастотный марганец-цин­ковый феррит с р_н = 2000. В ряде случаев в конце маркировки добавляют букву, указывающую преимущественное использование данной марки: С — в сильных полях, П — в контурах, перестраивае­мых подмагничиванием, Т — для магнитных головок, РП — для ра- диопоглощающих устройств. Иногда в конце ставят еще цифру 1, 2 или 3, которая означает различие по свойствам. Производят ферри­ты для СВЧ и с прямоугольной петлей гистерезиса (см. ниже). В маркировке этих ферритов введены соответствующие индексы. Основные характеристики некоторых магнитомягких ферритов при­ведены в табл. 15.5.

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 р_н в течение первого года величина р, снижается на 3-7 %).

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

Группа 1 — ферриты общего применения. К ним относятся низкочастот­ные ферриты никель-цинковые (100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН) и марганец-цинковые (1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ); они работают 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 \х_п и tg5_M.

Группа 2 — термостабильные ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (700НМ, 1000НМЗ, 1500 НМ1, 1500НМЗ, 2000НМ1, 2000НМЗ), применяемые на частотах до 3 МГц и имеющие Т_к = 200—240 °С, и высокочастотные никель-цинковые ферриты (7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН), применяемые на частотах до 100 МГц и имеющие Т_к = 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 техники — применяют 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, 300ВНП). 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 |li_h 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 радиопоглощающих устройствах.

15.2. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основными характеристиками магнитотвердых материалов явля­ются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_г и максимальная удельная магнитная энергия tV_M, отдаваемая в пространство.

Коэрцитивная сила магнитотвердых материалов на 1—4 деся­тичных порядков больше, чем у магнитомягких, однако магнитная проницаемость |х у них меньше; при этом чем больше #_с, тем меньше |х.

В,

Н Н На Н

'с ¹⁷d ⁿd

W

о

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

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 H_d, снижающее индукцию внутри магнита до B_d9 которая меньше оста­точной индукции В_г Остаточная индукция В_г характеризует материал в том случае, когда магнит находится в замкнутом состоянии и пред­варительно был намагничен до состояния технического насыще­ния (B_s).

(15.6)

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 = B_s). Кривая 1 — кривая размагничивания на участке гистерезисной петли, расположенной во втором квадран­те (от т. В_г к т. #_с), и кривая 2 — кривая изменения магнитной энер­гии в воздушном зазоре. Известно, что удельная энергия W_d магнит­ного поля в единице объема воздушного зазора магнита, выраженная в Дж/м³, определяется формулой

W_d = B_dH_d/ 2,

где значения B_d и H_d принадлежат т. D, расположенной на кривой размагничивания (см. рис. 15.5, кривая 7).

(15.7) 515

При изменении величины воздушного зазора т. D будет переме­щаться на кривой размагничивания и будут изменяться значения B_d9 H_d и W_d. Если зазор между полюсами отсутствует, то B_d = В_п а W_d = 0, так как H_d = 0. Если зазор очень велик, то W_d 0, так как

B_d = 0, a H_d = H_c.

Таким образом, чем меньше длина магнита и больше воздушный зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и меньше B_d. При некоторых значениях В> _d и IT_d, равных наибольшим значениям (i?_max и #_тах), удельная магнитная энергия достигнет максимального значения W_w Дж/м³:

К = (BH)_mJ2.

Максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая в про­странство fV_M, 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 W_u в воздушном зазоре тем больше, чем больше остаточная индукция В_п коэрцитивная сила Н_с и коэффициент вы­пуклости кривой размагничивания материала у.

max ₍₁₅₈₎

2 В_ГН_С

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 В_г 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 Н_с 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 подразделяют на сле­дующие группы: 1) легированные стали, закаленные на мартенсит; 2) литые высококоэрцитивные сплавы; 3) металлокерамические и металлопластические магниты; 4) магнитотвердые ферриты; 5) спла­вы на основе редкоземельных элементов; 6) сплавы для магнитных носителей информации.

Легированные стали, закаленные на мартенсит

Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в ре­зультате максимального деформирования кристаллической решетки и создания тем самым большого количества внутренних напряже­ний, дислокаций и других дефектов путем легирования высокоугле­родистых сталей W, Мо, Сг или Со и последующей термической об­работки для создания мартенситной структуры (см. гл. 10.5.2). Эти стали обладают низкими магнитными свойствами, сравнительно дешевы и допускают механическую обработку на металлорежу­щих станках. Величина В_г у них не менее 0,8—1,0 Тл, Н_с не менее 7,16—12 кА/м, fV_M составляет 1—4 кДж/м³. Для получения гаранти­руемых магнитных свойств мартенситные стали подвергают термо­обработке, специфичной для каждой марки стали, и пятичасовой структурной стабилизации в кипящей воде. Применение мартенсит- ных сталей вследствие их низких магнитных свойств в настоящее время ограничено. Их используют только в наименее ответственных местах.

Литые высококоэрцитивные сплавы

К этому классу материалов относятся тройные сплавы системы Fe—Al—Ni (старое название альни). Высококоэрцитивное состояние этих сплавов достигается при концентрации никеля 20—33% и алю­миния 11—17%. Для улучшения магнитных и механических свойств, облегчения технологии изготовления изделий эти сплавы легируют кремнием, кобальтом, медью, ниобием или титаном. Легирование кобальтом существенно повышает коэрцитивную силу Н_с, индукцию насыщения B_s и коэффициент выпуклости кривой намагничивания у. Легирование медью повышает коэрцитивную силу и улучшает ме­ханические свойства, но снижает остаточную индукцию.

Сплавы этого класса приобретают наивысшую коэрцитивную силу и существенно улучшают свои магнитные характеристики после специальной термической обработки, при которой происходит дис­персионное твердение и образуются однодоменные столбчатые кри­сталлы. Процесс заключается в следующем. При медленном охлаж­дении сплава до определенной температуры твердый раствор распадается на две фазы. Одна фаза образует матрицу, близкую по своему составу к интерметаллическим соединениям Ni-Al и являю­щуюся слабомагнитной; другая распределена в фазе-матрице в виде очень мелких сильномагнитных, ориентированных в одном направ­лении столбчатых кристаллов, по составу близких к чистому железу. В столбчатых кристаллах из-за их очень малого диаметра (d ~ 200 А) образуется однодоменная структура.

Сплавы, содержащие более 15% кобальта, подвергают термомаг­нитной обработке. Для этого сплав охлаждают от высоких темпера­тур (1250—1300 °С) в сильном магнитном поле. В результате возни­кает магнитная текстура и сплав становится магнитоизотропным. Кобальтовые сплавы обладают лучшими магнитными свойствами, чем бескобальтовые.

Литые высококоэрцитивные сплавы являются основными про­мышленными материалами для изготовления постоянных магнитов. Их магнитные характеристики: В_г> 0,5—1,4 Тл, Н_с >36—110 кА/м, W_u> 3,6—32 кДж/м³. У монокристаллических образцов В_г> 0,7— 1,05 Тл, Н_с> 110-145 кА/м, W_M> 18-40 кДж/м³.

Маркировка этих сплавов содержит буквы Ю и Н, которые соот­ветственно означают алюминий и никель. Затем проставляются буквы легирующих элементов: Д — медь, К — кобальт, С — кремний, Т — титан, Б — ниобий. После буквы идет цифра, указывающая процент­ное содержание данного элемента. Буква А означает столбчатую кри­сталлическую структуру; АА — монокристаллическую структуру.

Сплавы альни с добавкой кремния раньше называли альниси, а сплав альни с кобальтом — алънико; если сплав альнико содержал кобальта 24% — магнико.

Недостатком сплавов системы Fe—Al—Ni является их высокая твердость и хрупкость, поэтому они механически могут обрабаты­ваться только шлифованием. Магнитные свойства этих сплавов су­щественно зависят от шихты, параметров процесса литья, режима термомагнитной обработки и др.

Металлокерамические и металлопластические магниты

В обоих случаях исходным сырьем является магнитный порошок, из которого получают детали, в том числе миниатюрные, достаточно точных размеров и не требующих дальнейшей механической обра­ботки. Высококоэрцитивное состояние этих магнитов достигается за счет еще большего измельчения исходного материала, чем у магни­тов из литых сплавов.

Металлокерамические магниты получают методом порошковой металлургии: из тонкодисперсных порошков сплавов системы Fe—Al—Ni, легированных Со, Si, Си и др., прессуют изделия требуе­мой формы и размеров и при высокой температуре спекают. Полу­ченные изделия содержат 3—5% по объему пор, которые уменьшают остаточную индукцию В_г и магнитную энергию W_u на 10—20% по сравнению с магнитами из литых сплавов, но практически не влия­ют на коэрцитивную силу Н_с. Механические свойства их лучше, чем у литых магнитов. Выпускаемые промышленностью металлокера­мические магниты имеют Н_с = 24—128 кА/м, В_г = 0,48—1,1 Тл, W_M = 3-16 кДж/м³.

Металлопластические магниты получают из тонкодисперсного порошка сплавов тех же систем, что и металлокерамические изделия, смешанного с порошком диэлектрика. Изделия получают методом прессования, аналогичным прессованию пластмасс. Из-за жесткого наполнителя необходимо высокое давление (до 500 МПа); темпера­тура полимеризации (сшивки) диэлектрика — до 180 °С. В образо­вавшемся изделии связующим (фазой-матрицей) является диэлек­трик, наполнителем (прерывистой фазой) — магнитный порошок. Механические свойства металлопластических магнитов лучше, чем у литых сплавов, но магнитные свойства хуже, так как содержат до 30% по объему неферромагнитную фазу из диэлектрика: В_г меньше на 35-50%, W_u - на 40-60%.

К металлопластическим магнитам можно отнести эластичные магниты, в которых наполнителем, как правило, является феррит бария, а связующим — резина. Изделия из них можно изготавливать самой разнообразной формы; их можно резать ножницами, штампо­вать, скручивать. Эластичные магниты («магнитная резина») на ос­нове феррита бария имеют следующие характеристики: В_г = 0,13 Тл, Н_с = 84 кА/м, W_u = 1,5 кДж/м³, р = 10⁴ Ом м.

Магнитотвердые ферриты

Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) — это ферримаг- нетики 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 Me0-flFe₂0₃, где Me — барий или стронций, п — 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 В_п однако ббльшая кристаллографическая анизотропия существенно увеличивает у них #_с, что, во-первых, позволяет полу­чать удовлетворительную Ж_м 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 указанным преимуществам магнитотвердые ферриты постепенно вытесняют магнитотвердые материалы других групп. Недостатком является ббльшая величина температурного ко­эффициента В_Т9 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 CoOFe₂0₃ 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 В_г в 3—4 раза меньше, чем у ферритов бария и стронция.

Пластически деформируемые сплавы

К этой группе материалов относятся сплавы систем Fe—Ni—Си (Fe 20%, Ni 20%, Си 60%), называемые кунифе, Co-Ni—Си (Со 45%, Ni 25%, Си 30%) - кунико, Fe-Co-Mo (Fe 72%, Со 12%, Мо 16%) — комоль, Fe—Со—V (Fe 37%, Со 52%, V 11%) — викаллой и др. Все эти сплавы до термической обработки обладают хорошими пла­стическими свойствами и могут подвергаться всем видам механиче­ской обработки. Благодаря мелкодисперсной структуре их магнит­ные свойства несколько лучше, чем у легированных мартенситных сталей. Сплавы приобретают магнитные свойства только после холодной деформации на 70—90% (прокатка, волочение) и после­дующей термообработки, после чего они приобретают магнитную анизотропию.

Из этих сплавов изготавливают ленты, листы, проволоку. Спла­вы поставляются в холоднодеформированном состоянии и термооб­работке (отжигу) подвергаются после изготовления из них магнитов. Пройдя термообработку, они становятся твердыми и хрупкими. Из сплавов изготавливают очень мелкие магнитные изделия сложной формы, высокопрочные ленты, проволоки и др. Магнитные свойства этих сплавов: В_г~ 0,9-1,25 Тл, Н_с > 12-55 кА/м, W_M - 3-19 кДж/м³. Основной их недостаток — высокая стоимость. В настоящее время эти сплавы заменяются другими, более качественными магнитотвер- дыми материалами, поэтому их выпуск ограничен.

Сплавы на основе редкоземельных элементов

Сплавы металлов группы железа с редкоземельными элементами образуют интерметаллические соединения, обладающие наивысши­ми магнитными свойствами, полученными в настоящее время. Они имеют очень высокие значения Н_с и W_M. Например, соединения типа RCo₅ (где R — редкоземельный элемент: самарий Sm, празеодим Рг, церий Се и др., а кобальт может быть частично замещен Си или Fe), имеют В_г = 0,77-0,90 Тл, Н_с до 800 кА/м, W_u = 55,0-72,5 кДж/м³ (лабораторные образцы имеют W_u до 128 кДж/м³), температуру Кюри 375—725 °С. Магниты из этих соединений должны быть защи­щены от окисления оболочками из металла или оксидных пленок. Перспективы использования этих сплавов велики. Основным их не­достатком являются низкие механические свойства (высокая хруп­кость) и высокая стоимость.

Материалы для магнитных носителей информации

Материалы этой группы должны иметь высокую остаточную ин­дукцию для повышения уровня считываемого сигнала. Коэрцитив­ная сила Н_с должна иметь оптимальное значение и коэффициент вы­пуклости кривой намагничивания у в сочетании с В_г тоже должен иметь высокое значение. Объясняется это тем, что при низких зна­чениях Н_с облегчается процесс стирания записи, но увеличивается эффект саморазмагничивания, что приводит к потере записанной информации, и наоборот. Опыт показал, что хорошие результаты дают материалы, у которых соотношение HJB_r> 8 кА/(м-Тл).

Для записи и воспроизведения информации используют метал­лические ленты (толщиной 0,005—0,01 мм) и проволоку (диаметром до 0,1 мм) из специальной нержавеющей стали (Н_с = 32 кА/м, В_г = 0,7 Тл) и викаллоя (Н_с = 36 кА/м, B_r = 1 Тл). Недостаток их — высокая стоимость и быстрый износ записывающих и воспроизводя­щих устройств.

В качестве магнитного носителя информации широко исполь­зуют магнитотвердые порошковые покрытия, нанесенные на раз­личные основания: металлические или пластмассовые ленты, ме­таллические диски и барабаны. В качестве магнитного порошка используют оксиды железа Fe₂0₃ и Fe₃0₄, имеющие соответственно светло-коричневый и черный цвета, магнитотвердые ферриты (фер­рит кобальта), сплавы типа альни (Fe—Ni—Al).

Магнитные свойства лент, дисков и других устройств существен­но зависят от размера частиц порошка, их ориентации и объемной плотности в рабочем слое. Размер частиц колеблется от долей мик­рометра до нескольких единиц микрометров. Наиболее широкое применение в качестве основы магнитных лент нашли ацетилцеллю- лозные или лавсановые ленты толщиной 20—50 мкм, на которые на­несен слой лака, содержащий магнитный порошок. Магнитные па­раметры пленки: Н_с = 6,4—20 кА/м и В_г = 0,8—0,4 Тл. Качество поверхности влияет на ее частотные показатели. Шумы при записи и воспроизведении являются следствием шероховатости поверхности, которая зависит от размера частиц порошка. При мелком помоле по­рошка шумы получаются незначительными. Поэтому для улучшения качества лент их рабочие поверхности полируют.

15.3. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

К этой группе относятся магнитомягкие материалы, имеющие узкие области применения. Объясняется это тем, что они обладают наивысшим значением одного, реже двух магнитных параметров. К числу таких магнитных материалов относятся: ферриты для СВЧ, ферриты с ППГ, термомагнитные и магнитострикционные мате­риалы, сплавы с постоянной магнитной проницаемостью в слабых полях и др.

Ферриты для сверхвысоких частот (СВЧ) характеризуются сле­дующими основными параметрами: намагниченностью насыщения M_s (M_s~ 87—382 кА/м), шириной кривой ферромагнитного резонан­са АН (АН~ 13—56 кА/м), действительной составляющей диэлектри­ческой проницаемости е' (е'«10—13,5), тангенсом угла диэлектриче­ских потерь tg5 (tg8~ 0,0005—0,0025), кажущейся плотностью d (d ~ 4,50—5,15 Мг/м³). Эти материалы должны иметь высокую одно­родность структуры и высокое удельное сопротивление (у поликри­сталлических р~10⁶—10^ю Ом м, у монокристаллических р~10^п— 10¹² Ом м) и представлять собой среду, прозрачную для электромаг­нитных волн в диапазоне от 1 м до нескольких миллиметров (от со­тен до десятков тысяч мегагерц). Взаимодействие электромагнитной волны с магнитными моментами атомов (ионов) СВЧ ферритов вы­зывает ряд эффектов, которые используют для управления потоком электромагнитной энергии в СВЧ-технике.

Для разных участков диапазона СВЧ к ферритам предъявляют различные требования. Поэтому для каждого диапазона частот (длин волн) существуют свои марки ферритов. Например, для длин волн 0,8—2 см применяют некоторые виды никель-цинковых ферритов. Для длин волн 5 см и более используют ферриты с низкой индукци­ей насыщения, что достигается заменой части ионов железа ионами хрома или алюминия. В настоящее время выпускают свыше 50 марок поликристаллических СВЧ-ферритов и несколько марок монокри­сталлических. Ферриты для СВЧ маркируют буквами СЧ, впереди которых стоит цифра, указывающая рабочий диапазон (длину волны в см).

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) разделяют на два вида: со спонтанной и с индуцированной прямоугольностью пет­ли гистерезиса. В первом случае ППГ обусловлена составом и усло­виями обжига; эти ферриты получили наиболее широкое примене­ние. Во втором случае ППГ образуется в результате термомагнитной обработки. Ферриты со спонтанной прямоугольностью петли гисте­резиса получают путем введения в их состав Na, Mg, Мп и др., что позволяет поднять коэффициент ППГ до 0,9. Введение в состав фер­рита ZnO и СаО повышает коэффициент ППГ до 0,94, при этом уве­личивается также индукция и снижается коэрцитивная сила. Ферри­ты с ППГ имеют марку ВТ (вычислительная техника), а цифра, стоящая перед буквами, характеризует величину коэрцитивной силы. Эти материалы распространены больше, чем металлические тонкие ленты, так как технология получения из них изделий более проста. Ферриты с ППГ применяют в разнообразных запоминающих и логи­ческих устройствах вычислительной техники, в устройствах автома­тики, в аппаратах телеграфной связи, в многоканальных импульсных системах радиосвязи.

Термомагнитными материалами называют материалы, обладающие сильной зависимостью магнитной индукции (точнее намагниченно­сти) от температуры вблизи точки Кюри в полях, близких к полю технического насыщения материала. Термомагнитные материалы применяют главным образом в качестве магнитных шунтов или до­бавочных сопротивлений. Будучи включенными в магнитные цепи, они позволяют осуществить компенсацию температурной погрешно­сти или обеспечить изменение магнитной индукции в воздушном за­зоре по заданному закону. Для этих ферромагнетиков точка Кюри лежит между 0 и 100 °С в зависимости от легирующих элементов. Сплав Ni—Си при содержании Си 30% компенсирует погрешность в интервале температур от 20 до 80 °С, а при содержании Си 40% — от -50 до +10 °С. Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe—Ni—Сг, преимуществом которых является полная обра­тимость свойств в температурном интервале от —70 до +70 °С и вы­сокая воспроизводимость характеристик, а также хорошая механиче­ская обрабатываемость.

Магнитострикционные материалы — это группа магнитных ма­териалов, техническое применение которых основано на использо­вании магнитострикционного эффекта, заключающегося в измене­нии геометрических размеров тела в магнитном поле. Их магнит­ные свойства характеризуют константой магнитострикции X_s (см. гл. 14.2.3), остаточной индукцией В_г и коэрцитивной силой Н_с. Ши­рокое применение в качестве магнитострикционного материала по­лучили чистый никель, сплавы системы никель-кобальт, наиболее известен из них сплав никоси (Со 3,5—4,5%, Si 1,3—2%, остальное Ni),сплавы системы железо—кобальт, называемые пермендюры, сплавы системы железо—алюминий, называемые альферы, никель- кобальтовые ферриты и др. Все эти материалы отличаются наивыс­шей намагниченностью насыщения M_s. Они нашли техническое применение в магнитострикционных вибраторах (генераторах) зву­ковых и ультразвуковых колебаний, а также в некоторых радиотех­нических устройствах (взамен кварца) для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах и т.д.

Сплавы с постоянной магнитной проницаемостью в слабых по­лях. К этим сплавам относится тройной сплав железо-никель-ко- бальт (Fe 25%, Ni 45% и Со 30%), называемый перминвар. У него щ = 300 и сохраняет постоянное значение до напряженности поля Н= 240 А/м и индукции В = 0,1 Тл. Его недостатки: чувствителен к изменению температуры и механических напряжений и недостаточ­ная стабильность магнитной проницаемости. Более высокой ста­бильностью магнитной проницаемости обладают сплавы, называе­мые изопермы, представляющие собой твердые растворы железа и никеля с медью или алюминием. У изопермов |х_н = 30—80, которая мало изменяется в магнитных полях до Н = 500 А/м. Однако у этих сплавов невысокое удельное сопротивление (р ~ 0,3 мкОм м), поэто­му потери на вихревые токи в них могут быть снижены до требуе­мых величин только при толщине листа порядка нескольких микро­метров.

Магнитные пленки. Для очень тонких пленок характерна однодо- менная 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 железоиттриевый гранат (гранат — это кристаллическая структура, образованная из кубических элементар­ных ячеек, которые состоят из восьми одинаковых октантов; ферро- гранат 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).

ЛИТЕРАТУРА

1. Бенинг П. Электрическая прочность изоляционных материалов и кон­струкций. — Л.: Госэнергоиздат, 1967. 120 с.

2. Берлин В.И., Костяев П.С., Шапкин К.Д. Материаловедение. — М.: Транспорт, 1979. 382 с.

3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.

4. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. — Л.: Ленинград, ун-тет, 1979. 240 с.

5. Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физика твердого тела. — М.: Высш. шк., 1971. 227 с.

6. Воробьев А.А., Воробьев ГА. Электрический пробой и разрушение твер­дых диэлектриков. — М.: Высш. шк., 1966. 222 с.

7. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков (область сильных полей). — Томск: Томск, ун-тет, 1971. 195 с.

8. Губкин А.Н. Физика диэлектриков. — М.: Высш. шк., 1971. 272 с.

9. Губкин АЛ. Электреты. - М.: Наука, 1978. 190 с.

10. Гулида Э.Н. Теория резания металлов, металлорежущие станки и ин­струменты. — Львов: Вища школа, 1976. 325 с.

11. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. — М.: Сов. радио, 1979. 350 с.

12. Желудев И.С. Электрические кристаллы. — М.: Наука, 1979. 198 с.

13. Калинин Н.Н., Скибинский ГЛ., Новиков П.П. Электрорадиоматериа- лы. — М.: Высш. шк., 1981. 290 с.

14. Койков С.Н. Физика диэлектриков. 4.1. — Л.: Ленинград, политехи, ин-тут, 1974. 200 с.

15. Колесов С.Н. Структурная электрофизика полимерных диэлектри­ков. — Ташкент: Узбекистан, 1975. 205 с.

16. Колесов С.Н, Колесов И.С. Электротехнические и конструкционные материлы. — Киев: Транспорт, 2003. 384 с.

17. Конструкционные и электротехнические материалы / Под ред. В.А. Филикова. — М.: Высш. шк., 1990. 293 с.

18. Курносое А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и инте­гральных микросхем. — М.: Высш. шк., 1980. 323 с.

19. Курс химии. 4.1. / Под ред. Г.А. Дмитриева, Г.П. Лучинского, В.И. Семишина. — М.: Высш. шк., 1971. 390 с.

20. Курс химии. 4.2. / Под ред. И.В. Кротова, К.А. Дулицкого. — М.: Высш. шк., 1971. 207 с.

21. Кучинский Г.С. 4астичные разряды в высоковольтных конструкци­ях. — Л.: Энергия, 1979. 220 с.

22. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. — М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

23. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. — М.: Наука, 1982. 615 с.

24. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1983. 360 с.

25. Материаловедение и технология конструкционных материалов / Под ред. Ю.П. Солнцева. - М.: МИСИС, 1996. 576 с.

26. Марихин В.А., Мясникова Л.П. Надмолекулярная структура полиме­ров. — JL: Химия, 1977. 236 с.

27. Мозберг Р.К. Материаловедение. — М.: Высш. шк., 1991. 448 с.

28. Окадзаки К. Пособие по электротехническим материалам. — М.: Энергия, 1979. 432 с.

29. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. — М.: Высш. шк., 1977. 448 с.

30. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. — М.: Высш. шк., 1980. 406 с.

31. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. — М.: Высш. шк., 1987. 479 с.

32. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элемен­ты. — М.: Высш. шк., 1986. 357 с.

33. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2 и 3. — М.: Наука, 1989. 352 с. и 462 с.

34. Сажин Б.И. Электропроводность полимеров. — JI.: Химия, 1965. 160 с.

35. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Ко- рицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. — М.: Энергоатомиздат (в 3-х т.) Т. 1, 1986. 355 с. Т. 2, 1987. 457 с. Т. 3, 1988. 716 с.

36. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. — М.: Химия, 1978. 544 с.

37. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. — М.: Энергоиз- дат, 1982. 318 с.

38. Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В. Разевига. — М.: Энер­гия, 1976. 488 с.

39. Техника высоких напряжений: теоретические и практические осно­вы применения / М. Бейер, В. Бёк, К. Мёллер, В. Цаенгль; пер. с нем. / Под ред. В.П. Ларионова. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 553 с.

40. Технология конструкционных материалов / Под ред. А.М. Дальско- го. — М.: Машиностроение, 1985. 442 с.

41. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. — М.: Хи­мия, 1985. 559 с.

42. Тугое Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые прибо­ры. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 576с.

43. Электрические свойства полимеров / Под ред. Б.И. Сажина. — JL: Химия, 1986. 224 с.

44. Электрорадиоматериалы / Под ред. Б.М. Тареева. — М.: Высш. шк., 1978. 336 с.

45. Chen С. Ku and Raimond Liepins. Electrical properties of polymers. Chemical principles. — Munich-Vienna-N.-Y., 1987. 199 p.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.................................................................................. 3

Дата добавления: 2015-08-09