Конструкционные электротехнические материалы

По структуре ситаллы занимают промежуточное место между стеклом и керамикой. Их структура состоит из зёрен кристаллической фазы, скреплённых стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы составляет (30-95) %. Пористость отсутствует. Ситаллы характеризуются исключительной мелкозернистостью, а по внешнему виду могут быть прозрачными и непрозрачными.

Структура ситаллов определяет их свойства. Ситаллы имеют высокую твёрдость, высокую прочность при сжатии и низкую при растяжении, обладают жаропрочностью до (900-1200) °С, жаростойкостью, износостойкостью. Они характеризуются высокой химической стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Ситаллы отличаются хрупкостью, однако меньшей, чем стекло. Применяются ситаллы для деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах, деталей радиоэлектроники, инструментов.

Электротехническая керамика - материал, получаемый в результате обжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. При соответствующем выборе состава керамики из неё можно получить материалы, обладающие разнообразными свойствами. В электротехнической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий. Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, бьльшую, чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению. Керамику можно подвергать металлизации обычно методом выжигания серебра и осуществлять герметичные спаи с металлом.

Техническая керамика используется в качестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Она обладает высокой прочностью при сжатии и низкой при растяжении. Главный недостаток керамики, как и стекла, - высокая хрупкость. Рассмотрим наиболее важные виды технической керамики.

Корундовая керамика на основе А1₂О₃ получила наибольшее распространение. Характеризуется температурой плавления 2050 С, плотностью 3,97 г/см³, высокой прочностью, теплостойкостью, химической стойкостью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Сырьем для получения чистого оксида алюминия являются бокситы, содержащие от 50 до 100 % А1₂О₃. Эта керамика широко применяется для изготовления инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературных печей, керамических подшипников, тиглей для плавки металлов, сопел, в приборостроении и электротехнике.

Керамика из оксида циркония ZrO₂ характеризуется низкой теплопроводностью, высокой прочностью, высокой температурой плавления 2677 С, плотностью 5,56 г/см³. Поэтому она используется для работы при высоких температурах до 2200 C. Из неё изготовляют тигли для плавки металлов, тепловую изоляцию печей и реакторов, теплозащитные покрытия на металлах, детали двигателей внутреннего сгорания. Недостатками этой керамики является низкая стойкость к резкой смене температур и высокая стоимость.

Керамика из оксида магния MgO имеет высокую температуру плавления - 2800 °С, плотность 3,58 г/см³, обладает стойкостью к действию основных шлаков различных металлов. Поэтому применяется для изготовления тиглей и футеровки печей. Недостаток оксида магния - летучесть при высоких температурах, низкая термическая стойкость.

Керамика из оксида бериллия ВеО характеризуется высокой теплопроводностью и термостойкостью, температурой плавления 2580 °С, плотностью 3,03 г/см³, низкой прочностью, хорошо рассеивает ионизирующее излучение и замедляет тепловые нейтроны. Поэтому используется в конструкции ядерных реакторов и для изготовления тиглей для плавки металлов. Недостатками этой керамики является высокая стоимость и токсичность.

Керамика из оксида урана UO₂ имеет высокую температуру плавления - 2760 °С, очень высокую плотность 10,96 г/см³, обладает радиоактивностью. Она применяется для тепловыделяющих элементов в ядерных энергетических установках.

Карбид кремния SiC (карборунд) обладает высокой твёрдостью, прочностью, химической стойкостью, жаростойкостью до 1800 °С, температурой плавления 2600 °С, плотностью 3,2 г/см³. Применяется в качестве абразивного материала, защитного покрытия графита, деталей двигателей внутреннего сгорания, нагревательных стержней.

Нитрид кремния Si₃N₄ характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, износостойкостью, жаростойкостью до 1800 С, плотностью 3,2 г/см³. Применяется для деталей двигателей внутреннего сгорания.

Бориды тугоплавких металлов (TiB₂, ZrB₂) характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, обладают металлическими свойствами, очень высокой температурой плавления. Их используют в качестве износостойких и защитных покрытий. ZrB₂ используют для изготовления термопар, работающих в среде расплавленных металлов. Предел прочности на сжатие (400 - 700) МПа, значительно меньший предел прочности при растяжении (45 - 70) МПа и изгибе (80 - 150 МПа). Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре позволяют использовать его при низких частотах; tgд электротехнического фарфора, однако, быстро растёт при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Электротехнический фарфор применяется для изготовления высоковольтных и низковольтных изоляторов различного типа.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, так как фарфор имеет сильную зависимость электрических характеристик от температуры из-за наличия большого количества полевошпатового стекла с повышенной электропроводностью.

Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgOSiO₂.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество новых керамических материалов, обладающих лучшими свойствами по сравнению с фарфором.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок характеризуется большим содержанием А1₂О₃ и является усовершенствованным радиофарфром. Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повышенную механическую прочность и теплопроводность.

Высокоглиноземистая керамика (алюминооксид) в основном состоит из оксида алюминия (глинозема) А1₂О₃. Этот материал требует весьма высокой температуры обжига (до 1750 °С), затрудняющей его изготовление. Он отличается хорошими характеристиками: нагревостойкостью до температуры 1600 °С и малым tgд при повышенных температурах, чрезвычайно высокой теплопроводностью и механической прочностью.

Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоретической для А1₂О₃), обладает оптической прозрачностью и применяется для изготовления колб некоторых специальных источников тока и подложек ИС.

Конденсаторная керамика имеет диэлектрическую проницаемость е = (10 - 230) или е = 900. В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам; tgд на частоте до 1,0 МГц не должен превышать 0,0006. Во втором случае - к керамике низкочастотной; на частоте 1000 Гц tgд = (0,002 - 0,025). К конденсаторной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.

Многие из конденсаторных материалов имеют в своем составе диоксид титана - рутил (ТiO₂). Эти материалы называют также тикондами. Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция. При высоких частотах у этих материалов температурная зависимость tgд выражена слабо, однако эти виды материалов характеризуются пониженной электрической прочностью (8 - 12) МВ/м.

При длительном воздействии постоянного напряжения тикондовая керамика подвергается электрохимическому старению. Из-за высокого отрицательного значения температурного коэффициента е эти материалы применяются для конденсаторов, к которым не предъявляются требования температурной стабильности ёмкости. Для повышения температурной стабильности в керамику вводят компоненты с положительным значением температурного коэффициента. Такие материалы часто называют термокомпенсированными. К этой группе относятся титано-циркониевая керамика TiO₂-ZrO₂; CaTiO₃-CaZrO₃; лантановая керамика LaAlO₃-СаТiO₃, станнатная и другие керамические материалы. Преимуществом безтитановой керамики является более высокая устойчивость к воздействию постоянного напряжения. В ряде случаев для изготовления конденсаторов применяют ультрафарфор, стеатит и другие виды установочной керамики. Основу низкочастотной керамики составляют титанат бария и твёрдые растворы на его основе. Эти материалы отличаются высокими значениями диэлектрической проницаемости и её нелинейной зависимостью от напряжённости электрического поля.

Активные диэлектрики. Диэлектрики, предназначенные для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий, относятся к группе активных диэлектриков.

К числу активных диэлектриков относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы:

- ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария (ВаТiO₃), титанат свинца (РbТiO₃), ниобат калия (KNbO₃), барий-натриевый ниобат (BaNaNb₅O_l5) и др.;

- дипульные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль, триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др.

Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной ёмкостью, материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств, для модуляции и преобразования лазерного излучения, в акусто- и пьезоэлектрических преобразователях.

Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используют для модуляции изменением электрического поля, прикладываемого к кристаллу, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Отметим, что все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом, однако обратное несправедливо.

В различных пьезопреобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая главным образом на основе твёрдых растворов цирконата-титаната свинца (сокращённо ЦТС).

К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, то есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приёмников лучистой энергии.

5. Магнитные материалы

Магнитными веществами, или магнетиками, называются вещества, обладающие магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определённый магнитный момент. Этот результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов m_i - атомов данного вещества

. (5.1)

Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориентацию.

5.1 Классификация магнитных материалов

Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.

Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создаёт магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным.Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.

Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.

Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:

- диамагнитные (диамагнетики),

- парамагнитные (парамагнетики),

- ферромагнитные (ферромагнетики),

- антиферромагнитные (антиферромагнетики),

- ферримагнитные (ферримагнетики),

- метамагнитные (метамагнетики).

5.1.1 Парамагнетики

Парамагнетизм - свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН « kТ, где Т - абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=чН, где ч - магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого ч < 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ? 293 К) составляет (10^-7 - 10^-4).

Парамагнетик - магнетик с преобладанием парамагнетизма и отсутствием магнитного атомного порядка. Парамагнетик намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, т.е. имеет положительную магнитную восприимчивость, которая в слабом поле при не очень низкой температуре (т.е. вдали от условий магнитного насыщения) не зависит от напряжённости поля. Поскольку свободная энергия парамагнетика понижается в магнитном поле, при наличии градиента поля он втягивается в область с более высоким значением напряжённости магнитного поля. Конкуренция диамагнетизма, появление дальнего магнитного порядка или сверхпроводимости ограничивают область существования вещества в парамагнитном состоянии.

5.1.2 Диамагнетики

Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным магнитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего магнитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентируется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля). Из неоднородного магнитного поля он выталкивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый одним молем диамагнитного вещества, пропорционален напряжённости внешнего поля H, т.е. I=чН. Коэффициент ч называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина ч мала (~10^-6), например для одного моля гелия ч = -1,9·10^-6.

Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li⁺, Be²⁺ , Al³⁺ , O^2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твёрдом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.). Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с ч_Д = - (1/4р) ? 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна.

5.1.3 Ферромагнетики

Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомных носителей магнетизма в веществе параллельны, и оно обладает самопроизвольной намагниченностью.

Параллельная ориентация магнитных моментов (рисунок 5.1) устанавливается при температурах Т ниже критической температуры Кюри и. Часто ферромагнетизм называется совокупностью физических свойств вещества в указанном выше состоянии. Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов, называются ферромагнетиками.

Рисунок 5.1 - Ферромагнитная (коллинеарная) атомная структура гранецентрированной кубической решётки. Ниже точки Кюри и стрелками обозначены направления атомных моментов; J_s - вектор суммарной намагниченности единиц объёма.

Магнитная восприимчивость ч ферромагнетиков положительна ( ч >0) и достигает значений 10⁴-10⁵; их намагниченность J и магнитная индукция В=H+4рJ (в СГС системе единиц или В=(H+J)/µ₀ в единицах СИ) растут с увеличением напряжённости магнитного поля H нелинейно (рисунок 5.2) и в полях до 100 Э (7,96·10³ А/м) достигают предельного значения J_s - магнитного насыщения и В_т. Значение J зависит от «магнитострикции предыстории» образца, что делает зависимость J от H неоднозначной (наблюдается магнитный гистерезис). При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма, т.е. наблюдается магнитострикция. Имеется и обратный эффект - кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внешних механических напряжений. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается магнитная анизотропия - различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям. В поликристаллах с хаотичным распределением ориентации кристаллических зёрен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при неоднородном распределении ориентации она может наблюдаться (текстура магнитная).

Рисунок 5.2 - Кривая безгистерезисного намагничивания (0B_m) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции В_т соответствует намагниченность насыщения J_s

Ферромагнетик - вещество, в котором ниже определённой температуры (Кюри точки) - устанавливается ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или магнитных моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Среди химических элементов ферромагнитные переходные элементы: Fе, Со и Ni и редкоземельные металлы Gd, Тb, Dу; Но, Ег, Тm.

Ферромагниты также многочисленны: металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами; сплавы и соединения Сг и Мn с неферромагнитными элементами (Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn₂ и Zr_xM_1-x (где М - это Тi, Y, Nb или Hf), Au₄V, Sc₃Ln и др., а также некоторые соединения группы актинидов, например, UH_3.

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Co в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях (металлические стекла), в аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах халькогенидов (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La_1-x Са_хМn0₅ (0,4>x>0,2), EuO, Eu₂SiO₄, EuS, EuSe, EuI₂, CrBr₃ и т.п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB₃ значение и ~ 100 К.

5.1.4 Антиферромагнетики

Антиферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества - атомов носителей магнетизма - ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно) и поэтому намагниченность тела в целом в отсутствии магнитного поля равна нулю. Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма, при котором одинаковая ориентация всех атомов магнитных моментов приводит к высокой намагниченности тела.

Антиферромагнетизм - упорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что средние магнитные моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены навстречу его собственному магнитному моменту. Для этого обменное взаимодействие должно быть отрицательным (при ферромагнетизме обменное взаимодействие положительно и все магнитные моменты направлены в одну сторону). В каждом антиферромагнетике устанавливается определённый порядок чередования магнитных моментов.

Антиферромагнетик - вещество, в котором установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов. Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры Т_N (точка Нееля) и остаётся антиферромагнетикам вплоть до T = 0 K. Из элементов к антиферромагнетикам относятся: твёрдый кислород (б-модификация при T < 24 К), хром - антиферромагнетик с геликоидальной структурой (T_N =310 К), б-марганец (T_N =100 К), а также ряд редкоземельных металлов (с T_N от 60 К у Tu до 230 К у Tb). В последних обычно наблюдаются сложные антиферромагнитные структуры в температурной области между T_N и некоторой температурой Т₁ (0 К<T₁< T_N); ниже Т₁ они становятся ферромагнетиками.

Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче.

Таблица 5.1 Свойства редкоземельных элементов - антиферомагнетиков

Элементы	T1·K	TN·K
Dy - диспрозий Ho - гольмий Er - эрбий Tm - тулий Tb - тербий	85 20 20 22 219	179 133 85 80 230

5.1.5 Ферримагнетики

Ферримагнетик - вещество, в котором при температуре ниже Кюри (точки Тс) существует ферримагнитное упорядочение магнитных моментов ионов. Значит, часть ферримагнетиков - это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но находящиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решётки). Среди них наиболее обширный класс хорошо изученных и широко используемых ферримагнетиков образуют ферриты (шпинели, гранаты и гексаферриты).

Другую группу диэлектрических ферритов образуют двойные фториды (типа RbNiF₃), в которых из шести магнитных подрешёток намагниченность четырёх направлена в одну сторону, а намагниченность двух других - в противоположную. Двойные фториды прозрачны в видимой области спектра. К ферромагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве - это вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов (R) и элементов группы железа (Me). Их магнитная структура состоит из двух магнитных подрешёток: атомов Me и R, соответственно. Интерметаллические соединения типа RFe₂ обладают рекордной магнитострикцией [~10^-3 в полях (10-15) кГс)] и могут быть использованы в качестве пьезоэлектрических преобразователей. Другой тип редкоземельных интерметаллидов имеет формулу, близкую к RMe₆. Эти соединения имеют большую энергию анизотропии и, значит, коэрцитивную силу. Из них изготавливают магниты постоянные с рекордной величиной BH_макс (~10⁷ Гс·Э).

5.1.6 Метамагнетики

Метамагнитными являются такие материалы, которые в слабых магнитных полях ведут себя как антиферромагнитные, а в сильных магнитных полях - как ферромагнитные, или наоборот. Антиферромагнитными в слабых полях являются MnAs₂, диспрозий Dy и эрбий Er. Ферромагнитными MnAs, MnBi, гольмий Ho и тербий Tb.

5.1.7 Деление магнитных материалов на группы

Среди существующих в настоящее время веществ можно выделить большую группу магнитных материалов, которые используются в технике с учетом их магнитных свойств.

Общепринятым является разбиение магнитных материалов на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специализированного назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

Характерными свойствами магнитомягких материалов являются высокая магнитная проницаемость и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) должны обладать возможно большим произведением (ВН), которое тем больше, чем больше остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с . Поскольку для различных материалов В_r изменяется значительно меньше, чем Н_с , разделять магнитомягкие и магнитотвердые материалы следует по значению коэрцитивной силы. Граница этого раздела является в значительной мере условной. Так, материалы, обладающие коэрцитивной силой Н_с =0,4 ... 4000 А/м, относятся к магнитомягким, а материалы, у которых Н_с > 4000 А/м , - к магнитотвёрдым.

Магнитомягкие материалы предназначены прежде всего для работы в переменных магнитных полях или в динамических режимах, магнитотвердые материалы - для работы в статическом режиме.

По типу химических связей магнитные материалы делят на металлические и неметаллические. Металлические материалы на порошковые и монолитные. Неметаллические материалы (ферриты) на простые, в молекулах которых кроме Fe₂O₃ содержится только один оксид металлического элемента; смешанные, в которых оксидов больше.

Магнитные материалы можно классифицировать и по их кристаллической структуре. Такое разделение используется у ферритов. Различают ферриты с кубической, гексагональной и гранатовой структурами.

Часто материалы делят на группы в соответствии с их применением. Так, различают материалы магнитострикционные, материалы для запоминающих устройств (с прямоугольной петлей гистерезиса), материалы для температурной компенсации магнитных цепей и т.п.

Иногда самостоятельные группы образуют материалы с определенными типичными свойствами, например, материалы с высокой магнитной индукцией насыщения, материалы с постоянной магнитной проницаемостью и т.п.

В число магнитных материалов включают, как особый тип материалов, немагнитные стали.

5.2 Основные характеристики магнитных материалов

Для характеристики намагничивания вещества вводят величины: В - магнитная индукция (Тл), Н - напряжённость магнитного поля (А/м), М - намагниченность (А/м), ч - магнитная восприимчивость, м - магнитная проницаемость (Гн/м), Ф - магнитный поток (Вб).

Магнитная индукция В - векторная величина, которая характеризует интенсивность магнитного поля и определяет силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Численное значение магнитной индукции может быть определено из выражения

, (5.2)

где F -сила, действующая на проводник с током, находящимся в магнитном поле, Н; I - сила тока, А; l - длина проводника, м; б - угол между проводником и направлением магнитных силовых линий поля

. (5.3)

При перпендикулярном расположении проводника к магнитным линиям равномерного магнитного поля sinб = l.

Следовательно, если на проводник с током 1 А, длиной 1 м, расположенный в равномерном магнитном поле перпендикулярно к магнитным линиям, действует сила в 1 Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл.

Значение магнитной индукции зависит от строения и состояния вещества, от свойств среды, в которой возникло магнитное поле.

Электрический ток в проводе и его магнитное поле представляют собой неотделимые друг от друга стороны единого электромагнитного процесса, однако принято говорить, что электрический ток обладает свойством возбуждать магнитное поле. Это свойство тока характеризуют намагничивающей силой или, что то же самое, магнитодвижущей силой (МДС), которую обозначают F_м.

Если ток проходит по контуру или по катушке с числом витков щ, то магнитодвижущая сила равна произведению силы тока и числа витков, т.е. F_м = Iщ. Величина F_м измеряется в ампер-витках (А·в).

Магнитодвижущая сила в симметричных полях равномерно распределяется вдоль магнитной линии. Доля МДС, приходящаяся на единицу длины магнитной линии, называется напряжённостью магнитного поля Н и является одним из параметров поля.

Напряжённость магнитного поля в заданной точке зависит от силы тока, формы проводника и в однородной среде не зависит от свойств среды (вещества). Напряжённость поля является векторной величиной. Направление вектора напряженности в изотропных средах, т. е. в средах с одинаковыми во всех направлениях магнитными свойствами, совпадает с направлением магнитной линии в данной точке. Напряженность магнитного поля определяется формулой

(5.4)

где l - средняя длина магнитной линии (средняя длина магнитопровода), м.

Намагниченность вещества связана с напряженностью магнитного поля соотношением

М = ч H, (5.5)

где ч - магнитная восприимчивость - величина, характеризующая свойства вещества намагничиваться в магнитном поле.

Из формулы (5.5) следует, что

. (5.6)

Намагниченность, как и напряжённость магнитного поля, является векторной величиной, характеризующей магнитное состояние вещества.

Отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля называется абсолютной магнитной проницаемостью м_a

. (5.7)

Сравнивая магнитное поле в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды (материала) поле получается более интенсивным (парамагнитные материалы), чем в вакууме, или, наоборот, менее интенсивными (диамагнитные материалы).

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной м₀. В системе СИ м₀ = 4р 10^-7 Гн/м.

Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов (сред) сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью м (или относительной магнитной проницаемостью)

. (5.8)

Относительная магнитная проницаемость - отвлечённое число. Для диамагнитных материалов и сред м < 1. Для парамагнитных веществ м ? 1(например, для воздуха м=1). В технических расчётах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице.

У ферромагнитных материалов, играющих исключительно важную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от вида материала, температуры, индукции и напряжённости магнитного поля.

Магнитный поток Ф можно представить (если условиться изображать его графически) общим числом магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. В частности, под магнитным потоком Ф, проходящим через площадь S, перпендикулярную к магнитным линиям, понимают произведение магнитной индукции В на площадь, которая пронизывается этим потоком

Ф = BS. (5.9)

Подставив в эту формулу значение магнитной индукции в теслах и значение площади в квадратных метрах, получим магнитный поток в веберах.

Важным показателем свойств является точка (температура) Кюри, при нагреве до которой магнитные материалы переходят в парамагнитное состояние.

Магнитное насыщение характеризуется индукцией насыщения В_S. Часто она определяется как значение магнитной индукции, после которой при увеличении напряжённости поля в два раза прирост индукции не более 5 %.

Остаточная индукция B_r - это магнитная индукция при нулевой напряжённости магнитного поля после предшествующего намагничивания до индукции насыщения.

Коэрцитивная сила по магнитной индукции Н_C - это напряжённость магнитного поля, которая необходима, чтобы после предшествующего намагничивания до насыщения магнитная индукция упала до нуля.

Остаточная индукция и коэрцитивная сила определяются по предельной петле гистерезиса. Эти показатели свойств указываются как для магнитомягких, так и для магнитотвёрдых материалов. Кроме них для определённых групп материалов приводят другие показатели свойств, которые характеризуют возможности их использования в определённом рабочем режиме.

Кроме того, разумеется, важны и такие показатели свойств, как плотность, температура плавления и т. п.

У магнитных материалов специального назначения к основным показателям свойств могут быть отнесены и некоторые специальные показатели, например коэффициент магнитострикции - у магнитострикционных материалов, или коэффициент прямоугольности петли гистерезиса - у материалов для магнитных запоминающих устройств. У материалов, предназначенных для постоянных магнитов, главным показателем свойств является произведение (ВН)max, т.е. максимальное значение произведения магнитной индукции и напряжённости магнитного поля на кривой размагничивания образца материала. Это произведение равно удвоенному значению максимальной удельной магнитной энергии материала. От этого показателя зависит объём магнита, необходимого для создания магнитного поля в заданном воздушном зазоре. Чем больше это произведение, тем меньше объём, а следовательно, и масса магнита.

Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то при увеличении напряжённости внешнего поля H можно наблюдать возрастание магнитной индукции В (рисунок 5.3), которое обусловлено двумя основными процессами: смещением доме?нных границ и поворотом магнитных моментов доме?нов.



Рисунок 5.3 - Возрастание магнитной индукции с ростом напряжённости магнитного поля

В качестве исходного примем размагниченное состояние ферромагнетика. Этому состоянию соответствует ориентация cпинов в доменах, показанная на рисунке 5.4, а при увеличении напряжённости поля увеличивается объём тех доме?нов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля (рисунок 5.4,б), при этом магнитная восприимчивость не изменяется, а магнитная индукция возрастает пропорционально напряжённости поля (участок 1 на рисунке 5.3). После снятия поля доме?нные границы возвращаются в исходное положение.

В области более сильных полей смещение доме?нных границ носит необратимый характер (рисунок 5.4, в). На участке необратимого смещения границ кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну (участок 2 на рисунке 5.3).

Рисунок 5.4 - Разные случаи ориентации спинов в домйнах

По мере дальнейшего увеличения напряжённости поля начинает работать второй механизм намагничивания - происходит поворот магнитных моментов доме?нов в направлении поля (участок 3 на рисунке 5.3). Когда все магнитные моменты доме?нов оказываются сориентированными вдоль поля (рисунок 5.4, г), наступает техническое насыщение намагниченности (участок 4 на рисунке 5.3). Некоторое увеличение индукции на участке насыщения вызвано произведением в уравнении (5.12) и увеличением намагниченности самого доме?на.

Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения уменьшать напряжённость внешнего поля Н, то индукция уменьшится, однако она будет больше, чем при начальном намагничивании. На рисунке 5.5 представлены зависимости B = f (H) при увеличении и уменьшении напряжённости поля; они не тождественны вследствие явления гистерезиса. При уменьшении Н до нуля в образце остаётся остаточная индукция В_r. Для того чтобы уменьшить индукцию до нуля, необходимо изменить направление поля на противоположное, после чего увеличивать напряжённость поля до величины H_с , называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Если после этого продолжать увеличивать напряжённость поля, то ферромагнетик намагнитится до насыщения B_S. Изменяя циклически напряжённость поля H, можно получить петлю гистерезиса.

Экспериментально установлено, что в монокристаллах ферромагнетиков существуют направления лёгкого и трудного намагничивания. Это явление называется магнитной анизотропией. Так, например, у железа, имеющего структуру объёмноцентрированного куба, направления легкого намагничивания совпадают с рёбрами куба. Направления трудного намагничивания совпадают с диагоналями куба. Направления среднего намагничивания совпадают с диагоналями граней куба. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, наоборот, ось легкого намагничивания совпадает с диагональю куба, а ось трудного намагничивания - с ребром куба.



Рисунок 5.5 - Петля гистерезиса при намагничивании и размагничивании ферромагнетика

При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их размеров и формы. Такое явление называется магнитострикцией. Магнитострикцию оценивают значением относительной деформации материала в направлении магнитного поля

(5.14)

Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, то есть размеры образца в направлении поля при намагничивании могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Так, например, для монокристалла железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба - увеличиваются.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обусловлены необратимым смещением границ доме?нов; они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь, расходуемых на гистерезис, определяется

, (5.15)

где з - коэффициент, зависящий от свойств материала; B_max - максимальная индукция в течение цикла перемагничивания; п = 1,6-2,0 - показатель степени, зависящий от B_max; f - частота; V - объём образца.

Помимо потерь на гистерезис перемагничивание магнитного материала сопровождается динамическими потерями, обусловленными вихревыми токами, которые магнитный поток индуцирует в магнитном материале. Эти токи возникают в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Мощность потерь на вихревые токи определяется формулой

, (5.16)

где о - коэффициент, зависящий от удельной проводимости, формы и размеров поперечного сечения материала.

Для работы в переменных магнитных полях используют материалы с узкой петлёй гистерезиса, т. е. с очень малой коэрцитивной силой. Например, коэрцитивная сила высоконикелевых легированных пермаллоев лежит в пределах 1-5 А/м. Для уменьшения потерь, кроме того, применяют специальные меры. Так, для уменьшения потерь на вихревые токи стараются повысить удельное электрическое сопротивление магнитных материалов. В электротехнических сталях повышение электрического сопротивления достигается легированием кремнием. Применение в магнитопроводах тонких листов ферромагнитных материалов, изолированных друг от друга лаком или окалиной, уменьшает потери на вихревые токи. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты электроизоляционной связкой.

Применяющиеся в электротехнике магнитные материалы обычно разделяют на магнитомягкие, магнитотвёрдые и материалы с особыми свойствами.

5.3 Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы по назначению можно разделить на две группы: материалы для работы при сильных токах (машино- и аппаратостроение) и материалы для работы в слабых токах (приборостроение, автоматика, проводная связь, радио). К первой группе относятся технически чистое железо и электротехническая сталь, ко второй - сплавы железа с кобальтом (пермендюр), железа с никелем (пермаллой) и железа с аллюминием и кремнием (альсифер), магнитомягкие ферриты, а также сплавы и ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса.

Магнитомягкие материалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу Н_С (менее 400 А/м), большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.

5.3.1 Технически чистое железо и электротехнические стали

Наименование «железо» условно дано низкоуглеродистой стали, получаемой с помощью электролитического, карбонильного процессов или методом прямого восстановления чистых руд.

Карбонильное железо получают при термическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)₅ в виде порошка с небольшими примесями кремния, марганца, серы и содержанием углерода до 1,2 %, азота до 1 % и кислорода до 1,2 %. Используется оно для изготовления магнитодиэлектриков.

При использовании карбонильного железа в качестве сырья для изготовления магнитомягких материалов его рафинируют в токе водорода и поставляют в виде кусков произвольной формы или гранул.

Железо электролитическое изготовляется методом электролитического рафинирования в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (марки ПЖЭ-1 и ПЖЭ-2) или кусков (марка ЖЭ-МП). Средняя удельная теплоёмкость возрастает с увеличением температуры. Коэффициент теплопроводности уменьшается при увеличении содержания примесей и при повышении температуры. Температурный коэффициент линейного расширения возрастает при увеличении температуры. Содержание примесей в стали менее 0,3 % не оказывает существенного влияния на её линейное расширение. Удельное сопротивление возрастает при увеличении содержания любого элемента, и в наибольшей степени при увеличении содержания кремния и алюминия.

Железо чистое марок 005ЖР и 008ЖР получают из продуктов прямого восстановления руд и поставляют в виде прутков различного размера.

Все эти материалы предназначены либо для получения изделий методами порошковой металлургии, либо в качестве шихтового материала при выплавке специальных сталей и сплавов, в том числе и магнитомягких.

Высокая стоимость электролитического и карбонильного железа ограничивает широкое применение этих материалов.

Физико-механические свойства технически чистого железа зависят от содержания в нем примесей, и особенно углерода.

Из электротехнических сталей изготовляют магнитопроводы всех видов и самых сложных форм детали: реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей переменного и постоянного тока малой и средней мощности и т. д.

В обозначении марок стали цифры означают:

- первая - класс по виду обработки давлением (1 - горячекатаная и кованая, 2 - холоднокатаная и калиброванная);

- вторая - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная с содержанием кремния до 0,3 %, 1 - то же, но с заданным коэффициентом старения);

- третья - группу по основной нормируемой характеристике (8 - коэрцитивная сила);

- четвёртая и пятая - значение коэрцитивной силы в амперах на метр;

- сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая марок 1561, 1562, 1571 и 1572 с содержанием кремния около 4 %;

- сталь электротехническая холоднокатаная тонколистовая марок 3471 и 3472 с содержанием кремния около 3 %.

Широко используются сплавы железа с кремнием. Легирование кремнием вызывает: 1) уменьшение магнитной анизотропии и магнитострикции и, следовательно, уменьшение коэрцитивной силы; 2) увеличение удельного сопротивления и снижение потерь на вихревые токи; 3) некоторое снижение индукции насыщения; 5) возрастание индукции в слабых и средних полях вследствие большей магнитной мягкости материала. Еще более высокие значения индукции получают в текстурованных электротехнических сталях, в которых путём специальной технологии удается ориентировать оси легкого намагничивания (ребра куба) большинства зёрен в направлении прокатки листа. Такая текстура называется ребровой. При этом материал становится магнитоанизотропным, приобретая улучшенные свойства в направлении прокатки.

...