К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако магнитные моменты ионов не полностью компенсируются, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру. Ферримагнетики наряду с ферромагнетиками относятся к сильномагнитным материалам.

4.2 Процессы технического намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов

В ферромагнитных материалах реализуется такая доменная структура, для которой полная свободная энергия системы является минимальной. Полная свободная энергия состоит из следующих основных видов энергий: магнитостатической, магнитной анизотропии, магнитострикции, обменной. Минимум магнитостатической энергии, связанной с полями рассеивания или с возникновением полюсов на концах магнита, имеет место в том случае, когда магнитный поток замкнут внутри материала. Однодоменное состояние является невыгодным, так как приводит к возникновению магнитных полюсов, которые создают внешнее поле (поле рассеивания) Магнитостатическая энергия уменьшается, если тело состоит из нескольких доменов, и становится равной нулю при образовании замыкающих доменов (рис.18: 1 - замыкающие домены; 2 - основные домены), магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.

Рис.18

Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов от 10-2 до 10-5 см. Толщина доменной границы составляет несколько сотен нанометров.

При действии внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности поля. Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего магнитного поля называют основной кривой намагничивания (рис.19).

Основную кривую намагничивания можно разделить на несколько учатков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания для ферромагнетиков. В области слабых полей (область I) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном из-за обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.

Рис.19

Кривая намагничивания в области II характеризуется тем, что происходит неупругое смещение границ доменов, т.е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (область III) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению (конец области III). Последний участок кривой (областьIV) соответствует слабому росту индукции с увеличением напряженности поля. В этом случае увеличение индукции происходит благодаря росту намагниченности домена, т.е. ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направление которых не совпадает с направлением внешнего поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения.

Используя основную кривую намагничивания можно определить различные виды магнитной проницаемости (рис.20).



Рис.20

Различают абсолютную магнитную проницаемость ма = В/Н, относительную

м = В/м0Н, начальную мrн, максимальную мmax магнитную пронициемость. Начальная и максимальная магнитные проницаемости определяются как тангенсы угла наклона касательной к основной кривой намагничивания на участках I и III.

Зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля представлена на рис.21.

Рис.21

Начальная магнитная проницаемость материала возрастает с увеличением температуры и при температуре Кюри имеет максимум.

Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от напряженности магнитного поля (рис.22).



Рис.22

При уменьшении Н до нуля в образце имеется остаточная индукция Br. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае Нс называется коэрцитивной (задерживающей) силой. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением коэрцитивной силы и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвердые (с большой коэрцитивной силой и относительно небольшой магнитной проницаемостью). Значение индукции насыщения принято определять в поле Нs равным 5Нс. Кривая изменения индукции при изменении напряженности магнитного поля от +Нs до -Hs и обратно называется предельной петлей гистерезиса, по ней определяют коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Вs, остаточную индукцию Br.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна. Кристалл железа в направлении (100) ребра куба намагничивается до насыщения при значительно меньшей напряженности магнитного поля по сравнению с направлением (111) диагонали куба. Удельная энергия, которую необходимо затратить на перемагничивание из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания называется константой кристаллографической магнитной анизотропии - К.

В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Намагничивание в полях напряженностью меньше НS называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью - истинным намагничиванием, или парапроцессом.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание.

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н НS) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (Н НS) - объемный.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется. В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов), и вызывает большие магнитострикционные явления.

При техническом намагничивании ( Н НS ) размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину = ± l / l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Величина и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях Н НS увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции парапроцесса S. Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин (сплавы железо - никель). Явление магнитострикции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магнитострикционных приборов.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала. Потери в магнитном поле характеризуются удельными магнитными потерями Руд или тангенсом угла магнитных потерь tgдm.

По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля. Мощность потерь, расходуемая на гистерезис: ,

где з - коэффициент, зависящий от свойств материала; Вmax - максимальная индукция в течение цикла, Тл; n =1,6…2,0 - показатель степени, значение которого зависит от В; f - частота; v - объем образца, см3.

Динамические потери, которые учитывают в слабых магнитных полях, обусловлены вихревыми токами, а также отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, и сильно зависят от электрического сопротивления материала (с увеличением сопротивления потери уменьшаются). Мощность потерь на вихревые токи:

где о - коэффициент, зависящий от типа магнитного материала и его формы.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики МS, НS , S, К и температура Кюри зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики , НС, Вr, НS зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение НS) химически чистые ферромагнитные материалы и однофазные сплавы на их основе. Количество дефектов должно быть минимальным (например границы кристаллов), что обеспечивается крупнокристаллической структурой. Если размер кристалла ферромагнетика приближается к размерам доменов, то петля гистерезиса принимает прямоугольную форму. Нежелательны остаточные напряжения, применяется термическая обработка - отжиг.

4.3 Магнитомягкие материалы

Намагничиваются в слабых полях (Н 5 104 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (Н 88 мГн/м и мах 300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание. Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, листов статоров и роторов электрических машин.

По величине потерь на перемагничивание определяются допустимые рабочие частоты магнито-мягких материалов и они подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные в свою очередь подразделяются на низкочастотные с высокой индукцией насыщения ВS и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью (начальной и максимальной).

Материалы с высокой индукцией насыщения: железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Их применяют для магнитных полей напряженностью от 102 до 104 А/м. Наиболее чистое от углерода и примесей - карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Fе(СО)5 - карбонила, с последующим спеканием порошка железа. Электролитическое железо и карбонильное - дорогие и используются только в небольших изделиях. Техническое железо содержит больше примесей, получают его прокатом, а затем отжигают в вакууме или в среде водорода.

Стали нелегированные электротехнические имеют низкое удельное электрическое сопротивление и большие тепловые потери при перемагничивании. Электрическое сопротивление электротехнических сталей повышают легированием кремнием, предельное содержание кремния не выше 5,1%, так как при его большем содержании стали становятся более хрупкими и непригодны для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, с последующим отжигом в среде водорода, снимающего остаточные напряжения и способствующего укрупнению зерна. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (сталь приобретает текстуру).

Наибольшее значение магнитной индукции насыщения имеют высоколегированные кобальтовые сплавы (железо - кобальт - ванадий), например, сплав 50КФ2 обладает индукцией насыщения 2,3 Тл в магнитном поле напряженностью 8 кА/м; железо - 1,5 Тл.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (меньше 100 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью - пермаллои. Это железо - никелевые сплавы и характеризуются тем, что значения магнитной анизотропии и магнитострикции равны нулю; это является причиной особенно легкого намагничивания пермаллоев. В пермаллоях содержание никеля от 45 до 80% , н больше 80 мГн/м; мах больше 300 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях; повышенное удельное электрическое сопротивление (по сравнению с чистыми металлами) позволяет их использовать при частотах до 25 кГц; малая Нс, меньше 16 А/м, уменьшает потери на гистерезис. Пермаллои отличаются хорошей пластичностью - прокатываются в тонкие листы и проволоку. Магнитные свойства сильно зависят от деформации - магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает, поэтому обязательна термическая обработка. Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (большая остаточная индукция, близкая к индукции насыщения). Существует два способа создания материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается холодной пластической деформацией при прокатке с высокими степенями обжатия. Магнитная текстура создается в результате охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка), при этом векторы напряженности ориентируются вдоль поля и при последующем намагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, уменьшает чувствительность к механическим напряжениеям и снижает индукцию насыщения. Недостатками пермаллоев является их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

Альсиферы - тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа. Альсиферы дешевле пермаллоев, но обладают высокая твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсиферов изготавливают методами литья или прессования из порощков.

Магнитные сплавы с особыми свойствами. В ряде случаев требуются материалы с повышенным постоянством магнитной проницаемости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свойствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнитным потоком, в частности в некоторых дросселях, трансформаторах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборов и др. Магнитная проницаемость может быть обусловлена обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость постоянна при обратимых процессах намагничивания, следовательно, такие материалы должны обладать обратимой проницаемостью в различных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемости обладают материалы на основе Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co сплавов. Тройной сплав (25% Со, 45% Ni, остальное - Fe) называют перминваром. Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остается постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Для различных типов сердечников, полюсов электромагнитов, работающих в магнитных полях с напряженностью 24000 А/м и выше, необходимы материалы с особо высокой индукцией насыщения. Такими свойствами обладает Fe-Co - сплав пермендюр, который состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (остальное - железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл). К числу недостатков пермендюра относится малое удельное электрическое сопротивление, которое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность свойств магнитных цепей с постоянным магнитом. С увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре основного магнита снижается. Это изменение компенсируется возрастанием магнитного сопротивления шунта. Термомагнитный материал шунта должен иметь магнитную проницаемость, которая сильно зависит от температуры в рабочем диапазоне от -70 до +80 °С, и точку Кюри, близкую к рабочей температуре установки. В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый - кальмаллой, железо-никелевый - термаллой, железо-никель-хромовый - компенсатор.

Аморфные магнитные материалы (АММ). Особенностью АММ является отсутствие в них дальнего порядка в расположении атомов. Однако, несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных моментов. АММ во многом подобны стеклам и металлическим расплавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществиться.

Аморфная структура получается при скорости охлаждения расплава до 105... 108 K/c, в изделиях в виде проволоки или ленты.

Для повышения характеристик термическую обработку АММ проводят во внешнем магнитном поле, что обеспечивает более высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления. Производство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Металлические магнитомягкие АММ состоят из 75...85% смеси (или одного) из металлов - железа, кобальта, никеля и 15... 25% неметаллов (легкоплавкого компонента-стеклообразующего). Перспективными высокопроницаемыми материалами являются аморфные сплавы железа и никеля и кобальта. Для улучшения отдельных свойств АММ дополнительно легируют хромом, молибденом, алюминием, марганцем, ванадием и др. Неметаллы ухудшают магнитные и температурные параметры АММ, но увеличивают удельное электрическое сопротивление.

Аморфные магнитные материалы используются в технике магнитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразователях постоянного напряжения на частотах до нескольких мегагерц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с высокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД.

Магнитодиэлектрики. Эти материалы состоят из конгломерата мелкодисперсных частиц ферро- или ферримагнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком - связующим элементом. Благодаря тому, что частицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечивается жидким стеклом, различными смолами, например полистиролом, фенолформальдегидной смолой.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя.

Высокочастотные, при высоких частотах растут тепловые потери, что сопровождается ухудшением магнитных свойств, уменьшением магнитной проницаемости. Эффективный способ снижения тепловых потерь - применение материалов с высоким электрическим сопротивление - диэлектриков. К таким материалам относятся - ферриты.

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 103... 1013 раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe2O3, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мп2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Mg2+ и др. Кристаллическая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала - благородной шпинели MgAl2O4, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку.

Удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 1012 Ом/м. Относительная магнитная проницаемость изменяется в диапазоне - от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения - меньше 0,4 Тл; относительно большая коэрцитивная сила - до 180 А/м; невысокая температура точки Кюри; большая чувствительность к остаточным напряжениям; обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, трудны в обработке.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) применяются в устройствах автоматического управления и вычислительной техники. Важным показателем является коэффмцмент прямоугольности kпу, который определяется отношением остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

kпу = Br / Bmax . В качестве ферритов с ППГ используются магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели, легированные ионами цинка, кальция, меди, натрия. Коэффициент прямоугольности для них - kпу = 0,9…0,94; остаточная индукция Br Br = 0,15…0,25 Тл, температура Кюри Тк = 110…2500С (для магниевых ферритов),Тк = 550…6300С (для литиевых ферритов).

Ферриты, применяемые для устройств, работающих на высоких частотах имеют сложный состав из четырех и более оксидов: оксида лития, бария. Ферриты -гранаты имеют кристаллическую решетку минерала граната, их формула 3Ме2О3 5Fе2О3 , в качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ), применение находят поли- и монокристаллы. Поликристаллические ферриты-гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния, самария. Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготавливают из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формуле R FeO3, R - редкоземельный металл (иттрий, гадолиний, самарий), они имеют орторомбическую кристаллическую структуру. У них обнаружена специфическая доменная структура - цилиндрические магнитные домены, которые при намагничивании образуют лабиринтовую структуру доменов с высокой подвижностью, что повышает скорость обращения информации в запоминающих устройствах.

4.4 Магнито-твердые материалы

Используют для изготовления постоянных магнитов - источников постоянных магнитных полей. Они намагничиваются в сильных полях Н больше 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию 0,5 - 1 Тл и коэрцитивную силу до 560 кА/м.

Постоянные магниты имеют рабочий зазор; следовательно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Hd , снижающее индукцию внутри магнита до Bd, котрая меньше остаточной индукции Br . На рис.23 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов.

Рис.23

Удельная магнитная энергия (Дж/м3) поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита: . Индукция разомкнутого магнита Bd уменьшается c увеличением зазора. При замкнутом магните Bd = Br - магнитная энергия равна нулю, так как Нd = 0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равнв коэрцитивной силе материала Нс , а Bd = 0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия Wd = 0. При некоторых значениях Bd и Нd энергия достигает максимального значения: Величина Wmax является важнейшей характеристикой магнитотвердого материала.

Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости: Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция Br , коэрцитивная сила Нс и коэффициент выпуклости г.

Свойства магнитотвердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами, вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность ограничивает применение магнитотвердых материалов с неравновесной структурой.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на литые высокоэрцитивные сплавы, металлокерамические материалы, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных элементов.

Литые высококоэрцитивные сплавы. Наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе железо-никель-алюминиевых и железо-никель-кобальт-алюминиевых сплавов, легированных различными добавками.

Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливается механизмом дисперсионного твердения (иногда такие сплавы называются сплавами дисперсионного твердения). При высоких температурах (1200... 1300°С) растворимость элементов не ограничена, и сплавы Fe-Ni-Al находятся в однородном состоянии (б-фаза). При медленном охлаждении до определенной температуры происходит дисперсионный распад равновесной фазы на две (б1 и б2) фазы, причем б1-фаза, по своему составу близкая к чистому железу, является сильномагнитной, фаза б2 состоит из Ni-Al и является слабомагнитной. Таким образом, сильномагнитная фаза б1 в виде однодоменных включений распределена в немагнитной фазе б2. Материалы, имеющие такую структуру, обладают большим значением коэрцитивной силы.

Высококоэрцитивное состояние сплавов Fe-Ni-Al получается при концентрации 20... 33% никеля и 11... 17 % алюминия. Для улучшения магнитных свойств сплавы легируют. Легирование медью повышает коэрцитивную силу и улучшает механические свойства, но приводит к снижению остаточной индукции. Легирование кобальтом позволяет существенно увеличить коэрцитивную силу и повышает индукцию насыщения и коэффициент выпуклости. В качестве легирующих элементов используются также титан, кремний и ниобий. Коэрцитивная сила таких сплавов Нс = 50 кА/м, а магнитная энергия Wmax = 12 кДж/м3.

Магнитотвердые материалы типа Al-Ni-Co представляют собой сплав железа с никелем (12... 26 %), кобальтом (2...40%) и алюминием (6...13 %), содержащий для улучшения магнитных свойств легирующие добавки меди (2...8 %), титана (О... 9%) и никеля (О...3%). Сплавы, содержащие более 15 % кобальта, подвергают термомагнитной обработке, которая заключается в охлаждении сплава от высоких температур 1250... 1300°С в сильном магнитном поле, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магнитоанизотропным. Изотропные сплавы имеют магнитную энергию Wmax = 6 кДж/м3, анизотропные - Wmax = 16 кДж/м3.

Для улучшения магнитных свойств в сплавах создают кристаллическую текстуру, путем направленной кристаллизации сплава (особые условия охлаждения сплава). В результате возникает микроструктура в виде ориентированных столбчатых кристаллов. При этом наблюдается увеличение всех магнитных параметров. Магнитная энергия повышается на 60...70% по сравнению с обычной кристаллизацией и достигает 40 кДж/м3.

Изделия из сплавов получают в основном методом литья. Недостатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твердость, поэтому обработка их на металлорежущих станках затруднена. Механической обработке в виде грубой обдирки резанием с применением твердосплавных резцов поддаются сплавы, не содержащие кобальта. Детали из всех сплавов можно шлифовать на плоскошлифовальных или круглошлифовальных станках в два приема: грубая шлифовка до термической обработки, чистовая - после термической обработки. Для грубой обработки применяют также электроискровой метод обработки.

Металлокерамические и металлопластические магниты. Они создаются методами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать процесс производства, получать изделия со строго выдержанными размерами.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодисперсных порошков сплавов ЮНДК (Ю - алюминий, Н - никель, Д - медь, К - кобальт), а также сплавов Сu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe применением прессования и дальнейшего спекания при высоких температурах.

Так как металлокерамические магниты содержат воздушные поры, то их магнитные свойства уступают литым материалам. Как правило, пористость (3...5%) уменьшает остаточную индукцию Вr и магнитную энергию Wmax на 10... 20% и не влияет на коэрцитивную силу Нc. Механические свойства их лучше, чем литых магнитов. Металлопластические магниты изготовлять проще, чем металлокерамические, но свойства их хуже. Металлопластические магниты получают из порошка сплавов ЮНД или ЮНДК, смешанного с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смолой) путем прессования.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронциевого) феррита BaFe12O19 (ВаО-6Fе2О3) и кобальтового феррита CoFe2O4, (CoO-Fe2O3). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый - структуру природного минерала магнито-плюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая наряду с мелкозернистой структурой приводит к повышенным значениям коэрцитивной силы (до 350 кА/м).

Все магниты, на основе гексагональных ферритов обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, вибраций и ударном воздействии, их можно использовать в магнитных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 106...109 Ом·м).

Сплавы на основе редкоземельных металлов. Интерметаллические соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ) церием Се, самарием Sm, празеодимом Рr, лантаном La и иттрием Y - типа Rx Соy, где соединение R-P3M обладает очень высокими значениями коэрцитивной силы и магнитной энергии. Из этой группы наиболее важны соединения типа RCo5 и R2Co17, которые обладают наибольшей магнитной анизотропией, значительной спонтанной намагниченностью и высокой температурой Кюри. Соединения RCo5 нестабильны и распадаются на две или большее количество фаз. Многофазность, высокое значение магнитной анизотропии и магнитострикции являются причинами появления высокой коэрцитивной силы.

Технология получения магнитов из РЗМ заключается в спекании порошков в присутствии жидкой фазы или литья. Жидкая фаза создается благодаря тому, что РЗМ берется в избытке.

Перспективы использования таких сплавов велики. Основные недостатки сплавов: плохие механические свойства (высокая хрупкость), использование дефицитных материалов и высокая стоимость.

Другие магнитотвердые материалы. Кроме рассмотренных магнитотвердых материалов применяются традиционные материалы для постоянных магнитов - мартенситные стали, а также пластически деформируемые сплавы.

Мартенситом называют особый вид микроструктуры стали, который получают при быстром ее охлаждении (закалке). Образование мартенсита, который имеет пластинчатую форму, сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений, что приводит к появлению большой коэрцитивной силы. Используются только легированные мартенситные стали, которые называются по легирующей добавке: хромовые (до 3% Сг), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). Значение Wmax для мартенситных сталей низкое (1 ...4 кДж/м3). Они имеют склонность к старению. Эти материалы имеют ограниченное применение и используются для изготовления магнитов только в наименее ответственных случаях.

Пластически деформируемые сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошо штампуются, обрабатываются на станках.

Наиболее распространенными являются сплавы кунифе (60% Сu, 20% Ni, 20% Fe), кунико (50% Си, 21% Ni, 29% Со, остальное - Fe) и викаллой (51,0...54,0% Со, 10... 13,0% V, остальное Fe). Сплавы кунифе анизотропны, применяются в виде проволоки и штамповок. Сплавы кунико дороже сплавов кунифе и применяются для изготовления магнитов сложной конфигурации. Викаллой применяют для изготовления мелких магнитов сложной конфигурации.

Магнитные характеристики для этих сплавов: остаточная индукция 0,6…0,9 Тл; коэрцитивная сила 24…57 кА/м; магнитная энергия 2,8…14 кДж/м3.

5. Материалы с особыми электрическими свойствами

5.1 Элементы зонной теории

Различие между проводниками, диэлектриками и полупроводниками хорошо иллюстрируется с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердого тела. Электрон в изолированном атоме может находится лишь на строго определенных дискретных энергетических уровнях (состояниях). Энергетические уровни отделены друг от друга значениями энергий, которых электрон в данном атоме иметь не может. При образовании кристалла проявляется взаимодействие атомов между собой. В этом случае все энергетические уровни (заполненные электронами и незаполненные) расщепляются, образуется зона энергетических уровней (рис.24). Уровней в зоне столько, сколько атомов в кристаллической решетке.

Рис.24

Обычно ширина зоны 1 эВ. Электроны могут за счет внешних воздействий (тепловое, излучение) переходить на более высокие свободные энергетические уровни. Такие электроны, находящиеся внутри частично заполненной энергетической зоны, называются свободными. Если приложить электрическое поле, то изменению энергии свободных электронов соответствует направленное перемещение их в пространстве, т.е. электрический ток.

Энергетические зоны, образованные совокупностью энергетических уровней, называют разрешенными зонами. Разрешенные зоны обычно отделены друг от друга запрещенными зонами. Электрический ток в твердых телах обусловлен электронами, находящимися в валентной зоне или электронами в разрешенной зоне - зоне проводимости. На рис.25 представлены энергетические зоны: диэлектриков - а; полупроводников - б; проводников - в.

У проводников и твердых диэлектриков валентная зона при температуре абсолютного нуля полностью заполнена электронами, а отделенная от нее запрещенной зоной зона проводимости полностью свободна.

Рис.25

У полупроводников ширина запрещенной зоны обычно меньше 3 эВ. При отсутствии в полупроводнике свободных электронов приложенной к нему электрическое поле не вызывает тока. Если электрон в валентной зоне приобретает (тепловым, оптическим или другим способом) достаточную энергию для преодоления запрещенной зоны, то он оказывается в зоне проводимости, а в валентной зоне образуется вакантное место. Если приложено электрическое поле, этот процесс можно рассматривать как перемещение вакантного места - дырки. Ковалентная связь образуется между атомами, каждый из которых владеет валентными электронами совместно с другими атомами. Все электроны в валентной зоне - это электроны, участвующие в ковалентных связях.

5.2 Проводниковые материалы

По удельному электрическому сопротивлению с металлические проводниковые материалы можно разделить на две группы: материалы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре с < 0,05 мкОм·м; металлы и сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при тех же условиях с > 0,3 мкОм·м. Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники, которые обладают ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.

К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельное сопротивление или обратную величину - удельную проводимость; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла.

Удельная проводимость выражается в сименсах на метр (См/м) и может быть определена по формуле:

где q - заряд электрона (1,6 ·10-19Кл); n0 - число свободных электронов в единице объема металла; л - средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; m - масса электрона; vт средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Концентрация свободных электронов и скорость их хаотического теплового движения для различных металлов при определнной температуре отличаются незначительно, поэтому удельная проводимость зависит в основном от средней длины свободного пробега электронов в проводнике. Тепловая скорость определяется структурой проводникового материала, так для чистых металлов с наиболее упорядоченной кристаллической решеткой удельное сопротивление минимально, а наличие примесей и дефектов в решетке приводит к увеличению с. Итак, удельное сопротивление проводников : с = степл + сост, где степл - удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки; сост - удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов в кристаллической решетке.

Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис.26.

Рис.26

При температурах, превышающих температуру Дебая И, которая для металлов равна 400 - 8000С, удельное сопротивление возрастает линейно и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. В области низких (криогенных) температур удельное сопротивление почти не зависит от температуры и определяется только сопротивлением сост.

Изменение удельного сопротивления металлических проводников с температурой принято характеризовать температурным коэффициентом удельного сопротивления ТК с или бс (К-1). Если температура изменяется в узких пределах, то пользуются средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:

где с0 - удельное сопротивление при температуре Т0, принятой за начальную; с1 - то же при температуре Т1. Для металлов бс составляет 4·10-3К-1, а для сплавов значительно меньше - 10-4 - 10-6 К-1.

Металлы и сплавы высокой проводимости должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение имеют химически чистые металлы: медь, алюминий, серебро.

Медь обладает целым рядом ценных технических свойств: малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью; удовлетворительной стойкостью к коррозии; хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку); хорошей способностью к пайке и сварке. Наименьшим удельным сопротивлением обладает химически чистая медь (бескислородная М00б удельное сопротивление 0,017 мкОм·м; получают переплавом элетролитически очищенной меди в вакууме или переработкой катодной меди методами порошковой металлургии). Механические и электрические характеристики меди существенно зависят от ее состояния. Нпример, твердотянутая медь марки МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ.

Для изделий с большей прочностью используют латуни и бронзы с кадмием и бериллием.

Алюминий легко окисляется на воздухе, покрываясь при этом прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Удельное электрическое сопротивление проводникового алюминия не должно превышать 0,028 мкОм·м, обладает высокой пластичностью.

Серебро обладает минимальным удельным сопротивлением 0,016 мкОм·м; невысокие прочность и твердость, но хорошая пластичность. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, тенденцию диффундировать в материал подложки, на которой оно нанесено.

Припои - сплавы, используемые при пайке металлов. Кроме высокой проводимости должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта). Различают два типа припоев: для низкотемпературной пайки с температурой плавления до 4000 и для высокотемпературной пайки. Температура плавления припоя должна быть ниже, чем температура плавления металла, подвергаемого пайке, припой должен хорошо смачивать поверхность, и температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть близки. Используют припои на основе олова, свинца, цинка, серебра, (сплавы этих металлов образуют эвтектические смеси), имеющие хорошую проводимость и сопротивление которых мало отличается от сопротивления металлов, образующих сплав. Для низкотемпературной пайки применяют оловяно-свинцовые и оловяно-цинковые припои: ПОС 61(61% олова, эвтектический сплав, температура плавления 1830 ), ПОЦ-90 (90% олова, эвтектический сплав, температура плавления 1990). Для температур меньше 1000 используют сплавы висмута со свинцом, кадмием, оловом (не обеспечивают высокой прочности, сплавы с висмутом хрупкие). В качестве высокотемпературных используют медь, медноцинковые, меднофосфористые припои (ПМЦ-36, 36% меди). Очень технологичны серебряные припои, хорошая растворимость, смачиваемость, высокие механические свойства, температура плавления от 779 до 920 (серебро с медью).

Контактные материалы. По принципу работы контакты подразделяются на: разрывные, скользящие и неподвижные.

К неподвижным контактам относятся цельнометаллические (сварные или паяные) зажимные (болтовые, винтовые) соединения. Цельнометаллические соединения должны отличаться не только механической прочностью, но и обеспечивать стабильный электрический контакт с малым переходным сопротивлением. Качество зажимного контакта определяется в основном контактным нажатием и способностью материала к пластической деформации. В связи с этим такие контактные поверхности целесообразно покрывать мягкими коррозионно-стойкими металлами (оловом, серебром, кадмием и др.).

Размыкающие контакты обеспечивают периодическое замыкание и размыкание электрической цепи. Более ответственная их функция предопределяет и более строгие требования к ним: устойчивость против коррозии, стойкость к свариванию и действию электрической эррозии, стойкость к действию сжимающих и ударных нагрузок, высокие проводимость и теплофизические свойства.

В качестве контактных материалов для слаботочных размыкающих контактов кроме чистых тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена) применяются благородные металлы (платина, золото, серебро), а также различные сплавы на их основе (золото-серебро, платина-рутений, платина-родий), металлокерамические композиции (например, Ag-CdO).

Сильноточные размыкающие контакты изготовляются, как правило, из металлокерамических материалов, которые получают методом порошковой металлургии. Они включают в себя композиции на основе меди и серебра: серебро-оксид кадмия, серебро-оксид меди, медь-графит, серебро-никель, серебро-графит.

Скользящие контакты должны дополнительно отличаться высокой стойкостью к истирающим нагрузкам. Наиболее высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитосодержащего материалов. Кроме низкого коэффициента трения графит и материалы на его основе отличаются большим напряжением дугообразования, поэтому износ контактов от искрения незначителен.

Для скользящих контактов используются проводниковые бронзы и латуни, отличающиеся высокой механической прочностью, стойкостью к истирающим нагрузкам, упругостью, антифрикционными свойствами и стойкостью к атмосферной коррозии. Для изготовления коллекторных пластин часто используются твердая медь, а также медь, легированная серебром, и другие материалы.

Металлокерамика применяется для изготовления контактов из порошков заготовок или пропиткой серебром или медью предварительно прессованных пористых каркасов из вольфрама или вольфрамоникелевого сплава.

Материалы с большим удельным сопротивлением К таким материалам относятся сплавы, имеющие при нормальных условиях удельное электрическое сопротивление не менее 0,3 мкОм·м. Эти материалы достаточно широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.

Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром.

Манганин - это медно-никелевый сплав, содержащий в среднем 2,5... 3,5% никеля (с кобальтом), 11,5... 13,5% марганца, 85,0... 89,0% меди. Легирование марганцем, а также проведение специальной термообработки при температуре 400 °С позволяет стабилизировать удельное сопротивление манганина в интервале температур от -100 до +100°С. Манганин имеет очень малое значение термоЭДС в паре с медью, высокую стабильность удельного сопротивления во времени, что позволяет широко использовать его при изготовлении резисторов и электроизмерительных приборов самых высоких классов точности.

Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в иных соотношениях: никель (с кобальтом) 39... 41%, марганец 1 ...2%, медь 56,1 ...59,1%. Его удельное электрическое сопротивление не зависит от температуры.

Нихромы - сплавы на основе железа, содержащие в зависимости от марки 15...25% хрома, 55...78% никеля, 1,5%марганца. Они в основном применяются для изготовления электронагревательных элементов, так как обладают хорошей стойкостью при высокой температуре в воздушной среде, что обусловлено близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок.

Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме нихрома) широко используются для изготовления различных нагревательных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Они относятся к системе Fe-Cr-Al и содержат в своем составе 0,7% марганца, 0,6% никеля, 12... 15% хрома, 3,5...5,5% алюминия и остальное - железо. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких температурах.

Свойства сверхпроводников и криопроводников.

Согласно современной теории, явление сверхпроводимости металлов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. Поскольку куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обладают большой энергией связи, обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры Ткр все куперовские пары распадаются и состояние сверхпроводимости исчезает.

Аналогичный результат наблюдается при определенном значении магнитного поля (критической напряженности Нкр или критической индукции Вкр), которое может быть создано собственным током и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвязанными величинами (для чистых металлов):

где Нкр - критическая напряженность магнитного поля при абсолютном нуле; Т0 - критическая температура при отсутствии магнитного поля.

Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой температуре Ткр1 < Т0 будет соответствовать определенное значение критической напряженности магнитного поля Нкр1. При Н > Нкр1 и температуре Ткр1 , сверхпроводя-щее состояние исчезает.

Известно 35 сверхпроводниковых металлов и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Установлены также сверхпроводящие свойства у некоторых полупроводников, например антимонида индия InSb, серы, ксенона и пр. Для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при очень низких температурах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось.

По физико-химическим свойствам элементарные сверхпроводники (чистые металлы) можно разделить на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений. С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы принято делить на сверхпроводники I, II и III родов.

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразное изменение удельной теплоемкости и определенная температура перехода в сверхпроводящее состояние, которое может разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности магнитного поля примерно 1 кА/м, что затрудняет их использование. У таких материалов наблюдается эффект Майснера-Оксенфельда, заключающийся в том, что при переходе образца в сверхпроводящее состояние магнитное поле выталкивается из него, т.е. он становится идеальным диамагнетиком.

Сверхпроводники II рода отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них осуществляется не скачком, а постепенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции при температуре Ткр < Т0. Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превышать значение нижней критической индукции, то происходит частичное проникновение магнитного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике начинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вихри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближения к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а расстояние между ними сокращается. Когда оно становится соизмеримым с размером куперовской пары, весь объем переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникнет в образец. К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнести ниобий Nb, ванадий V и технеций Те.

Сверхпроводники III рода включают в себя неидеальные сверхпроводники II рода (жесткие сверхпроводники). Для них характерно наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделении другой фазы или пластичном деформировании. Дефекты структуры могут служить узлами закрепления вихрей (явление пининга), что значительно повышает допустимые токи. К сверхпроводникам III рода относятся в основном сплавы и химические соединения.

Высокотемпературные сверхпроводники. В 1986 г. было обнаружено, что такие вещества, как La2-хMхCuO4, (M = Ва, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. Позже в сплавах YВa2Cu3O7 переход в сверхпроводящее состояние происходил при температуре -173°С и выше. Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводниками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTiO3) и представляют собой керамику с характерным расположением атомов. Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора. Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза содержит большее количество меди. Соотношение иттрия, бария и меди в ней 1:2:3. Именно эта фаза и обладает сверхпроводящими свойствами.

...