Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ. Часть 2. Диэлектрические и магнитные материалы

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в феррите, намагниченном внешним полем. При этом энергия коммутируется - переключается в разные каналы.

Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой электронов.

При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль. Вентильные свойства феррита проявляются в довольно узком интервале напряжённости постоянного поля ДH_, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса.

3.5 Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых коэрцитивная сила Н_с " 800 А/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Магнитные свойства различных видов чистого железа и железных сплавов приведены в таблице 3.1.

Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2,2 Тл). Магнитная проницаемость железа существенно зависит от содержания примесей и при очистке многократно возрастает с одновременным уменьшением коэрцитивной силы.

Технически чистое железо (армко-железо) изготавливают рафинированием (очисткой) чугуна в мартеновских печах или конвертерах, где примеси "выгорают" - окисляются и улетучиваются. Суммарное содержание примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов в технически чистом железе не превышает 0,08-0,1 %. Вследствие низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Электролитическое железо, содержащее менее 0,05 % примесей, получают путём электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. При этом анод из технически чистого железа постепенно растворяется, а осаждённое на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают, измельчают в порошок в шаровых мельницах и подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Особо чистое карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению:

Fe(CO)₅ = Fe + 5CO ^.

Пентакарбонил железа представляет собой жидкость - продукт воздействия монооксида углерода на железо при температуре около 200 °С и давлении примерно 15 МПа.

Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что удобно для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе нет кремния, фосфора и серы, но есть углерод.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зёрен, наличия механических напряжений. Из таблицы 3.1 видно, что магнитные свойства даже очищенного железа далеки от свойств чистейшего монокристалла.

Таблица 3.1 - Некоторые свойства магнитомягких материалов

Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния, достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Легирование кремнием приводит также к увеличению значений начальной м_н и максимальной м_м магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы Н_с; снижению потерь на гистерезис, уменьшению магнитной анизотропии и магнитострикции. Кроме того, кремний способствует выделению углерода в виде графита и раскислению стали за счёт образования SiO₂, который выделяется в виде шлака.

Свойства электротехнической стали значительно улучшаются при текстурировании - холодной прокатке с последующим отжигом. При прокатке рёбра кубических кристаллов железа ориентируются преимущественно вдоль направления движения ленты. Отжиг в водороде при температуре 900-1000 °С снимает внутренние механические напряжения, а также вызывает рекристаллизацию (укрупнение зёрен). Вдоль направления прокатки магнитная проницаемость существенно больше, а потери на гистерезис меньше. Эффективное использование текстурованных сталей возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, когда магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25 %, а в радиотрансформаторах - на 40 %.

Электротехническая сталь выпускается в виде рулонов, листов и ленты толщиной 0,05…1 мм с изоляционным покрытием или без него. С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое увеличение коэрцитивной силы и потерь на гистерезис.

Тонколистовую электротехническую сталь маркируют 4 цифрами:

- первая (по виду прокатки): 1 - горячекатанная изотропная; 2 - холоднокатанная изотропная; 3 - холоднокатанная анизотропная;

- вторая (по содержанию кремния) - от 0 до 5 % (таблица 3.2);

- третья (по основной нормируемой характеристике) - от 0 до 7;

- четвёртая - порядковый номер стали.

Таблица 3.2 - Удельное сопротивление электротехнической стали

Из электротехнической стали разных марок изготавливают магнитные сердечники трансформаторов, измерительных приборов, электрических машин и т. п. Листы тонкого проката предназначены для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц).

Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на: высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат от 72 до 80 % никеля, а низконикелевые - от 40 до 50 %. Высоконикелевые пермаллои дороже низконикелевых, у них меньшие значения удельного сопротивления и индукции насыщения, однако магнитная проницаемость значительно выше, чем у низконикелевых.

Наибольшая начальная и максимальная магнитные проницаемости получаются у сплава, содержащего 78,5 % Ni. Очень легкое намагничивание этого сплава в слабых полях вызвано практическим отсутствием у него анизотропии и магнитострикции. Для улучшения магнитных свойств сердечники из высоконикелевого пермаллоя отжигают с последующим медленным остыванием. При ударах и других механических воздействиях свойства сердечников ухудшаются. С целью механической защиты кольцеобразные ленточные сердечники из отожжённого высоконикелевого пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия.

Для придания пермаллоям необходимых свойств в их состав вводят ряд добавок - молибден, хром, медь, кремний, марганец.

Молибден и хром повышают магнитную проницаемость и удельное сопротивление пермаллоев, уменьшают чувствительность к механическим деформациям. Однако одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство м при изменении напряжённости магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также улучшает способность к механической обработке. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление.

Пермаллои применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, трансформаторов звуковых и высоких частот, импульсных трансформаторов, дросселей, реле, магнитных усилителей и бесконтактных магнитных реле, а также для магнитных экранов. Диапазон параметров промышленных марок пермаллоев указан в таблице 3.1. Особо интересен сплав супермаллой с уникально высокой магнитной проницаемостью.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Аl, остальное - Fe.

По значениям основных параметров м_н = 35400; м_м = 117000; H_с = =1,8 А/м; с = 0,8 мкОм·м) альсиферы близки к высоконикелевым пермаллоям. Важная особенность альсифера заключается в том, что в зависимости от содержания кремния и алюминия его температурный коэффициент магнитной проницаемости может быть положительным, отрицательным или равным нулю. Сплав дешёвый, однако хрупкий, из-за чего изделия из альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов и т. п. - изготавливают методом литья с толщиной стенок не менее 2-3 мм.

Благодаря хрупкости альсифер можно размалывать в порошок и использовать в составе высокочастотных сердечников.

3.6 Высокочастотные магнитомягкие материалы

Под высокочастотными понимают магнитомягкие материалы, которые можно использовать при частотах свыше килогерца.

По диапазону применения различают материалы для звуковых и ультразвуковых частот, низких и высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты.

Кроме них при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали толщиной 25-30 мкм и пермаллои толщиной до 2-3 мкм, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.

Магнитодиэлектрики получают путём прессования порошка карбонильного железа, альсифера или молибденового пермаллоя со связкой, образующей между зёрнами сплошную электроизоляционную пленку. В качестве связки применяют формальдегидные смолы, полистирол, стекло и другие диэлектрики. Магнитодиэлектрики отличаются стабильностью магнитной проницаемости во времени и при колебаниях температуры, малыми потерями на гистерезис и вихревые токи, а также имеют линейную зависимость индукции от напряжённости, однако значение их магнитной проницаемости невелико (10-250).

Из магнитодиэлектриков изготавливают сердечники для индуктивных катушек фильтров, генераторов, контуров радиоприёмников и трансформаторов звуковых и ультразвуковых частот. Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями на гистерезис и вихревые токи, и используются в широком диапазоне частот. Альсиферовые магнитодиэлектрики самые дешёвые. Магнитодиэлектрики из молибденового пермаллоя имеют наибольшую магнитную проницаемость и наименьшие потери на гистерезис и вихревые токи.

Высокая стабильность магнитных свойств и линейность характеристики намагничивания являются преимуществами магнитодиэлектриков перед другими магнитомягкими материалами.

Ферриты представляют собой соединения окида железа Fe₂O₃ с оксидами переходных металлов (магнитных и немагнитных) в виде керамики и монокристаллов. По типу кристаллической решётки различают феррошпинели, феррогранаты, гексаферриты и ортоферриты. Магнитные свойства ферритов обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом элементов, составляющих решётку. Их широко применяют в радиоэлектронных изделиях благодаря большому (до 10⁷ Ом·м) удельному сопротивлению. Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость е, зависящая от состава (у марганец-цинковых ферритов значение е может достигать 1000). С повышением частоты диэлектрическая проницаемость всех марок ферритов уменьшается.

При изготовлении ферритовой керамики исходную смесь оксидов подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола. Из полученной массы прессуют брикеты или гранулы, которые затем обжигают с целью ферритизации - образования кристаллитов. Ферритизованный продукт вновь измельчают. Полученный таким образом ферритовый порошок пластифицируют поливиниловым спиртом или парафином и формуют из него изделия методом прессования в стальных прессформах. Отформованные изделия спекают при температуре 1100-1400 °С. В процессе спекания завершаются химические реакции образования кристаллитов, происходит их укрупнение, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. Стоимость ферритовой керамики невелика.

Монокристаллы ферритов выращивают газоплазменным методом Вернейля.

Монокристаллы феррогранатов обычно получают кристаллизацией из раствора-расплава с применением оксифторида свинца РbО+PbF₂ в качестве растворителя.

Ферриты являются твёрдыми и хрупкими материалами, допускающими только шлифовку и полировку абразивными инструментами из порошка карбида кремния или синтетических алмазов.

Магнитомягкими ферритами являются марганец-цинковые, никель-цинковые, литий-цинковые и магниевые и некоторые другие ферриты, а также иттриевые ферриты - феррогранаты. Маркировка магнитомягких ферритов содержит численное значение начальной магнитной проницаемости м_н, затем буквы НМ (низкая частота, марганец-цинковый), НН (низкая частота, никель-цинковый), либо буквы ВЧ (высокая частота) с цифрой, если это феррит СВЧ. Область применения различных марок ферритов зависит от магнитной проницаемости и рабочей частоты. Марганец-цинковые ферриты имеют наибольшие значения магнитной проницаемости (начальной м_н - до 15 тысяч, максимальной м_м - до 35 тысяч), а также индукции насыщения и температуры Кюри, но значения удельного сопротивления и рабочих частот невелики. Никель-цинковые ферриты отличаются более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами, но их магнитная проницаемость меньше (для марок НН м_н достигает 800, м_м - до 1500; для марок ВЧ м_н - до 220, м_м - до 360). У сверхвысокочастотных ферритов магнитная проницаемость ещё меньше.

Применение ферритов. Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности; фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры. Частотный диапазон применения различных марок ферритов определяется значениями критической f_кр и граничной f_гp частот. На частотах до 10⁶ Гц применяют марганец-цинковые ферриты (НМ), а на частотах от 10⁵ до 10⁸ Гц - никель-цинковые (НН и ВЧ). На сверхвысоких частотах применяют магний-марганцевые ферриты с большим содержанием окиси магния, литий-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты), а в инфракрасном диапазоне - феррогранаты иттрия (Y₃Fe₅O₁₂) с частичным замещением ионов иттрия и железа ионами лантанидов и других металлов.

Марганец-цинковые ферриты с начальной магнитной проницаемостью 5000-15000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы - пермаллои и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.

Монокристаллы магнитомягких ферритов нашли широкое применение при изготовлении магнитных головок для записи, воспроизведения и стирания аудио- и видеосигналов в магнитофонах. По сравнению с металлическими, ферритовые головки обладают большим удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твёрдостью.

3.7 Магнитные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса и магнитострикционные

Магнитные плёнки на лентах и дисках, используемых для записи звуковой, видео- и компьютерной информации, относятся к числу магнитотвёрдых материалов. Сохранению записанной информации способствует выпуклая, близкая к прямоугольной, форма кривой размагничивания. Доменные структуры в тонких магнитных плёнках имеют особенности. Если направление легкого намагничивания расположено в плоскости плёнки, в ней образуются плоские домены. Для очень тонких плёнок характерна однодоменная структура, для плёнок толщиной свыше 10^-3-10^-2 мм (у различных веществ) - многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей микрометров до нескольких микрометров), намагниченных в противоположных направлениях. Под воздействием внешнего поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться, и её используют как управляемую дифракционную решётку для света и ближайшего диапазона электромагнитных волн.

Особый интерес представляют плёнки материалов, кристаллы которых имеют лишь одну ось лёгкого намагничивания. Если эти оси перпендикулярны плоскости плёнки, то, в отсутствие внешнего поля, в ней возникает лабиринтная доменная структура. Внешнее поле, направленное поперёк плёнки, легко изменяет форму и размер доменов. По мере увеличения напряжённости поля происходит разрыв лабиринтной структуры и образуются устойчивые цилиндрические магнитные домены (ЦМД), или "магнитные пузырьки". Впервые ЦМД были обнаружены в ортоферритах, обладающих орторомбической структурой и имеющих химический состав RFeO₃, где R - трёхвалентный ион иттрия или другого редкоземельного элемента. В дальнейшем устойчивые цилиндрические магнитные домены были получены в ферритах со структурой граната, гексаферритах и некоторых металлических магнитных плёнках. Линейные размеры ЦМД в ортоферритах составляют десятки микрон, в плёнках феррогранатов - единицы микрон, в металлических плёнках - доли микрона.

Магнитные ленты изготавливают нанесением магнитного лака на тонкую плёнку полимера. Подавляющее большинстве магнитных лент изготавливают на основе полиэтилентерефталата (лавсана), обладающего высокой механической прочностью. Магнитный лак состоит из магнитного порошка, связующего вещества, летучего растворителя и различных добавок, способствующих смачиванию и разделению частиц порошка, уменьшению абразивности рабочего слоя. Содержание магнитного порошка в жидком лаке составляет около 30-40 % (по объёму). Частицы магнитного порошка имеют сильно вытянутую форму, средняя длина около 1 мкм при диаметре порядка 0,1 мкм. Для ориентации этих частиц вдоль направления, в котором они будут намагничиваться при записи, сразу после нанесения магнитного лака ленту помещают в сильное магнитное поле. Высушенную широкую пленку разрезают специальными дисковыми ножницами на ленты нужной ширины. Для устранения неровностей на поверхности рабочего слоя ленту подвергают каландрированию, т. е. пропускают её между нагретыми полированными металлическими вальцами - каландрами.

В качестве магнитного компонента наиболее часто используют порошок гамма-оксида железа г-Fе₂О₃ (гематита) коричневого цвета с мелкими однодоменными частицами. Его получают окислением магнетита Fe₃O₄ при нагревании на воздухе до температуры около 250 °С. Добавка магнетита Fe₃О ₄ к порошку г-Fе₂О₃ позволяет получить материал с повышенной коэрцитивной силой (20-50 кА/м).

Качественный скачок в технике магнитной записи произошел в результате использования магнитных плёнок на основе диоксида хрома СrО ₂ (чёрного цвета). Это соединение также обладает свойствами ферримагнетика и позволяет получать магнитоактивные слои с более высокой, чем у г-Fe₂O₃, коэрцитивной силой и повышенной чувствительностью к высоким частотам. Преимуществом лент из диоксида хрома является также малая электризуемость рабочего слоя.

Плёнка с двойным магнитным слоем, состоящим из чередующихся окислов г-Fe₂O₃ и СrО₂, сочетает высокочастотные свойства, присущие диоксиду хрома, с хорошим воспроизведением низкочастотного спектра, что свойственно лучшим плёнкам с г-Fe₂O₃. Благодаря малой общей толщине рабочего слоя и полимерной подложке такие ленты удобны для применения в диктофонах и микрокассетных магнитофонах и дискетах. Ещё лучше магнитные пленки с покрытием из феррит-гранатов R₃Fe₅O₁₂ и ортоферритов RFeO₃.

Наилучшими магнитными свойствами, необходимыми для записи и воспроизведения информации, обладают плёнки из мельчайших частиц химически чистого кобальта или ферромагнитных сплавов, однако они значительно дороже, чем феррооксидные материалы. Нанесение металлического слоя на лавсановую или иную подложку осуществляется методами химического восстановления, электроосаждения или испарением-конденсацией в вакууме. Кроме кобальта и пластичных магнитотвердых сплавов, перечисленных в подразд. 3.8, наиболее перспективным считается сплав железа с платиной.

В настоящее время считывание информации с магнитной пленки происходит за счёт эффекта GMR (гигантского магнитного сопротивления). Материал считывающей головки - чередующиеся слои железа и хрома нанометровой толщины (до 50 слоёв). Перспективным направлением улучшения считывающих головок является применение магнитоэлектриков, у которых под действием магнитного поля происходит изменение электрической поляризации и возникает ЭДС. Гигантский магнитоэлектрический эффект открыт в тонких пленках феррита висмута BiFeO₃, называемого также BFO.

Исследуются перспективы записи информации на магнитные плёнки путём воздействия электрического поля. Здесь перспективны композиции феррита висмута BiFeO₃ и ферромагнитного сплава Co_0,9Fe_0,1.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое магнитная проницаемость?

2. Как классифицируют вещества по магнитным свойствам?

3. Какова роль доменов в процессе намагничивания материалов?

4. В чём разница между начальной и основной кривыми намагничивания?

5. В чём разница между статической и динамической магнитными проницаемостями?

6. Для чего магнитопроводы изготавливают из отдельных пластин?

7. Что такое магнитострикция? Назовите магнитострикционные материалы?

8. В чём особенности намагничивания ферритов?

9. Какие магнитные материалы применяют в постоянных и низкочастотных полях?

10. Назовите и охарактеризуйте высокочастотные магнитные материалы.

11. Для чего применяют материалы с ППГ?

12. Из чего изготавливают постоянные магниты?

13. Какие магнитные материалы используют для записи информации?

Список литературы

1. Пасынков В.В. Материалы электронной техники: учеб. для вузов / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. - 3-е изд. - СПб.: Изд-во "Лань", 2001. - 368 с. - ISBN 5-8114-0409-3.

2. Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы: учеб. для вузов / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. - 7-е изд. - Л.: Энергоиздат, 1985. - 304 с.

3. Журавлёва Л.В. Электроматериаловедение: учеб. для НПО / Л.В. Журавлёва. - 4-е изд., перераб. и испр. - М.: Академия, 2006. - 336 с.

4. Перерва Г.И. Электротехнические материалы / Г.И. Перерва. - Гомель: Белгут, 1999. - 80 с.

5. Справочник по электрическим материалам / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - Л.: Энергоиздат, 1988. - Т. 1-3.

6. Электротехнические и конструкционные материалы: учеб. пособие для СПО / В.Н. Бородулин [и др.]; под ред. В.А. Филикова. - 2-е изд., стер. - М.: Академия, 2005. - 280 с.

7. Герасимов В.Г. Электротехнический справочник: в 4 т. / В.Г. Герасимов. - 9-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 2007. - Т. 1: Общие вопросы. Электротехнические материалы. - 440 с.

8. Алиев И.И. Электротехнические материалы и изделия: справочник / И.И. Алиев, С.Г. Калганова. - М.: Энергоиздат, 2006. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru