Магнитные материалы

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Классификация магнитных  материалов

Магнитные материалы подразделяют на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцетивной силой (Нс < 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. Они намагничиваются до насыщения в любых магнитных полях, обладают узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Их используют в качестве сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов и т.п.

К магнитотвердым относят  материалы с большой коэрцитивной силой (Нс > 4кА/м). Они перемагничиваются в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Среди материалов специализированного  назначения в радиоэлектронике применяются  материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

2. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, большой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание. Магнитные свойства материалов должны мало зависеть от механических напряжений, в результате действия которых сильно меняется mнач , mмакс, Нс. Магнитные свойства после механической обработки восстанавливают термообработкой(обжигом). В некоторых случаях важными являются температурная и временная стабильность, линейность кривой намагничивания и др.

Этим требованием наиболее полно удовлетворяют железо и  его сплавы. Железо - это типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей, структуры (особенно величины зерна - чем крупнее зерна, тем выше магнитные свойства).

Вследствие низкого удельного  сопротивления железо используют для  изготовления изделий, которые работают в постоянных магнитных полях. Технически чистое железо применяется для получения почти всех ферромагнитных сплавов.

Сталь электротехническая является основным магнитомягким материалом и представляет собой сплавы железа и кремния (до 4,5%). Добавки кремния повышают удельное сопротивление, увеличивают mн и mmax, уменьшают Нс, потери на гистерезис, константы магнитной анизотропии и магнитострикции, повышают стабильность магнитных свойств во времени, но вместе с тем увеличивают хрупкость и твердость стали. Свойства стали значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге в водороде. Вдоль направления прокатки наблюдается более высокое значение магнитной проницаемости и меньше потери на гистерезис. Текстурированные стали используются при изготовлении ленточных сердечников.

В этом случае магнитный  поток полностью проходит вдоль  направления легкого намагничивания. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резанной ленты толщиной 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат применяется в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины уменьшаются потери на вихревые токи, однако возрастает коэрцитивная сила и увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои - железоникелевые  сплавы, обладающие большой магнитной  проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Высоконикелевые пермаллои содержат 72 - 80% никеля, а низконикелевые - 40 - 50% никеля. С увеличением содержания никеля возрастает магнитная проницаемость, однако повышаются удельные потери и уменьшается индукция насыщения. Низконикелевые пермаллои имеют mн = (1.5 - 4)×103, mмакс = (15 - 40)×103, Hc = 8 -32 A/м, Bm = 1 - 1.5 Tл, а высоконикелевые - mн = (1 - 4)×104, mмакс = (7 - 35)×104, Hc = 0.4 - 4.8 A/м, Bm = 0.5 - 1 Tл.

Большие значения mн и mмакс пермаллоя объясняются небольшими величинами магнитной апизотропии и магнитострикции. Это облегчает поворот магнитных моментов из направления легкого намагничивания в направлении поля и не вызывает механических напряжений, которые затрудняют смещение доменных границ под воздействием слабого поля. Магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты(из-за влияния вихревых токов) и напряженности подмагничивающего (постоянного) поля. Для увеличения удельного сопротивления, улучшения магнитных характеристик и их стабильности в диапазоне напряженностей магнитного поля и температур, повышения механической прочности и обрабатываемости в пермаллой добавляют легирующие элементы - молибден, хром, кремний, марганец, медь.

Пермаллой очень чувствителен к механическим воздействиям, поэтому  при изготовлении деталей из него необходимо избегать ударов, рихтовки и т.п. После всех механических операций производят термообработку в вакууме  или в атмосфере водорода.

Пермаллой используется для  изготовления магнитных экранов, сердечников  малогабаритных и импульсных трансформаторов, сердечников катушек индуктивности, головок аппаратуры магнитной записи.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера 9.5% Si, 5.6 % Al, остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью. Свойства альсифера (mн = 3500, mмакс = 117000, Hc = 1.8 A/м) не уступают свойствам высоконикелевого пермаллоя. Изделия из альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов и т.п. изготавливаются методом литья с толщиной стенок не менее 2 - 3 мм в виду хрупкости сплава. Его можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

3. Ферриты и магнитодиэлектрики

Ферриты - химические соединения окиси железа Fe2О3 с оксидами одного или нескольких двухвалентных металлов, имеющих общую формулу МеО×Fe2O3, где Ме - двухвалентный металл. Феррит может быть магнитным, если на месте Ме стоит ион марганца, никеля, магния, меди и некоторые другие металлы, и немагнитным - если стоит ион цинка.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Ферритовая керамика не содержит стекловидной фазы. Изделия из ферритов получают методом  спекания спрессованной массы порошкообразных  окислов металлов. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами  и допускают только шлифовку и  полировку.

Технические ферриты представляют собой раствор магнитного и немагнитного ферритов. Ферриты для радиочастот  делятся на две группы: никель-цинковые (NiO-ZnO-Fe2O3) и марганец-цинковый (MnO-ZnO-Fe2O3). Цинковые ферриты добавляют в магнитные ферриты для увеличения магнитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы, но это приводит к снижению температурной стабильности магнитных свойств.

Значения величин mн и Hc определяется составом и структурой материала. Микроскопические поры, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. мешают свободному перемещению доменных границ и являются причиной уменьшения магнитной проницаемости. С увеличением размера кристаллических зерен возрастает mн.

В слабых переменных магнитных  полях ферриты обладают незначительными  потерями на вихревые токи и гистерезис. Поэтому значение тангенса угла потерь tgd на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Частота, при которой начинается резкое возрастание tgd называется критической fкр. Обычно fкр - это частота, при которой tgd = 0.1.

Инерционность смещения доменных границ, которая проявляется на высоких частотах приводит также к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту fгр , при которой mн уменьшается до 0.7 от ее значения в постоянном магнитном поле называют граничной. Как правило, fкр < fгр.

Марганец - цинковые ферриты  в области частот до 1 МГц обладают лучшими магнитными свойствами, чем  никель - цинковые. У них меньший  относительный тангенс угла потерь - tgd/mн, более высокая индукция насыщения и температура Кюри. Однако никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами. Чем больше mн, тем при более низких частотах наблюдается ее снижение. Ферриты с большим значением mэфф обладают большим значением tgd и меньшим fкр .

Во избежание ухудшения  магнитных характеристик, ферриты  следует оберегать от механических нагрузок.

Маркировка магнито-мягких ферритов следующая. На первом месте стоит численное значение mн, следующее за ним буквы Н и В означают соответственно низкочастотный (fкр = 0.1-50МГц) или высокочастотный (fкр = 50 - 600МГц) материал, стоящая далее буква М означает марганец-цинковый, большая Н - никель-цинковый, литий - цинковый и т.д. ферриты. Буква С означает, что феррит применяется в области сильных полей, Н - контурах, перестраиваемых подмагничиванием.

По электрическим свойствам  ферриты относятся к полупроводникам  с электронной проводимостью. Их электропроводность обусловлена слабосвязанными  электронами, которые принадлежат  ионам железа или другим катионам переменной валентности. Такие электроны  под влиянием теплового движения могут переходить от иона Fe2+ к иону Fe3+, который превращается в двухвалентный ион Fe2+ и сохраняет это свойство некоторое время. С увеличением концентрации ионов Fe2+ возрастает удельная проводимость и уменьшается энергия активации Э0. Рост температуры сопровождается резким повышением проводимости из-за увеличения числа перемещающихся электронов.

s=s0 exp [-Э0/кТ],

где s0 - постоянная величина для данного материала;

Э0 - энергия активации электропроводности (Э0 = 0.1 - 0.5 ЭВ).

Концентрация двухвалентных  ионов Fe2+ зависит от состава феррита  и режима его обжига. Для снижения концентрации Fe2+ вводят различные добавки .

Процессы поляризации  ферритов и диэлектрические потери определяются дрейфом слабосвязанных электронов под действием электрического поля. С ростом частоты поля уменьшается  число электронов, которые участвует  в дрейфе, и уменьшается расстояние, на которое они смещаются, и соответственно снижается поляризованность. Например на частотах ниже 1000 Гц у марганец-цинковых ферритов величина e ~ 100000, а с увеличением частоты e резко падает до значения порядка 100. Частотные характеристики диэлектрических потерь имеют максимум.

Магнитомягкие ферриты применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, сердечников импульсных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и др. Монокристаллы магнитомягких ферритов применяются при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения сигнала звукового и видеодиапазонов в магнитофонах, т.к. они обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью по сравнению с металлическими.

Магнитодиэлектрики - это композиционные магнитомягкие материалы, состоящие из ферромагнетика и диэлектрика, применяемого в качестве связующего электроизоляционного материала. Основа должна обладать высокими магнитными свойствами, а связка - способностью образовывать между зернами сплошную электроизоляционную пленку одинаковой толщины. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер, молибденовый пермаллой. Изолирующей связкой служат фенолформоальдегидные смолы, полистирол, стекло и др.

Суммарные потери мощности в магнитодиэлектрике определяются потерями на вихревые токи, последействие, гистерезис и диэлектрическими потерями. С уменьшением размера частиц ферромагнетика потери снижаются, особенно обусловленные вихревыми токами.

Магнитная проницаемость  магнитодиэлектриков (mн = 10 - 250) ниже магнитной проницаемости монолитных ферромагнетиков. Это связанно с тем, что изолированные друг от друга ферромагнитные частицы создают внутреннее поле, направленное навстречу внешнему, и слабо выражен механизм намагничивания за счет смещения доменных границ, определяющий значение mн.

Из-за сильного влияния размагничивающего  фактора магнитодиэлектрики имеют близкую к линейной зависимость индукции от напряженности магнитного поля и характеризуются незначительными потерями на гистерезис.

Достоинства магнитодиэлектриков: малые удельные потери энергии, слабая зависимость параметров от температуры, времени и напряженности магнитного поля, постоянство магнитной проницаемости в диапазоне частот, а недостаток - сравнительно малая начальная магнитная проницаемость.

Прессованные сердечники из магнитодиэлектриков применяются в катушках индуктивности контуров радиоприемных устройств, генераторов, фильтров и т.д.

Сердечники на основе карбонильного  железа обладают высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным  коэффициентом магнитной проницаемости  и могут использоваться в широком  диапазоне частот. Карбонильное железо получается посредством термического разложения пентакарбоната железа в виде тонкого порошка, что удобно для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор, сера, но содержится углерод.

Промышленность выпускает  два класса карбонильного железа: Р (марки Р-10, Р-20, Р-100) - для радиоаппаратуры и Пс - для проводной связи. Цифры указывают максимальную рабочую частоту в МГц.

Альсифер обладает невысокой стоимостью. Его температурный коэффициент магнитной проницаемости зависит от содержания алюминия и кремния и может быть положительным, отрицательным или равным нулю.

4. Магнитные материалы  специального назначения

К магнитным материалам специального назначения относят магнитные материалы  с прямоугольной петлей гистерезиса, СВЧ ферриты, магнитострикционные  материалы.

Магнитные материалы с  прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, аппаратуре связи. Сердечники из материала с  ППГ имеют два устойчивых магнитных  состояния, которые соответствуют  различным направлениям магнитной  индукции. Это свойство используется для хранения и переработки двоичной информации.