Магнитомягкие материалы

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава  и наличия примесей. На их свойства отрицательно влияют примеси, не образующие твердых растворов (углерод, кислород, сера, фосфор). Кроме того, магнитные  свойства резко изменяются от режима термической обработки. Для снятия механических  напряжений, сильно ухудшающих магнитные свойства, все магнитные изделия из пермаллоя подвергают специальной термической обработке — отжигу при температуре 1300°С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при 400—500°С. Отожженные изделия должны быть светлыми, чистыми, без окислов, темных пятен и цветов побежалости. При сборке их нельзя подвергать ударам, изгибам, рихтовке, шлифовке, чрезмерной затяжке и сдавливанию обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная  проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Сплавы изготавливают в виде холоднокатаных лент толщиной 0,005—2,5 мм, холоднокатаных листов 0,2—2,5 мм, горячекатаных листов 3—22 мм, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8—100 мм, холоднокатаной проволоки диаметром 0,05—5,0 мм. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. Термообработке подвергают, как указывалось выше, готовые магнитные изделия.

Зависимость основных магнитных свойств и удельного сопротивления железоникелевых сплавов от содержания никеля представлена на рисунке 7. Сплавы с содержанием никеля 70—80% имеют наибольшие значения начальной и максимальной магнитной проницаемостью; их называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержанием никеля 78,5% — классическим пермаллоем. Второй, меньший по величине, максимум и

Рисунок 7 – Зависимость магнитных свойств и удельного сопротивления железоникелевых сплавов от содержания никеля

 наблюдается у сплавов при содержании Ni 40—50%, их называют низконикелевыми пермаллоями.

У высоконикелевых пермаллоев магнитная проницаемость в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в десятки раз больше, чем у электротехнических сталей (таблица 1). Индукция насыщения у них в 1,5 меньше, чем у низконикелевых пермаллоев, и примерно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей. Из этого следует, что высоконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройствах, в которых требуется создание мощного магнитного потока. Высоконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, работающих в слабых магнитных полях, головок аппаратуры магнитной записи, в качестве магнитных экранов. В виде ленты толщиной 0,05 мм и менее высоконикелевые пермаллои используют в импульсных трансформаторах, магнитных пускателях и т.д.

У низконикелевых пермаллоев удельное электрическое сопротивление в 3 раза больше, чем у высоконикелевых. Они обладают не очень высокой магнитной проницаемостью, но более высокой индукцией насыщения. Кроме того, магнитная проницаемость низконикелевых пермаллоев с увеличением частоты, начиная c , сильно снижается и тем резче, чем больше первоначальное значение . Поэтому низконикелевые пермаллои предпочтительно использовать в силовой аппаратуре и при повышенных частотах. Их применяют для магнитопроводов малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих в области высоких индукций (высоких значений ).

Магнитные свойства магнитных изделий в переменных и импульсных полях существенно зависят от сопротивления электрической изоляции, покрывающей их поверхности. Электроизоляционное покрытие должно быть однородным, сплошным, с достаточно высоким удельным сопротивлением и быть термически стойким при температуре отжига в глубоком вакууме или в водороде. В качестве такого покрытия применяют оксиды или .

Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, дефицитность отдельных компонентов (прежде всего никеля), необходимость  проведения сложного отжига после механической обработки и большая зависимость  магнитных свойств от механических воздействий, что требует специальных мер защиты. [1,5,3]

 

1.2.2 Альсиферы

 

Альсиферы — это сплавы из алюминия, кремния и железа (А1—Si—Fe), образующие твердые растворы. Высокую магнитную проницаемость альсиферы имеют в очень узком концентрационном интервале Аl и Si. Сплав оптимального состава содержит: Si 9,6%, А1 5,4%, остальное Fe.

Магнитные свойства альсифера с оптимальным составом приведены в таблице 1, из которой видно, что они не уступают магнитным свойствам пермаллоев. Магнитная анизотрония и константа магнитострикции у альсиферов близки к нулю. Однако максимум магнитных свойств соответствует очень точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промышленные образцы имеют более низкие значения магнитных свойств, чем альсифер оптимального состава (у отожженных образцов ). Альсиферы отличаются высокой твердостью и большой хрупкостью, вследствие чего толщина изделий из  альсифера (например, магнитные экраны) должна быть не менее 2—3 мм. Из-за низкого удельного сопротивления изделия из этого материала не используют в цепях переменного тока даже при частоте 50 Гц. Альсиферы хорошо размалываются в порошок, который, как карбонильное железо, используется в качестве ферромагнитной фазы в матнитодиэлектриках. [1]

2 Высокочастотные магнитомягкие материалы

 

С увеличением частоты  в диапазоне от звуковых частот до СВЧ включительно потери на вихревые токи настолько сильно возрастают, что применение магнитомягких материалов становится неэффективным, а часто и невозможным. Исключение составляют тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали толщиной 25—30 мкм и пермаллои толщиной 2—3 мкм, которые можно использовать при звуковых,  ультразвуковых и низких радиочастотах. Однако эти материалы имеют  несколько повышенную коэрцитивную силу, высокую стоимость и сложную технологию получения из них магнитных изделий. Потери на вихревые токи можно снизить путем увеличения электрического сопротивления материала и уменьшения его индукции. Материалами, которые обладают высоким электрическим сопротивлением и малым значением магнитной индукции, являются магнитодиэлектрики и ферриты. [1]

 

2.1 Ферриты

 

Ферриты — это ферримагнитная керамика, сочетающая в себе высокие  магнитные свойства и высокое  удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что  позволило их применять в области  ВЧ и СВЧ, т. е. там, где металлические магнитомягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущество ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой  сложные системы оксидов железа и двухвалентного (реже одновалентного) металла, имеющие общую формулу . Ионы металлических оксидов: , , , , , , и др., которые и дают название ферриту. Например, — никелевый феррит, — цинковый феррит. Применяющиеся в технике ферриты называют также оксиферами. В последнее время широко применяются ферриты с общей формулой (где — ион двух- или трехвалентного металла).

Свойства ферритов и соответственно изделий из них сильно зависят от их состава и технологии получения. В промышленности используют наиболее простую технологию, заключающуюся в спекании оксидов при высокой температуре; она заключается в следующем. В начале приготавливают ферритовый порошок, состоящий из обожженных оксидов соответствующих металлов, тонко измельченных и тщательно перемешанных. В порошок добавляют пластификатор (обычно раствор поливинилового спирта) и из полученной массы под большим давлением прессуют изделия требуемой формы и обжигают их при температуре 1100—1400°С. В процессе обжига и образуется феррит, представляющий собой твердый раствор оксидов. При этом происходит усадка, которая может составлять 10—20%. Очень важно, чтобы обжиг происходил в окислительной среде (обычно в воздухе). Присутствие даже небольшого количества  водорода может вызвать частично восстановление оксидов, что приведет к увеличению магнитных потерь. Полученные ферритовые изделия являются твердыми и хрупкими и не позволяют производить механическую обработку, кроме шлифования и полирования.

Ферриты имеют гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой ионы кислорода образуют как тетраэдры, так и октаэдры, которые тоже участвуют в формировании  магнитных свойств. В центре тетраэдра располагается ион металла. Если этим ионом является то материал обладает магнитными свойствами, например, ферриты никелевый ( ) и марганцевый ( ). Если этим ионом является или то магнитные свойства отсутствуют, образуется немагнитный феррит, например, цинковый ( ) или кадмиевый ( ). Указанные явления объясняются тем, что в ферритах между магнитными  моментами соседних атомов осуществляется косвенное обменное  взаимодействие, которое приводит к их антипараллельной ориентации (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема ориентации магнитных моментов атомов различных материалов

 В связи с этим  кристаллическую решетку ферритов  можно представить как состоящую  в магнитном отношении из двух  подрешеток, имеющих противоположные  направления магнитных моментов  ионов (атомов). В магнитном феррите  намагниченность подрешеток неодинаковая, поэтому возникает суммарная спонтанная намагниченность, а в немагнитном феррите суммарная намагниченность равна нулю.

Технические ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. К магнитомягким ферритам в первую очередь относятся две группы ферритов: никель – цинковые и марганец – цинковые, представляющие собой трехкомпонентные системы NiO—ZnO— и MnO—ZnO— (таблица 3). Немагнитные ферриты добавляют к магнитным для увеличения магнитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы. Однако при этом снижается температура Кюри (температура, выше которой вещество – ферромагнетик теряет намагниченность. Если ниже этой температуры магнитные моменты атомов вещества сонаправлены и оно обладает магнитными свойствами в отсутствии внешнего магнитного поля (т.е. вещество является ферромагнетиком), то выше неё из–за сильных тепловых колебаний упорядоченность нарушается и магнетизм исчезает, вещество становится парамагнетиком).

Магнитные свойства ферритов, как и альсиферов, очень сильно зависят от их состава. На рисунке 9а приведена зависимость начальной магнитной проницаемости никель – цинкового феррита от его состава. Из рисунка видно, что высокие значения достигаются на очень узком участке диаграммы.

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

Рисунок 9 – Зависимость  начальной магнитной проницаемости  : (а) никель – цинковых ферритов от состава (температура обжига ); (б) от температуры Т для марганец – цинковых и никель – цинковых ферритов

Чем выше начальная магнитная  проницаемость феррита данной группы, тем ниже его температура Кюри (рисунок 9б) и менее стабильны магнитные свойства при изменении температуры. Магнитная проницаемость влияет также на величину критической частоты ; чем больше , тем ниже . Ферриты, у которых , во многих случаях в слабых полях

Таблица 3 – Параметры некоторых магнитомягких ферритов

эффективно заменяют пермаллои  и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (в 2—3,5 раза) индукцию насыщения, чем металлические ферромагнетики.

Температурная зависимость магнитной проницаемости характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКµ и относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости , определяемого из выражения

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

Магнитные потери ферритов часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь . В слабых полях потери на вихревые токи у них ничтожны из–за высокого  удельного сопротивления, на гистерезис малы и в основном образуются за счет потерь на магнитное последействие. Удельные потери, P, Вт/ , на перемагничивание в слабых полях тороидального ферритового сердечника можно вычислить по формуле

Из этой формулы видно, что удельные потери на перемагничивание в основном зависят от квадрата индукции и относительного тангенса угла магнитных потерь ( / ). [1]

 

2.1.1 Применение  ферритов

 

Магнитомягкие ферриты с  начальной магнитной проницаемостью 400—20000 в слабых полях во многих случаях аффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы — пермаллой и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.

Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, 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.