Характеристика кристаллических решеток

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

k_пу = B_r / B_max  . В качестве ферритов с ППГ используются магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели, легированные ионами цинка, кальция, меди, натрия. Коэффициент прямоугольности для них - k_пу = 0,9…0,94; остаточная индукция B_r B_r = 0,15…0,25 Тл, температура Кюри Т_к = 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 H_d , снижающее индукцию внутри магнита до B_d, котрая меньше остаточной индукции B_r . 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 B_d уменьшается c увеличением зазора. При замкнутом магните B_d  = B_r – магнитная энергия равна нулю, так как Н_d = 0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равнв коэрцитивной силе материала Н_с , а B_d = 0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия W_d = 0. При некоторых значениях B_d и Н_d энергия достигает максимального значения: Величина W_max 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 B_r , коэрцитивная сила Н_с и коэффициент выпуклости γ.

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 (α-фаза). При медленном охлаждении до определенной температуры происходит дисперсионный распад равновесной фазы на две (α₁ и α₂) фазы, причем α₁-фаза, по своему составу близкая к чистому железу, является сильномагнитной, фаза α₂ состоит из Ni-Al и является слабомагнитной. Таким образом, сильномагнитная фаза α₁ в виде однодоменных включений распределена в немагнитной фазе α₂. 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 Н_с = 50 кА/м, а магнитная энергия W_max = 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 W_max = 6 кДж/м³, анизотропные – W_max = 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 В_r и магнитную энергию W_max на 10... 20% и не влияет на коэрцитивную силу Н_c. 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 R_x Со_y, 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 W_max 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  ρ металлические проводниковые  материалы можно разделить на две группы: материалы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре ρ < 0,05 мкОм·м; металлы и сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при тех же условиях ρ > 0,3 мкОм·м. Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники, которые обладают ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.