Характеристика перспективных материалов

На диаграмме 1 представлены доли в процентном выражении от общего мирового объема производства постоянных спеченных магнитов Nd-Fe-B, приходящиеся на различные сегменты рынка.

Диаграмма 1. Распределение производства спеченных  магнитов Nd-Fe-B по сегментам рынка  
 

    Как видно из диаграммы, наиболее важным применением спеченных постоянных магнитов является их использование в электрических моторах постоянного тока. Обычно в этих устройствах применяются ферритовые постоянные магниты. Как известно, в моторах постоянного тока для изменения направления тока в обмотках ротора (движущаяся часть электродвигателя) используются щетки, т.е. оно производится механически. Постоянные магниты входят в состав статора (неподвижная часть) магнита, создающего постоянное магнитное поле. В 1989 г. были изобретены моторы с электрической системой переключения направления электрического тока. В этих системах постоянные магниты входят в состав ротора, электрические обмотки используются как статор и остаются неподвижными. Как правило, угловые координаты ротора определяются посредством измерения магнитного поля в непосредственной близости от ротора при помощи датчиков Холла, и в зависимости от координат производится переключение направления тока. Высокоэнергетичные спеченные магниты Nd-Fe-B в настоящее время рассматриваются как наиболее перспективные для использования в роторах таких электромоторов. Следует отметить, что важным является как большое значение намагниченности насыщения редкоземельных магнитов, обеспечивающее большой результирующий механический момент на валу электродвигателя, так и большое значение коэрцитивной силы, предотвращающее размагничивание ротора при его работе. Не менее важен и малый удельный вес спеченных магнитов Nd-Fe-B на единицу намагниченности, что при прочих равных условиях заметно уменьшает момент инерции ротора и повышает мощность мотора.

    Моторы  постоянного тока в основном используются в автомобилях, тем самым накладывая определенные и вполне понятные ограничения  на стоимость входящих в их состав материалов. Как уже было сказано  выше, до недавнего времени широко использовались ферритовые магнитные материалы из-за их дешевизны, однако сейчас наметилась тенденция к увеличению доли Nd-Fe-B магнитов в этом секторе производства. 

    В отличие от рассмотренных выше моторов  постоянного тока, шаговый мотор  при вращении проходит последовательно некоторое конечное количество положений. Обычный шаговый мотор имеет около 200 фиксированных положений на один оборот вокруг своей оси, что эквивалентно шагу по углу величиной 1.8о. Такие моторы применяются в периферийных устройствах для компьютеров, принтерах, плоттерах, жестких дисках, дисководах, видеокамерах, робототехнике и т.д. Очевидно, спеченные магниты Nd-Fe-B обладают наиболее подходящими характеристиками для изготовления на их основе роторов для шаговых моторов. Благодаря более высокому значению BHMAX на 1 кг материала спеченных магнитов Nd-Fe-B по сравнению с ферритами и альнико, ротор из Nd-Fe-B будет обладать меньшей инерцией (и, очевидно, размером), что приведет к существенному улучшению технических показателей мотора без увеличения его стоимости. Кроме того, при использовании в качестве материала для ротора спеченных магнитов Nd-Fe-B возможно принципиальное упрощение конструкции мотора (и следовательно его стоимости) по следующим соображениям. В старых вариантах ротор шагового мотора имел вид длинного цилиндра, составленного из нескольких (около 5) толстых дисков с большим количеством параллельных оси цилиндра вырезов на его поверхности (рис. 2, а). Выступы на дисках соответствующим образом намагничивались. Количество выступов определяло количество фиксированных положений ротора мотора. Такая конструкция достаточно сложна в техническом исполнении. Применение спеченных магнитов Nd-Fe-B позволило изготовить ротор в виде литого сплошного цилиндра без вырезов с последовательными областями намагниченности (рис.2, б). Очевидно, что новая конструкция значительно проще старой при одинаковых технических характеристиках, что и делает ее экономически более выгодной.

    Одним из ведущих по объему рынком сбыта  постоянных магнитов является рынок магнитных резонансных томографов для диагностических медицинских и промышленных целей. Для успешного функционирования томографа необходимо очень однородное по пространству и постоянное по времени магнитное поле в исследуемой области. Если требование однородности поля не будет выполняться (или будет выполняться с ненадлежащей точностью), то полученное изображение будет содержать трудноконтролируемые погрешности, связанные с распределением величины индукции магнитного поля в исследуемом объекте.

    Поясним принцип действия резонансного томографа. При приложении магнитного поля магнитные  моменты протонов водорода ориентируются  по направлению поля. Если исследуемую  область облучать переменным электромагнитным полем, то при совпадении частоты  поля с собственной частотой магнитных частиц электромагнитное излучение будет поглощаться. При помощи специальных детекторов определяется распределение мощности поглощения по исследуемой области и исходя из этой информации вычисляется распределение концентрации протонов водорода. Протонов водорода много в мягких тканях и воде, но они отсутствуют в костной ткани. Таким образом, при помощи томографии возможна визуализация труднодоступных органов в теле человека. В первых магнитных томографах достичь требуемой однородности поля в области необходимого размера (а это значительные размеры, если исследуется тело человека) использовались сильные поля - до 1.5 Т, для получения которых требовались сверхпроводящие магниты. Спеченные магниты семейства Nd-Fe-B идеально подходят как по своим физическим, механическим, так и экономическим параметрам для применения в магнитных резонансных томографах. В настоящее время использование постоянных магнитов Nd-Fe-B позволило создать томографы на постоянных магнитах с полем 3.0 Т. Это существенно расширяет сферу применения томографов, поскольку томографы на постоянных магнитах не требуют жидкого гелия в процессе эксплуатации.

    Следующее важное применение постоянных магнитов - в подвижных катушках (соленоидах), используемых в акустических динамиках, микрофонах а также при позиционировании компьютерных дисков и лентопротяжных устройств, зеркал в лазерных сканерах и т.д. Подвижные катушки успешно конкурируют с моторами постоянного тока и с шаговыми моторами в приложениях, связанных с точным позиционированием, т.к. у них нет "мертвого хода". Нет у них и проблем, связанных с неравномерным движением или потерей энергии при преобразовании кругового движения в поступательное. На рис. 3 а, б представлены два возможных способа конфигурации постоянного магнита и катушки. В первом случае постоянный магнит имеет форму обычного диска, во втором постоянный магнит намагничен в радиальном направлении.

Постоянный  магнит крепко закреплен и неподвижен, а катушка двигается линейно  и поступательно в воздушном  зазоре. В катушке нет железа и других магнитных материалов, а ее механическая прочность обеспечивается, как правило, пропиткой эпоксидными смолами - таким образом, исключаются потери на гистерезис и неточности в позиционировании катушки. Для уменьшения инертности, катушка должна иметь как можно меньшую массу, обеспечивая тем самым более высокое быстродействие прибора. Можно показать, что эффективность системы растет с увеличением плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Поэтому в таких устройствах целесообразно применение высокоэнергетических постоянных магнитов.

    В акустических катушках обычно применяются  схемы, аналогичные представленной на рис. 3 (а), т.к. конструкцию с магнитом в виде диска с одноосной анизотропией легче собрать. Есть несколько причин, по которым наиболее удачным решением в таких устройствах будет использование постоянных спеченных магнитов Nd-Fe-B. Во-первых, спеченные магниты Nd-Fe-B обладают рекордным значением BHMAX и следовательно создают в воздушном зазоре магнитный поток максимальной плотности. Во-вторых, спеченные магниты Nd-Fe-B характеризуются минимальными удельной массой и размером на единицу магнитной энергии, что позволяет изготовлять миниатюрные и легкие устройства. В-третьих, цена на этот материал относительно невелика и имеет тенденцию к дальнейшему снижению.

    Значительную  долю рынка сбыта магнитных материалов занимают производители магнитных  сенсоров. Сенсоры используются для  контроля параметров движения самых  различных механизмов - от деталей  самолета до промышленных моторов и автомобильных противоугонных систем. Типичная конструкция магнитного сенсора представляет собой жесткий диск с большим количеством выемок параллельно его оси на внешней поверхности цилиндра.

    Соответствующие выступы на цилиндре намагничены. Вблизи поверхности выступов расположен датчик магнитного поля Холла, который по изменению напряженности магнитного поля "чувствует" когда под ним выступ, а когда впадина, тем самым четко контролируя движение колеса сенсора. Чем больше вырезов (а значит и выступов) на поверхности цилиндра, тем большей чувствительностью обладает сенсор. Чувствительность также повышается при повышении плотности магнитного потока над выступами. Применение в качестве рабочего материала для цилиндра сенсора спеченных магнитов Nd-Fe-B значительно упрощает конструкцию сенсора (аналогично упрощению конструкции шагового мотора, см. выше по тексту) и повышает плотность магнитного потока вблизи поверхности цилиндра (рис 4 а, б). Это позволяет создавать более миниатюрные и дешевые устройства и, что крайне важно, обеспечить соответствующий зазор между датчиком и перемещающимися элементами конструкции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Перспективные строительные материалы

    В наше время широко ведутся строительные работы, возводится все больше зданий, как жилых, так и промышленных. Поэтому разработка перспективных материалов для строительства, на мой взгляд, является очень перспективным направлением. Хотелось бы рассмотреть некоторые из новейших материалов.

Блоки несъемной опалубки   из пенополистирола  «Теплый дом»

   Блоки представляют собой две  пластины, соединенные между собой  перемычками из пенополистирола  или комбинированные из металла  и ПВХ, расположенные на различном  расстоянии (150; 200; 250 мм). Внутри пространство между пластинами армируется и заливается бетоном. Технические характеристики блоков:

   толщина стены – 250 мм (из них: 100 мм – пенополистирол, 150 мм –  бетон);

   вес стен без внешней и внутренней  отделки – 280–300 кг/м2;

   расход бетона – около 125 л/м2 стены;

   коэффициент теплопроводности –  0,036 Вт/мЧК;

   степень огнестойкости – 1;

   акустическая изоляция – 46 дБ.

   Расположенные сверху, снизу и  с торцов изделия системы замков  позволяют прочно соединить блоки  при монтаже стен и исключить протекание бетона. Монтаж водопровода, канализации и вентиляции производят одновременно при монтаже стен, что позволяет эстетически убрать коммуникации в стены. Электропроводка врезается в стену в кратчайшие сроки.

   Внутреннюю отделку лучше всего производить гипсокартоном, который клеится непосредственно на пенополистирол, что позволяет сохранить полезную площадь.

Серия лакокрасочных материалов «БИО»

   Разработана и освоена в промышленном  производстве серия лакокрасочных  материалов под маркой «БИО», модифицированных биологически активными добавками для ремонта общественных зданий и помещений:

   ВД-БИО – водная акриловая  краска для потолков (внутренних  работ);

   ВБ-БИО – моющая водная акриловая  краска для внутренних работ;

   ПФ-115 БИО – глянцевая (полуматовая и матовая) эмаль;

   МА-15 БИО – масляная краска.

   При использовании водоэмульсионных  красок для стен и потолка,  алкидных и масляных красок  для пола и интерьера резко  снижается концентрация вируса  гриппа, гепатита А, микробов стафилококка и др. в помещениях, сохраняя эту активность минимум в течение года. Новая разработка была испытана во Всесоюзном институте экологии человека им. Сысина с положительным результатом, получен санитарно-гигиенический сертификат.

   Использование новой разработки в помещениях с большим количеством людей – школах, детских садах, роддомах, больницах и т.д. позволит снизить опасность эпидемий, различных болезней.

Высокоэффективные установки  для  производства неавтоклавного пенобетона

   Известно, что основными преимуществами пенобетона являются: экологическая чистота, влагостойкость, низкая теплопроводность, монолитность, негорючесть.

   Установка для производства неавтоклавного  пенобетона состоит из трех  частей – смесителя, пеногенератора  и насоса. Каждая из частей весит 300–400 кг, т.е. для транспортировки подходит любое транспортное средство.

   Процесс приготовления порции  пенобетона происходит непосредственно  на строительном объекте. Цикл  длится 8 минут. Порция цемента  засыпается в бак, затем туда подается специально приготовленная устойчивая пена, в течение 3 минут все перемешивается, и куб готового раствора готов. Через шланг раствор насосом подается в нужное место. За смену установка, которую обслуживают три человека, даст 30–40 кубов готовой продукции. При этом расход электроэнергии составляет 6–8 кВт/час, воды – 3–4 кубометра за смену.

   Предлагаемые пенообразователи  по некоторым параметрам превосходят  итальянские, при этом стоят  в 3 раза дешевле.

Камни стеновые быстровозводимые СБ

   Новое поколение стеновых камней, вобравших в себя все лучшее, что имеется в выпускаемых мелкоштучных строительных изделиях, плюс целый ряд новых потребительских качеств, делают быстровозводимые стеновые камни (СБ) универсальным строительным материалом. СБ применяются для кладки ограждающих стен при строительстве многоэтажных домов и административных зданий. Для малоэтажных жилых и дачных домов материал может использоваться как при кладке ограждающих, так и несущих стен. В соответствии с действующим СНиП материал может применяться во всех климатических и сейсмических зонах.