Магнитные материалы

 
Магнитотвердые ферриты

Магнитотвердые  ферриты (оксидные магниты) — это  ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Применяются главным  образом феррит бария BaO^.6Fe2O3, феррит кобальта CoO^.6Fe2O3 и феррит стронция SrO^.6Fe2O3. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. Технология их получения аналогична технологии приготовления керамики. Для получения мелкокристаллической структуры осуществляют тонкий помол, а спекание проводят при относительно невысоких температурах, чтобы исключить процесс рекристаллизации. Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют. Текстура создается путем формования массы в сильном магнитном поле.

В зависимости  от технологии изготовления магниты  на основе феррита бария могут  быть изотропными и анизотропными. Ферриты кобальта имеют кубическую структуру и получают их по той  же технологии, что и ферриты бария. Основное отличие заключается в  термомагнитной обработке спеченных  магнитов.

Магнитные свойства магнитотвердых ферритов: Hc — 120-240 кА/м, Wm — 3-18 кДж/м³. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например, =10⁴-10⁷ Ом.м. Недостатки магнитотвердых ферритов — низкая механическая прочность большая хрупкость и твердость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры.

 
Пластически деформируемые сплавы

К пластически  деформируемым сплавам относятся  сплавы систем:

Fe — Со — Mo — (72%Fe, 12%Со, 16%Mo — комол);

Fe — Со — V — (37%Fe, 52%Со, 11%V — викаллои);

Fe — Ni — Cu — (20%Fe, 20%Ni, 60%Cu — кунифе);

Co — Ni — Cu —(45%Co, 25%Ni , 30%Cu — кунико).

Эти сплавы более  пластичны и значительно легче  поддаются механической обработке. Благодаря мелкодисперсной структуре, магнитные свойства этих сталей лучше, чем у легированных мартенситных сталей. Дисперсионно-твердеющие сплавы типа Fe — Со — Mo (комолы) приобретают высококоэрцитивное состояние (магнитную твердость) в результате отпуска после закалки, при котором происходит распад твердого раствора и выделяется фаза, богатая молибденом. Сплавы типа Fe — Со — V (викаллои) для придания им свойств магнитотвердых материалов подвергают холодной пластической деформации с большим обжатием и последующему отпуску. Высококоэрцитивное состояние сплавов типа Pt — Со возникает за счет появления упорядоченной тетрагональной фазы. К этой группе материалов относятся сплавы систем Fe — Ni — Cu и Co — Ni — Cu. Магнитные свойства этих сплавов высокие: Hc (12-55) кА/м, Wm (3-19)кДж/м³. Магнитотвердые ферриты применяются для работы в условиях рассеянных магнитных полей и в СВЧ-диапазоне. Основной недостаток этих сплавов — высокая стоимость.

 
Сплавы на основе редкоземельных элементов

Редкоземельные  элементы (РЗЭ) образуют большое число  бинарных соединений с металлами  переходной группы, обладающих высокими магнитными свойствами. Наибольший интерес  представляют соединения RCo5 и R2Co17, где R — редкоземельный металл (самарий, празеодим, церий); кобальт может  быть частично замещен медью или  железом. Эти соединения имеют гексагональную структуру и им присуща сильная  магнитная анизотропия и высокая температура Кюри. Наиболее высокая намагниченность насыщения наблюдается у соединений кобальта с элементами первой половины ряда лантаноидов, что обусловлено ферримагнитным упорядочением спинов атомов РЗЭ и атомов кобальта в этих соединениях. При температуре ниже некоторого критического значения соединения RСо5 метастабильны и распадаются на две фазы. Нарушение фазовой однородности является одной из причин проявления высокой коэрцитивной силы в материале. У материалов на основе РЗЭ Hc = (560-800) кА/м, Wm = (56-80) кДж/м³.

Магниты из этих сплавов получают наиболее часто  жидкофазным спеканием из порошков. Например, магниты на основе SmCo5 спекаются  после прессования при температуре 1100 ^оС в течение 30 мин в атмосфере чистого аргона. Магниты из этих соединений должны быть защищены от окисления покрытиями из металла или оксидных пленок. Основные их недостатки — высокая хрупкость и высокая стоимость.

 
Сплавы для магнитных носителей  информации

Материалы этой группы должны иметь высокие значения остаточной магнитной индукции Br и коэффициента выпуклости в, а также высокую остаточную индукцию для повышения уровня считываемого сигнала.

Для записи и  воспроизведения информации используют тонкие металлические ленты и  проволоку из специальной нержавеющей  стали и викаллоя. В качестве магнитного носителя информации используют магнитотвердые порошковые покрытия, нанесенные на различные основания. Намагниченность магнетика после «отключения» поля будет зависеть от величины этого поля. Именно этот эффект используется для магнитной записи информации. Для этого различные участки ферромагнетика в виде тонкого магнитного слоя, нанесенного на диамагнитный диск или ленту, намагничивают полем, создаваемым миниатюрным источником магнитного поля — записывающей головкой. В результате такой записи различные участки ферромагнетика будут иметь различную остаточную намагниченность, несущую в себе информацию о поле, создаваемом записывающей головкой. Записанная информация может долго храниться. С помощью различных устройств, называемых считывающими головками, записанная информация может быть считана и превращена в записанный ранее электрический сигнал. В настоящее время достигнута очень высокая плотность записи — свыше 100 мегабит на см².

В качестве магнитного порошка используют оксиды железа, магнитотвердые ферриты, сплавы типа ални. Магнитные свойства лент, дисков и других устройств существенно зависят от размера частиц порошка, их ориентации и объемной плотности в рабочем слое. Качество поверхности влияет на ее частотные показатели.

МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ФЕРРИТЫ

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ            

  С изобретения телефона, а точнее с практического применения переменного электрического тока начинается история современных магнитомягких материалов. Изучались способы ограничения возрастающего затухания телефонных токов при увеличении дальности телефонной связи.            

 Использовать  катушки с сердечниками из  мелких стальных опилок и воска  предложил Хевисайд в 1893 году. Они должны были ограничить возрастающее затухание на линии.            

 Основные  требования к магнитомягким материалам для техники связи были определены в течение 1893-1900 гг. - малые потери, высокая магнитная проницаемость, малое искажение передаваемых токов и напряжений. Требования к магнитомягким материалам еще более возросли в связи с изобретением асинхронной машины и развитием однофазной и многофазной систем переменного тока. Требования стали заключаться в больших значениях индукции насыщения, малых потерях на гистерезис и вихревых токов, а также меньших старений, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали.            

 Хорошее воздействие  присадки кремния на магнитные  свойства чистого железа было  обнаружено в конце прошлого  века. При этом примерно в 3 раза сократились удельные потери  листовой стали. В следствие этого, низкоуглеродистая сталь в производстве магнитных материалов для электротехники стала заменяться на кремнистую.            

 Новым трамплином  к поискам легирующих элементов,  которые, наоборот, увеличивали бы индукцию насыщения послужило снижение индукции насыщения при введении кремния. В 1921 г Elmen, открыл и описал магнитные материалы, которые образуют большую группу пермаллойных сплавов на железо-никелевой основе. Ему хотелось обнаружить сплав с высокой магнитной индукцией, но обойдясь без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение индукции насыщения он сам же и открыл.            

 Первое применение  пермаллоя в технике связи  при конструировании телеграфного  реле также относится к этому  периоду. Следующий пермаллойный сплав - му-металл, был создан в 1927 г. в Германии. Он долго являлся материалом с самой большой проницаемостью. С этого периода начинается довольно успешная и интенсивная работа над повышением качества металлических магнитных материалов. Долгое время для высокочастотных цепей в сердечниках применялся феррокарт (сочетание из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки). Позднее был изготовлен железный порошок с величиной частиц от 1 до 10 мкм из пентакарбонила железа в 1928 г в Германии. Он применялся для изготовления карбонильных сердечников, часто применяемых в виде колец и стержней. В 1930 г, в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя. По свойствам он превосходил карбонильные сердечники. Но из-за дефицитности сырья такие сердечники могла производить не каждая страна. Из-за этого в других странах усиленно разрабатывались из доступного сырья материалы для сердечников.            

 В Японии  в 1935 году Х.Масумото нашел такой материал, который стал известен под названием альсифер. Это сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Чтобы выполнить новые высокие требования электротехники нужны новые виды магнитных материалов. Практически исчерпали свои возможности экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 50-60 лет назад. Были использованы самые лучшие из простых, двойных и более сложных сплавов. В связи с развитием технологических процессов, вошли в применение плавка и обжиг. При термомагнитной обработке материалы получили новые свойства, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения индукции насыщения кремнистой стали.            

 Большое внимание  на данный момент уделяется  ферритам. Лаборатория фирмы Philips в 1936 году начала научные исследования. Полученные в прошлые 70 лет практический опыт и теоретические знания в области ферромагнетизма, дали возможность вести работу по исследованию ферритов и технологии их производства совершенно по-другому.            

  Свое происхождение ферриты ведут от магнитного железняка - естественного постоянного магнита, который был известен на протяжении всей культурной истории человечества. Магнитный железняк благодаря своей малой электропроводности, а следовательно, малым потерям в переменных магнитных полях и казался пригодным для применения, несмотря на это, в начале развития техники связи отыскивали новые виды магнитных материалов искусственного состава. Однако совсем не пригодны для технического применения его магнитные свойства в природном виде.            

  Идея применения магнитного железняка была отодвинута почти на 30 лет,, чтобы понять, почему это было сделано рассмотрим прежние взгляды и их использование при разработке новых видов магнитных материалов. Практически все природные явления, которые не могли объяснить в т.ч. и ферромагнетизм, объясняли раньше проявлением "флюидов". В начале XVII в. такое объяснение магнитных явлений давал В.Гильберт.            

 А.Ампер в 1822 г под влиянием открытия магнитного действия электрического тока, сделанного в 1820 г Эрстедом, для объяснения причины магнетизма предложил теорию молекулярных токов. Но он не мог объяснить, почему не происходит нагревания магнитного материала молекулярными токами и где возникает напряжение, вызывающее эти токи. В результате теория потеряла значение. Ewing подтверждает представления Вебера о молекулярных магнитах в конце XIX в., о том, что каждая отдельная молекула и каждый атом имеют собственные магнитные поля. Он построил модель из большого числа магнитных стрелок, размещенных в пространстве и легко вращающихся вокруг своей оси, на ней можно было снять данные кривой намагничивания. Это послужило подтверждением связи молекулярных магнитов с магнетизмом. Взаимное влияние магнитных стрелок наблюдалось при намагничивании модели. Также он высказывал возможность взаимодействия молекулярных магнитов.