Магнітні матеріали
ЛЕКЦІЯ № 9
ПЛАН
1. Загальні властивості магнітних матеріалів
2. Феро- та феримагнетики
3. Основні характеристики магнітних матеріалів
4. Намагнічування змінним полем
5. Магніто - м’які матеріали
6. Магніто - тверді матеріали
ЛІТЕРАТУРА
Основна
Л І Н.В. Никулин «Электроматериаловедение» М. «Высшая школа» 1989 г.
Л2 Н.П. Богородицкий, В.В. Паськов, Б.М Тареев «Электротехнические
материалы» Л. «Энергоатомиздат» 1985 г.
ЛЗ Н.В. Никулин «Электроматериаловедение» М. «Высшая школа» 1984 г.
Л4 Н.С. Ахметов «Общая и неорганическая химия» М. «Высшая школа» 1981 г.
Л5 Ю.В. Корицкий «Основи физики диэлектриков» М. «Энергия» 1979 г.
Л6 Под редакцией профессора Б.М. Тареева «Электрорадиоматериалы»
М. «Высшая школа» 1978 г.
Л7 Н.П. Богородицкий, В.В. Паськов, Б.М. Тареев
«Электротехнические материалы» Л. «Энергия» 1977г.
Л8 Ю.В. Корицкий «Электротехнические материалы» М. «Энергия» 1976 г.
Л9 Л.С. Ейльман «Проводниковые материалы в электротехнике». М. «Энергия»
1974г.
Л 10 Ш.Я Коровский «Авиационное электрорадиоматериаловедение» М.
«Машиностроение» 1972 г.
Л 11 Ю.В. Корицкий «Электротехнические материалы» М. «Энергия» 1968 г.
Л 12 Р.А. Гаврилов, А.М. Скворцов «Основи физики полупроводников». М. «Машиностроение» 1966 г.
Додаткова
Л 13 А.Ф. Кухта «Электрорадиоматериалы» Кривой Рог 1987 г.
Л 14 П.Б. Гетман, В.Б. Березин, А.М. Хайкин Справочник. «Электротехнические
материалы в вопросах и ответах» М. «Энергоатомиздат» 1984 г. Л 15 А.Н. Козлов «Электрорадиоматериальї». М. МИИГА 1987 г.
1. Загальні властивості магнітних матеріалів
До магнітних матеріалів звичайно відносять такі, що намагнічуються у відносно слабких магнітних полях і істотно змінюють їх. Вони знайшли широке застосування в електротехніці, радіоелектроніці, автоматиці, приладобудуванні (постійні магніти, електромагніти, статори і ротори електричних машин, датчики, дроселі, запам‘ятовуючі елементи тощо). Почалось їх застосування (на початку заліза ) ще в XIX столітті. З початку XX століття в електротехніці застосовується сталь з домішками кремнію 0,5-5 %. Пізніше почали використовувати сплави Fe-Ni. В цей же час розвивалась теорія феромагнетизму, яка сприяла розробці нових магнітних матеріалів; в середині XX століття з‘явились оксидні магнітні матеріали - ферити, що використовуються на високих та надвисоких частотах; в 1976 р. -металічне скло-сплави на основі Fe, Co, Ni з додаванням неметалів, які відіграють роль склоутворюючих елементів.
Дослідження, пошук нових матеріалів з кращими характеристиками, удосконалення відомих матеріалів актуальні і сьогодні і тривають.
Основною фізичною величиною, яка характеризує магнітні властивості речовини, є магнітний момент. Магнітний момент мають елементарні частинки, атомні ядра, електронні оболонки атомів та молекул. Магнітний момент окремих елементарних частинок ( електронів, протонів, нейтронів та ін.) визначається їх власним механічним моментом - спіном. Магнітний момент атомів є векторною сумою спінових та орбітальних магнітних моментів, зумовлених спіновим та орбітальним рухом електронів оболонок та нуклонів ядер.
Відповідно до сучасних уявлень про магнетизм розрізняють такі основні типи магнітного стану речовини: діамагнетизм, парамагнетизм, феромагнетизм, антиферомагнетизм). Речовини, в котрих проявляються такі явища, називаються відповідно діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики.
Ці групи матеріалів відрізняються за величиною і знаком магнітної сприйнятливості, а також характером залежності від температури та напруженості зовнішнього магнітного поля.
Діамагнетики намагнічуються назустріч напрямові діючого на них зовнішнього поля. Величина для них від’ємна, складає близько для твердих тіл та рідин і практично не залежить від температури і напруженості поля. Зовнішнім проявом діамагнетизму є виштовхування тіла з неоднорідного магнітного поля. Діамагнетизм властивий усім речовинам, проте визначає поведінку речовини в магнітному полі лише за відсутності сильніших магнітних властивостей.
Парамагнетики намагнічуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Їх магнітна сприйнятливість і за звичайних умов складає ; для багатьох парамагнетиків не залежить від величини напруженості поля, але істотно залежить від температури. Парамагнетики втягуються в неоднорідне магнітне поле.
Феромагнетики відрізняються великими позитивними значеннями і складною нелінійною залежністю від температури і зовнішнього поля. Вище деякої критичної температури феромагнетики переходять у парамагнітний стан.
Антиферомагнетики нижче певної температури відзначаються впорядкованим станом, в якому магнітні моменти сусідніх частинок речовини зорієнтовані назустріч один одному (антипаралельно), і слабкою намагніченістю в зовнішньому магнітному полі ().
Для феримагнетиків характерна наявність кількох магнітних підрешіток, магнітні моменти яких відрізняються і не компенсують одна одну (як у антиферомагнетиках).
Діамагнетики, парамагнетики і антиферомагнетики звичайно об‘єднують у групу слабомагнітних речовин, а феромагнетики і феримагнетики – в групу сильномагнітних, останні знайшли широке застосування як магнітні матеріали в електротехніці та радіотехніці.
2. Феро- та феримагнетики.
Феромагнетики – речовини, у яких нижче певної температури (точки Кюрі Тк) реалізується магнітовпорядкований стан, з самодовільною намагніченістю. Вона зумовлена взаємно паралельною орієнтацією магнітних моментів атомів або іонів (в неметалах) або магнітних моментів усуспільнених електронів (в металах).
До феромагнетиків належать так звані перехідні метали Fe,Co та Ni і рідкісноземельні метали Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm;феромагнітні також чисельні металічні бінарні і складні сплави вказаних металів між собою та з іншими неферомагнітними елементами, сплави і сполуки Сr і Mn з неферомагнітними елементами тощо. Феромагнітний порядок виявлено також в багатьох аморфних металічних сплавах (металічне скло) і аморфних напівпровідниках, в звичайному органічному та неорганічному склі і т.п.
Явище феромагнетизму пов‘язане з утворенням в речовині таких структур, за яких в границях макроскопічних областей, котрі називаються магнітними доменами, магнітні моменти електронів виявляються зорієнтованими паралельно один одному і в одному напрямку.
Зі збільшенням напруженості зовнішнього магнітного поля зростає намагніченість і магнітна індукція. Під впливом зовнішнього магнітного поля зростають ті домени, у котрих магнітні моменти зорієнтовані у напрямі поля, і навпаки зменшуються розміри інших доменів; а також відбувається переорієнтація магнітних моментів в напрямі зовнішнього поля. Значення намагніченості залежить від “ магнітної передісторії “ зразка, що робить залежність від неоднозначною (магнітний гістерезис). Зміна намагніченості феромагнетика відстає від зміни напруженості зовнішнього магнітного поля. Крива 1 відповідає залежності при первинному намагніченні. При намагніченість досягає максимального значення ,і при подальшому збільшенні не змінюється; при цьому всі домени виявляються зорієнтованими в напрямі поля (магнітне насичення).
Якщо зменшувати від + до залежність від опишеться кривою 2. Величина J=Jr при H=0 називається залишковою намагніченістю; а величина H=Hc ,при якій J=0, коерцитивною силою. При зміні H від –Hм до +Hм залежність J від H зображується кривою 3. Криві 2 і 3 утворюють петлю гістерезису.
Феримагнетики – важливий клас магнітних матеріалів. До них належать, зокрема, ферити – комплексні оксиди перехідних металів, утворювані оксидом заліза і оксидами деяких інших металів. Властивості феримагнетиків також тісно пов‘язані з їх кристалічною структурою. В не дуже сильних магнітних полях вони поводять себе подібно до феромагнетиків. За відсутності зовнішнього поля вони розбиваються на домени, мають характерну криву намагнічення з насиченням та гістерезисом. Для них характерна значно менша, порівняно з феромагнетиками, величина намагніченості насичення; а також температурна залежність.
Величезна більшість феримагнетиків належить до діелектриків та напівпровідників і відзначається високим питомим опором. З цим пов‘язані можливості їх широкого застосування в ВЧ-та НВЧ-пристроях, оскільки в них дуже малі втрати на вихрові струми в змінних електромагнітних полях навіть дуже високих частот.
3. Основні характеристики магнітних матеріалів
Магнітні властивості феро- та феримагнетиків звичайно характеризують залежностями магнітної індукції та намагніченості від напруженості магнітного поля. При циклічному перемагнічуванні крива намагнічення утворює петлю гістерезису. Її форма залежить від максимального значення напруженості магнітного поля.
Для слабкого поля петля має вигляд еліпсу; зі збільшенням петлі витягуються. Петля гістерезису, одержана за умови насичення, називається граничною.
Магнітна проникність феромагнітних матеріалів змінюється з температурою, набуваючи максимальних значень при температурах, близьких до температури (точки) Кюрі. Для чистого заліза температура Кюрі складає 768° С, для нікеля - 358°С, для кобальту -1131°С.
Магнітні матеріали поділяють на магнітно-м‘які та магнітно-тверді. Перші відзначаються малими значеннями і великою магнітною проникністю. Другим притаманні високі значення, залишкової намагніченості, максимальної магнітної енергії (на ділянці розмагнічування петлі гістерезису і порівняно невелика магнітна проникність.
4. Намагнічування змінним полем
При перемагнічуванні феромагнетиків змінним магнітним полем спостерігаються втрати енергії на тепло. Петля гістерезису розширюється (збільшує свою площу) порівняно зі статичною за рахунок втрат не лише на гістерезис, а й на вихрові струми і додаткові втрати. Таку петлю називають динамічною, а відповідні втрати - сумарними.
Відповідно до визначення основної кривої намагнічування геометричне місце вершин петель називають динамічною кривою намагнічування, а відношення індукції до напруженості поля на цій кривій – динамічною магнітною проникністю.
5. Магніто - м’які матеріали
Ці матеріали призначені перш за все для роботи в змінному магнітному полі або в динамічних режимах. Вони відзначаються здатністю легко намагнічуватися та розмагнічуватися і мають вузьку петлю гістерезису.
Частотний діапазон застосування різних груп магнітно - м’яких матеріалів значною мірою визначається величиною їх питомого електричного опору: матеріали з більшим опором можна використовувати на вищих частотах. У разі малих значень опору з підвищенням частоти можуть недопустимо зрости вихрові струми, а відповідно, і втрати на перемагнічування. В постійних і низькочастотних полях (до сотень герц і одиниць кілогерц) використовують металічні магнітно - м’які матеріали. На підвищених та високих частотах застосовують матеріали з питомим опором, що відповідає напівпровідникам та діелектрикам.
Бажано, щоб матеріали були технологічними, недорогими і недефіцитними; їх властивості мало залежали від механічних напружень. В окремих випадках важливі температурна та часова стабільність властивостей, лінійність кривої намагнічення (на певній ділянці) та інше.
Розглянемо найважливіші матеріали цієї групи.
Технічно чисте залізо (армко-залізо) – залізо, що містить менше 0.05 % вуглецю і дуже малу кількість інших домішок. Магнітні властивості заліза дуже сильно залежать від його чистоти (кількості домішок), розміру зерна та способу обробки.
Низьковуглецева електротехнічна сталь – різновид технічно чистого заліза з вмістом вуглецю не більше 0,04 % і не більше 0,6 % інших домішок. Випускається тонколистовою та сортовою, застосовується для виготовлення магніто- проводів всіх типів: деталей реле, осердь та полюсних наконечників електромагнітів, елементів вимірювальних приладів, магнітопроводів двигунів постійного і змінного струму малої і середньої потужності та ін.
Особливо чисте залізо (домішок менше 0.05 %) можна одержати двома способами, в результаті одержують:
а)електролітичне залізо, що застосовується для виробництва деталей методами порошкової металургії або як шихтовий матеріал при виплавленні спеціальних сталей і сплавів;
б)термічним розкладом - карбонільне залізо, що застосовується як феромагнітна складова магнітодіелектриків.
Електротехнічна сталь з вмістом вуглецю менше 0.05 % та кремнію від 0.4 до 4.8 %- основний магнітно – м’який матеріал найширшого застосування. Домішки кремнію істотно збільшує питомий електричний опір сталі, початкову та максимальну магнітні проникності, зменшує коерцитивну силу та втрати на гістерезис; однак погіршує механічні властивості та знижує індукцію насичення.
Сталь з вмістом кремнію до 1.8 % використовують для виготовлення деталей електричних машин, що працюють в постійному полі; сталь з вмістом кремнію 1.8-2.8 % застосовується в електричних машинах змінного струму; сталь з вмістом кремнію 2.8-4.8 % використовують, головним чином, для виготовлення магнітопроводів трансформаторів.
Пермалої – група сплавів заліза і нікелю (іноді з кобальтом) з вмістом нікелю від 35 до 80 %, легованих додатково Mo, Cr, Mn, Si і іншими елементами. Відзначаються високими значеннями магнітної проникності в слабких полях і малим значенням коерцитивної сили. За вмістом нікелю розрізняють сплави низьконікелеві (40 - 50% Ni) та високонікелеві (70 - 80% Ni). Низьконікелеві пермалої відзначаються вищою індукцією насичення (в 1.5 рази), приблизно вдвічі вищим питомим електричним опором, простішою термообробкою, нижчою вартістю, слабшим впливом механічних напружень, чистоти і складу на магнітні властивості порівняно з високонікелевими. Магнітна проникність високонікелевих пермалоїв в кілька разів більша, а коерцитивна сила менша, ніж у низьконікелевих.
Класичний пермалой має склад 78.5 % Ni та 21.5 % Fe. Найкращі магнітні властивості у супермалою (79 % Ni, 15 % Fe, 5 % Mo, 0.5 % Mn).
До недоліків цих сплавів слід віднести нижчі значення індукції насичення і вищу вартість порівняно з електротехнічними сталями, чутливість до механічних напружень і потребу в складній термообробці.
Низьконікелеві пермалої рекомендується застосовувати для малогабаритних трансформаторів, дроселів, реле і деталей магнітопроводів, що працюють з підвищеними індукціями і на підвищених частотах. Високонікелеві сплави використовують в малогабаритних трансформаторах, реле, магнітних екранах; особливо тонкі стрічки застосовують в імпульсних трансформаторах, магнітних підсилювачах, безконтактних реле.
Аморфні матеріали (АМ) – відрізняються поєднанням високих магнітних і механічних властивостей, наявністю лише ближнього структурного порядку. Аморфний стан формується при надшвидкому переході з рідкого стану до твердого охолодженням розплаву. Швидка тепловіддача досягається лише при виготовленні дуже тонкого сортаменту (напр.., стрічка товщиною близько 0,05 мм.)
АМ на 75-85 % складаються з одного або кількох перехідних металів (Fe, Co, Ni) та 15 –25 % металоїду (склоутворювача) – бору, вуглецю, кремнію, фосфору. Додавання металоїду зменшує намагніченість насичення, знижує точку Кюрі, але при цьому збільшує питомий опір, підвищує твердість і міцність сплавів, їх корозостійкість. Виробництво АМ дешевше, ніж традиційних кристалічних матеріалів. До того ж, використання АМ збільшує діапазон можливого стану, а відповідно, і властивостей АМ. Для додаткового їх поліпшення застосовують термічну або термомагнітну обробку.
Ферити – магнітні матеріали на основі оксиду заліза Fe2O3 та оксидів інших металів. Вони поєднують властивості феромагнетиків та напівпровідників або діелектриків. Зокрема їх питомий опір досягає значень 102-1010 Ом * м, що дозволяє використовувати їх на найвищих частотах.
Як переваги феритів можна також відзначити, що вони виготовляються з недефіцитних матеріалів і відносно дешеві, причому змінюючи їх склад і структуру, можна одержувати матеріали з потрібними характеристиками.
До недоліків феритів слід віднести низьку магнітну індукцію насичення 0.15-0.5 Тл (внаслідок часткової компенсації магнітних моментів речовини), більшу коерцитивну силу, низьку температуру точки Кюрі (у більшості феритів вона не перевищує 200-300˚С) порівняно з феромагнетиками. Феритам властиві також всі недоліки кераміки (твердість, крихкість тощо).
Ферити застосовуються при виготовленні осердь імпульсних і високочастотних трансформаторів та котушок індуктивності, магнітних антен, магнітних запам’ятовуючих пристроїв.
Серед найважливіших магнітно - м’яких феритів слід виділити такі:
а) марганецьцинкові ( MnO - ZnO) Fe2O3, що використовуються на частотах до кількох сотень кілогерц та в імпульсних режимах;
б)нікельцинкові (NiO-ZnO) Fe2O3, що використовуються на частотах до 200 МГц;
в) дво -, три - та багатокомпонентні ферити для надвисоких частот;
г) окрема група феритів з прямокутною петлею гістерезису.
Магнітодіелектрики – конгломерат часток подрібненого феро – або феримагнетика, електрично ізольованих одна від одної і з’єднаних в єдину масу діелектриком. Магнітно - м’які магнітодіелектрики відзначаються високою стабільністю електромагнітних параметрів, високим питомим електричним опором і належать до високочастотних магнітних матеріалів. Особливості технології виробництва магнітодіелектриків, близької до технології пластичних мас, дозволяють отримати вироби значно вищої чистоти і точності, ніж керамічна технологія феритів. Найчастіше застосовуються магнітодіелектрики на основі альсиферу (сплав заліза, кремнію і алюмінію) та карбонільного заліза.
6. Магніто - тверді матеріали
Магнітно-тверді матеріали (магнітножорсткі або висококоерцитивні матеріали) - магнітні матеріали (феро- та феримагнетики), котрі намагнічуються до насичення і перемагнічуються в порівняно сильних магнітних полях. Магнітна проникність таких матеріалів нижча, ніж магнітно-м’яких матеріалів, причому чим вища коерцитивна сила, тим менша магнітна проникність. Для них характерна велика кількість різних дефектів, що утруднюють переміщення доменних границь.
З магнітно-твердих речовин виготовляють, головним чином, постійні магніти, які набули широкого застосування.
За складом і способом одержання розрізняють:1) леговану мартенситну сталь; 2) литі магнітно-тверді сплави; 3) магніти з порошків ;4) магнітно – тверді ферити ; 5)магнітні стрічки.
Мартенситна сталь належить до найпростіших і найдоступніших матеріалів. Використовується лише легована хромом (до 10 %), вольфрамом (до 6 %), кобальтом (до 16 %) сталь. Набуває потрібних магнітних властивостей після гартування з утворенням мартенситу-специфічної структурної складової. Через невисокі магнітні характеристики має обмежене застосування.
Найбільшу кількість постійних магнітів виготовляють з литих сплавів складу Fe-Al-Ni та Fe-Al-Ni-Co.
Сплави системи Fe-Al-Ni містять 20-30 % Ni, 11-13 % Al, легуються міддю, інколи титаном. Мають порівняно невисокі магнітні властивості.
Сплави систем Fe-Al-Ni-Co містять 12-26 % Ni, 2-40 % Co і 6-13 % Al з додаванням міді (2-8 %), титану (0-9 %) та ніобію (0-3 %) для поліпшення властивостей.
Порошкові матеріали використовуються способом пресування з наступною термообробкою. Їх застосування особливо важливе, коли треба виготовити дрібні вироби з суворим додержанням розмірів. Матеріали (магніти) цієї групи поділяються на металокерамічні, металопластичні та оксидні.
Металокерамічні магніти одержують пресуванням і наступним спіканням без зв’зуючої речовини порошку з подрібненого магнітно-твердого сплаву. За магнітними властивостями вони майже не поступаються литим магнітам, але дорогі. Дрібні деталі за такої технології одержують з досить точними розмірами без потреби в додатковій обробці.
Металопластичні магніти одержують пресуванням магнітного порошку зі зв’язуючим і нагріванням до невисокої температури, необхідної для полімеризації останнього. Ці магніти відзначаються простішою технологією виготовлення, вищим питомим опором, нижчою вартістю, але їх магнітні властивості гірші, ніж литих.
Оксидні матеріали являють собою магнітно-тверді ферити. Найчастіше використовують барієвий ферит BaO*6Fe2O3, котрий не містить дефіцитних компонентів. Матеріал має високе значення коерцитивної сили (до 240 кА/м), питомий опір 104-107 Ом*м, але невелику залишкову індукцію (~0.38 Тл) і (ВН)max –до 12 кДж/м3. Як недоліки барієвих магнітів слід відзначити невисоку механічну міцність, крихкість, сильну залежність магнітних властивостей від температури.
Краща температурна стабільність у фериту кобальту, але його вартість значно вища.
Матеріали для звукозапису.Для запису і відтворення інформації використовуються суцільні металеві стрічки з магнітно-твердих сталей і сплавів (головним чином в спеціальній апаратурі) та стрічки на пластмасовій основі з порошковим робочим шаром. Для виготовлення останніх застосовуються дешеві доступні оксиди заліза - магнетит Fe3O4 (чорного кольору) та Fe2O3 (коричнево-жовтого кольору). Технічні характеристики стрічки залежать не лише від властивостей вихідних матеріалів, а й від ступеня подрібнення часток, об’ємної густини магнітного матеріалу в робочому шарі, орієнтації часток; вони визначають якість запису - відтворення на малих швидкостях руху носія.
Матеріали з високою питомою енергією. До цієї групи належать сплави металів групи заліза (Fe, Co, Ni) з рідкісно-земельними металами, що відзначаються рекордними значеннями всіх основних магнітних характеристик при задовільних характеристиках температурної і часової стабільності. Спочатку віддавалась перевага сплавам Sm –Co, які виявились найтехнологічнішими. В 1987 р. промислово освоєно виробництво постійних магнітів на основі сплавів системи Nd-Fe-B, які загалом мають кращі характеристики (крім діапазону робочих температур). Їх світове виробництво швидко зростає.
Інтенсивно ведуться дослідження з метою одержання нових матеріалів з кращими властивостями, зниження їх вартості, розробки нових технологічних прийомів виготовлення магнітів.
Контрольні питання.
1. Як класифікують матеріали за їх магнітними властивостями ?
2. Яка різниця в будові і властивостях феримагнетиків та феромагнетиків ?
3. Назвіть основні характеристики магнітних матеріалів.
4. Які магнітно-м’які матеріали знайшли широке застосування в техніці ?
5. Які вимоги ставляться до магнітно-твердих матеріалів ?