Атом водорода Классическая теория теплоёмкости Дебаевская теория Решётка Браве Проводимость твёрдых тел Проводники, полупроводники и изоляторы Прикладная математика и физика Электромагнитное взаимодействие Первообразная функция Интегрирование Вычислить производную задачи

Лекции по курсу Электротехнические материалыначало

Пермаллои

Пермаллои - железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80 %Ni)). Такое подразделение обусловлено смещением магнитных и электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля. Из диаграммы видно, что нач имеет два максимума: относительный (1) и абсолютный (2): 1 - область с содержанием никеля 40-50% соответствует низконикелевому пермаллою; 2 - область с содержанием 72-80% - высоконикелевому, обладающими и наибольшими значениями макс.

Из характеристик следует, что у низконикелевого пермаллоя значительно выше (примерно в два раза), чем у высоконикелевого пермаллоя. Это приводит к разграничению области применения низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев.

[Свойства пермаллоев]

Обе группы пермаллоев для улучшения электромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом, хромом, медью и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатанными с последующим высокотемпературным отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. В процессе сборки и эксплуатации сердечников из пермаллоя не допустимы механические напряжения (удары, рихтование, сдавливание обмоткой и другие) из-за ухудшения магнитных характеристик.

Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это же приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений. По основным магнитным свойствам выделяются несколько групп пермаллоев. Посмотрите свойства нелегированного высоконикелевого и низконикелевого пермаллоев.

Основные свойства некоторых наиболее распространенных марок пермаллоев приведены в следующей таблице. Цифра в обозначении марки указывает процентное содержание никеля.

[Свойства пермаллоев]

[Свойства нелегир. пермаллоев]

Сплавы с наибольшей макс и нач рекомендуются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов при их толщинах менее 0.02 мм - для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и реле.

Сплавы с повышенным удельным сопротивлением реализуют для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры звуковых и высоких частот, работающих без перемагничивания.

С увеличением частоты следует применять более низконикелевые пермаллои тонкого проката.

Альсиферы - сплавы Al-Si-Fe, оптимальный состав (9.6% Si, 5.4% Al) имеет следующие свойства: нач=35400; макс=117000; Нс=1.76 А/м. Это нековкий, с высокой твердостью хрупкий материал (легко размалывается в порошки).

Область применения - магнитные экраны, корпуса приборов и аппаратов, фасонные детали магнитопроводов и другие изделия, работающие в постоянных магнитных полях. Из-за хрупкости толщина стенок должна быть не менее 1-2 мм. Тонкие порошки альсифера применяются в качестве ферромагнитной составляющей магнитодиэлектриков.

Магнитомягкие ферриты - химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. Наиболее широко применяются ферриты со структурой шпинели, отвечающими формуле MeFe2O4, где Me - какой-либо двухвалентный катион.

Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода. Синтез ферритов производится по керамической технологии и может быть осуществлен по трем различным технологическим схемам: 1 - из механической смеси оксидов или карбонатов; 2 - термическим разложением твердой смеси солей, полученной выпариванием из водного раствора; 3 - из совместно сочетаемых гидроксидов, карбонатов, оксилатов.

Наиболее распространенный - первый способ.

Магнитомягкие ферриты применяются:

- для магнитопроводов, работающих в слабых, сильных магнитных полях до 100 МГц и в импульсном режиме;

- для изготовления магнитных усилителей, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных двигателей, термомагнитных компенсаторов и так далее.

Механические свойства как и у керамики - твердость, хрупкость, недопустимость обработки резанием. При спекании - усадка от 10 до 20%. Хорошо шлифуются и полируются абразивными материалами, режутся алмазным инструментом.

Наиболее широко в качестве магнитомягких ферритов применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, представляющие собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe2O4 и MnFe2O4, являющиеся ферромагнетиками, с немагнитным ZnFe2O4.

В переменных полях для оценки допустимого частотного диапазона ферриты кроме характеризуются tgб- тангенсом угла магнитных потерь. Для ферритов потерями на вихревые токи и гистерезис в области слабых полей можно пренебречь.

При повышении частоты, начиная с некоторой, характерной для данной марки феррита значения, tgб возрастает более резко, при этом уменьшается . Эту частоту называют критической fкр. Частоту, при которой нач уменьшается до 0.7 от ее значения f=0 называют граничной - fгр.

Причина уменьшения и роста tgб связывается со сложными резонансными и релаксационными процессами. Зависимости и tgб от частоты в логарифмическом масштабе для разных марок никель-цинкового феррита показана на рисунке. Цифра в обозначении марки феррита означает величину начальной магнитной проницаемости нач.

 

[]

Магнитные и электрические свойства трех марок никель-цинковых ферритов приведены в таблице.

ферритов в зависимости от химического состава и термической обработки изменяется от 10 до 108 Ом . м. Основной недостаток ферритов по сравнению с металлическими магнитными материалами - малое значение их магнитной проницаемости. Некоторые типы изделий из магнитомягких ферритов показаны на рисунке.

 

[MAG42A]
[Типы сердечников]

Специальные магнитные материалы

Материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), применяемые для изготовления запоминающих устройств (ЗУ). Емкость отдельного устройства (чипа) на ЦМД может составлять 105 бит. Чем меньше Нс, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Обычно Нс должна быть не больше 10 А/м. Основные материалы для ЦМД устройств приведены в таблице.

Материал
Свойства, oсобенности технологии или применения
Ортоферриты RFeO3
R - редкоземельный элемент
(Y, Sm , Eu , Er , Yb)
Высокая подвижность доменных границ , прозрачность в красном свете ( = 0.6 мкм ). Плотность информации не велика. 103 - 104 бит/см2
Ферриты гранаты
R3Fe5O12
Плотность информации выше 105 - 106 бит/см2, но подвижность доменных границ ниже, чем у ортоферритов. Применяются в виде монокристаллических пленок.
Аморфные магнитные пленки
сплавов Cd-Co и CdFe
Плотность информации до 109 бит/см2 . Относительно низкая стоимость. Низкая термостабильность и низкое электрическое сопротивление - недостатки.
Гексагональные ферриты
BaFe12O19 и др.
Высокая намагниченность насыщения. Субмикронное ЦМД , однако низкая подвижность ограничевает применение.

Аморфные магнитомягкие материалы (АММ)

Аморфные магнитомягкие материалы (АММ) являются магнетиками с неупорядоченным расположением атомов, получаемом наиболее часто в результате быстрой закалки расплава со скоростью охлаждения 104106 град/с. Аморфные тонкие пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) можно получать катодным распылением или вакуумным напылением редкоземельных и переходных металлов. Металлические аморфные сплавы содержат 75-85% одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni) и 15-25% стеклообразователя, в качестве которого используют бор, углерод, кремний, фосфор. По магнитным свойствам АММ близка к электротехническим сталям и пермаллоям. Наиболее перспективные сплавы- железоникелевые, высококобальтовые и высокожелезистые. Для получения оптимальных свойств применяют термомагнитную обработку, что позволяет повысить Bs и прямоугольность петли гистерезиса. Магнитные свойства двух промышленных сплавов после термобработки показаны в таблице

[Магнитные свойства АММ]

АММ имеют повышенную твердость и коррозионную стойкость.

Удельное сопротивление АММ в 3-5 раз больше, чем у кристаллических.

Применение: магнитные экраны, сердечники малогабаритных трансформаторов, магнитных усилителей, головки магнитозаписывающих устройств.

Магнитодиэлектрики

Как и ферриты являются высокочастотными магнитными материалами. По сравнению с ферритами имеют более стабильные свойства, но по ряду электромагнитных параметров уступают ферритам. Получаются по технологии аналогичной технологии пластмасс.

МД состоят из мелкоизмельченного ферромагнетика, частицы которого изолированы и скреплены немагнитным материалом. В качестве ферромагнетика наиболее часто используют альсифер, карбонильное железо, пермаллой, в качестве связки как органические материалы такие как бакелит, полистирол, шеллак, так и неорганические - жидкое стекло, стеклоэмали и другие.

Прессование изделий из МД - колец, сердечников и т.д. производится при давлениях (14-20) .102 МПа (14-20 Т/см2), чем выше давление, тем выше магнитная проницаемость.

Примеры магнитных характеристик промышленных магнитодиэлектриков показаны в таблице.

[Магнитные характеристики МД]

Лекции по курсу Электротехнические материалыначало

Решение задач по физике, электротехнике, математике