Керамические материалы

Конструкционные керамические материалы (табл. 11) представляют собой спеченные композиции на основе ковалентно-ионных соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т. п.), имеющие структуру в виде поликристаллических частиц, равномерно размещенных в аморфной основе.

Характерные свойства конструкционной керамики:

• высокая твердость и износостойкость,

• пористость, понижающая трещиностойкость,

• низкая пластичность, связанная с особенностями ковалентных связей,

• малый коэффициент теплового расширения,

• высокая теплостойкость,

• высокая температура плавления (выше 1500С)

• низкий коэффициент трения,

• высокая коррозионная стойкость,

• относительно низкая плотность (до 6,9 г/см³),

• изотропность свойств.

Основой конструкционных керамических материалов являются соединения Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, Si₃N₄, SiC с добавками СеО₂, CaO, MgO и других соединений.

Уменьшения хрупкости и увеличения прочности добиваются

• измельчением частиц до субмикронных размеров и повышением размерной однородности исходных порошков за счет чего удается уменьшить пористость изделий,

• использованием в качестве включений соединений, увеличивающих объем при появлении трещины, в частности, включения ZrO₂ претерпевает полиморфное превращение вблизи трещины, сопровождающееся увеличением объема и ее смыканием,

• уменьшением доли аморфной фазы.

Магнитные материалы

В технических устройствах, использующих магнитное поле, нашли применение ферро- и ферримагнетики:

- магнитомягкие, которые легко намагничиваются и размагничиваются с малыми потерями на перемагничивание, имеют малую H_c < 800А/м, высокое значение ,

- магнитотвердые, имеющие высокое значение B_r и H_c > 4000А/м,

- специализированного назначения.

Свойства материалов указаны в таблице 11.

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы служат для увеличения концентрации магнитного потока в магнитопроводах трансформаторов, электрических машин, электромагнитов, дросселей, реле и других устройствах, в частности, магнитных экранах.

Кроме малой величины H_c магнитомягкие материалы должны иметь возможно большую величину B_s. Так как магнитопроводы используются не только в постоянных, но и в переменных полях, то важна также минимизация тепловых потерь мощности, возникающая в переменных полях за счет вихревых токов

P ~ f ²·B²·d/ (Вт/кг),

где P – удельные потери мощности (на единицу массы), f – частота внешнего магнитного поля, B – максимальная индукция в цикле перемагничивания, d – толщина ферромагнетика,  – удельное электрическое сопротивление ферромагнетика.

Для получения минимальных потерь при перемагничивании применяют материалы с максимальным , к которым относятся в первую очередь ферримагнетики, также используются ферромагнетики в виде тонких слоев (ленты, листы) или частиц, разделенных диэлектриком.

Примеры магнитомягких материалов

В постоянном магнитном поле и при частотах до 3 кГц используют сплавы на основе железа:

1. Железо (до 0,1% примесей) применяется только в постоянных магнитных полях из-за низкого удельного сопротивления ( ~ 0,1 мкОм·м).

2. Электротехнические стали (от 0 до 5% Si) — основной магнитомягкий материал, применяемый до f = 400 Гц, так как легирование кремнием, входящим в твердый раствор:

• уменьшает магнитную анизотропию и магнитострикцию,

• вызывает увеличение удельного сопротивления до 0,6 мкОм·м,

• снижает концентрацию кислорода, связывая его в соединение SiO₂, удаляющееся в процессе выплавки,

• способствует формированию графита из углерода, уменьшая его содержание в стали (< 0,04%C).

Дальнейшее улучшение магнитных свойств электротехнической стали достигается:

• укрупнением зерен поликристалла,

• ориентацией направлений легкого намагничивания отдельных зерен в направлении внешнего поля,

• уменьшением толщины листов с увеличением частоты внешнего поля,

• уменьшением концентрации дефектов – границ зерен, дислокаций, примесей, включений.

Однако введение кремния несколько уменьшает индукцию насыщения и сильно снижает пластичность, что затрудняет получение тонких листов и лент.

4. Пермаллои — железо-никелевые сплавы типа 79НМ (79% Ni, 1% Mo, ост. Fe), 50Н (50% Ni, ост. Fe) с большой магнитной проницаемостью в слабых полях (начальной магнитной проницаемостью). Они применяются, в частности, в малогабаритных и маломощных силовых и импульсных трансформаторах электронных и радиоустройств, магнитных экранах, головках звукозаписи, работающих при частотах до 25кГц.

Высокое значение начальной магнитной проницаемости и малая коэрцитивная сила сплавов объясняется минимальными значениями магнитной анизотропии и магнитострикции.

Достаточно высокое удельное сопротивление (до ~ 1 мкОм∙м) и возможность получения очень тонкой фольги (до 0,0015 мм) позволяют добиться у пермаллоев более низких потерь мощности на вихревые токи, чем у электротехнических сталей, и применять их при более высоких частотах. При пластической деформации пермаллоя резко ухудшается магнитная проницаемость, поэтому после деформации проводят операцию отжига для устранения дефектов.

Магнитотвердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов, а также как магнитные среды (носители) для записи и сохранения информации.

Для создания высокой магнитной твердости используются следующие параметры структурно-фазового состояния:

• высокая концентрация дефектов (дислокаций, границ зерен, включений), задерживающих смещение междоменных границ,

• большое значение энергии магнитной анизотропии,

• присутствие однодоменных частиц, ориентированных в заданном направлении.