2. Конструктивные особенности и основные характеристики

К магнитострикционным материалам относятся: никель, сплавы Fe — AI (алфер), Fe — Ni (пермаллой), Со — Ni, Fe — Со, Со — Fe — V (пермендюр) и другие; ряд ферритов ( , и др.), некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения. Никель обладает хорошими магнитострикционными, механическими и антикоррозионными свойствами; пермендюр имеет большие значения магнитострикции насыщения и намагниченности; ферриты обладают высокими удельными электросопротивлением и коррозийной стойкостью, кроме того, ферриты — самые дешёвые магнитострикционные материалы.

Таблица 2.1 - Основные характеристики важнейших магнитострикционных материалов

Марка материала	Состав,  % (по массе)	µa	µr		b·105,	k	ls·106
Никель		200	50	16	61	0,30	–35
Co–Ni		1000	200	19	127	0,35	–25
Пермендюр		600	80	11	83	0,30	65
Ю14 (алфер)		1000	250	8	65	0,24	50
Ni–Co феррит		70	70	20	58	0,28	–25

 

В таблице µa и µr — начальная и обратимая магнитные проницаемости магнитострикционного материала;

  —магнитострикционная постоянная, характеризующая зависимость механического напряжения от магнитной индукции В в образце при его неизменной деформации e;

   — чувствительность М. м. к напряжению в неизменном магнитном поле Н; k — коэффициент магнитомеханической связи, существенный для ультразвуковых магнитострикционных излучателей (отношение преобразованной излучателем механической энергии к подводимой электромагнитной энергии). [2]

Свойства магнитострикционных металлов, связанные с преобразованием энергии, характеризуются коэффициентом магнитомеханической связи К, магнитострикционной постоянной а и постоянной чувствительности А. Величина К равна отношению преобразованной энергии (механической или магнитной) к подводимой (соответственно магнитной или механической) без учёта потерь ; определяет чувствительность электроакустического преобразователя в режиме излучения, а - его чувствительность в режиме приёма. Относит, магн. проницаемость   характеризует электрический импеданс преобразователя в отсутствие механических колебаний, который необходимо учитывать при согласовании преобразователя с электрической схемой ( - соответственно амплитуды механического напряжения, магнитной индукции, магнитного поля). Величины А, L, К связаны соотношениями, в которые входят магнитная проницаемость m (в общем случае комплексная) и константа упругой податливости. Динамические постоянные упругости - модуль Юнга и модуль сдвига - в комбинации с плотностью материала определяют скорость продольных p сдвиговых волн и соответственно резонансные частоты сердечников заданных размеров при заданной форме колебаний.

Эффективность преобразования, или кпд, определяется наряду с коэффициентом К и механическими потерями. Магнитные потери в магнитострикционном металле обусловлены вихревыми токами, зависящими от удельного электрического сопротивления р, и гистерезисом магнитным, косвенно определяемым величиной коэрцитивной силы Нс. Характеризуются магнитные потери величиной , представляющей отношение мнимой и действительной части m. Механические потери зависят от добротности материала Q.

Динамические характеристики магнитострикционного металла сильно зависят от величины поля намагничивания  (рисунок 2.1).

Зависимость К, a, m от поля подмагничивания  для никеля (пунктир) и пермендюра (сплошная линия) при малой амплитуде переменного поля. [3]

 Рисунок 2.1 – Динамические характеристики магнитострикционного металла

Температурная стабильность свойств магнитострикционных металлов, особенно важная при использовании их в фильтрах, стабилизаторах частоты и др. Для магнитострикционных излучателей звука большое значение имеют величина магнитострикции насыщения , которая

определяет их предельную мощность в условиях значительной нагрузки и динамически усталостная прочность  , ограничивающая предельную амплитуду колебаний слабо нагруженных преобразователей. Величина , а так же крутизна статической кривой зависимости магнитострикции от магнитного поля являются определяющими параметрами магнитострикционного металла, при их использовании в оптико-механических системах, создающих управляемые статические или НЧ-перемещения.

Из металлических магнитострикционных металлов наиболее употребительны никель и сплавы на его основе, а также железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы. Их используют в поликристаллической форме и изготавливают по обычной металлургической технологии, прокатывая в виде полос толщиной 0,1-0,3 мм для уменьшения потерь на вихревые токи. В сплавах на основе никеля, например, введением добавок кобальта, компенсируют магнитокристаллографическую анизотропию и соответственно повышают динамические характеристики К, a, m, а также снижают потери на гистерезис, добавки же кремния или хрома повышают r и соответственно уменьшают потери на вихревые токи. Созданием кристаллической ориентации в никеле и его сплавах (т. н. кристаллографической текстуры) достигается увеличение на 20-30%. Железо-кобальтовый сплав - пермендюр - обладает большей  и более высокими магнитными и магнитострикционными константами, чем никель, благодаря чему он применяется в мощных излучателях звука. Однако этот сплав легко корродирует, отличается невысокой временной и технологической стабильностью свойств, непластичен и поэтому неудобен в обработке. Железоалюминиевые сплавы обладают достаточно высокими магнитострикционными характеристиками и электросопротивлением; их недостаток - низкая коррозионная стойкость, повышенная хрупкость, затрудняющая их механическую обработку. Электромеханические и электроакустические преобразователи из металлических магнитострикционных металлов применяют на частотах до 20-40 кГц, практически без ограничения прочности.

Редкоземельные магнитострикционные металлы на основе соединений редкоземельных элементов (тербия (Tb), диспрозия (Dy)) с железом. Магнитострикция их очень велика - до 10-3-10-2, однако она достигается в магнитных полях, составляющих десятки и сотни кА/м. Введение компонентов, компенсирующих кристаллография, анизотропию, и создание текстуры позволяют увеличить крутизну магнитострикционной кривой и соответственно повысить динамические характеристики материалов этого типа: у лучших составов величина К достигает 0,80 при H0 @ 10 кА/м. Получают образцы сплавов на основе редкоземельных элементов методом вытягивания из расплава или методами порошковой металлургии.

Ферритовые магнитострикционные металлы, к ним относятся ферриты со структурой

шпинели - феррит никеля и твердые растворы на его основе (включающие ферриты кобальта, цинка, меди и др. добавки) - и со структурой граната - в основном феррит-гранат иттрия (ИФГ). Ферриты-шпинели употребляют в виде поликристаллической керамики, которая изготавливается из окислов (реже солей) металлов по керамической технологии, в форме монолитных сердечников; ферриты-гранаты выращивают из расплава в виде монокристаллов.

Ферритовые магнитострикционные металлы практически не обладают потерями на вихревые токи и соответственно могут использоваться до весьма высоких частот. Для электроакустических преобразователей применяют ферриты-шпинели на основе феррита никеля, которые обладают достаточно хорошими константами преобразования, высокой механической добротностью, коррозионной стойкостью. Однако относительно малая механическая прочность и низкие значения  этих магнитострикционных металлов ограничивают предельную амплитуду излучателей звука из ферритов. Для использования в электромеханических фильтрах, резонаторах путём модификации химического состава созданы образцы керамических ферритов с добротностью свыше 5000 и весьма малыми температурными коэффициентом резонансной частоты сердечников. Они применяются на частотах от 104 до 106 Гц. В диапазоне 107-109 Гц для устройств акустоэлектроники используются монокристаллические ферриты-гранаты на основе редкоземельных элементов, обладающие малыми магнитными потерями и высокой механической добротностью. Наибольшее распространение среди них получил феррит-гранат иттрия, у которого Q ~ 107 на частоте 10 МГц, ~ 0,03 на частоте 20 МГц, а Тс = 640 0C. Кристаллы ИФГ используются для линий задержки, в том числе с усилением сигналов на основе использования нелинейных эффектов и с взаимодействием акустических и спиновых волн.[3]