5.3.4 Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой конгломерат мелкодисперсного ферро- или ферримагнетика, частицы которого отделены друг от друга в электрическом и магнитном отношениях и связаны между собой механически органическим или неорганическим диэлектриком.

Качество магнитодиэлектриков как магнитных материалов принято оценивать значе­нием начальной магнитной проницаемости μ_Н, её температурным коэффициентом α_μн, танген­сом угла магнитных потерь tgδ_м.

Значение магнитной проницаемости магнитодиэлектриков составляет (10–250), а предельная частота их использования – 100 МГц.

Основными достоинствами магнитоди­электриков являются высокая временная и температурная стабильность электромагнит­ных параметров, а для материалов с магнитомягкими наполнителями – также малые зна­чения коэффициентов частотных потерь (d_f), поскольку отсутствует электрический контакт частиц магнитного порошка и потери на гистерезис (d_h), обусловленные пологой петлей гистерезиса вследствие сильного внутреннего размагничивающего поля.

Электромагнитные свойства магнитоди­электриков сохраняются при механических нагрузках до полного их разрушения.

В настоящее время промышленностью вы­пускаются магнитодиэлектрики, в которых наполнителями являются: карбонильное желе­зо, альсифер, пермаллой, ферритовые по­рошки.

Магнитодиэлектрики в основном исполь­зуются в качестве сердечников катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов, радиочастотных контуров радиотехнической аппаратуры и аппаратуры проводной связи.

Изделия из магнитодиэлектриков на основе порошкообразного карбонильного же­леза предназначены для использования в радиоаппаратуре и аппаратуре проводной связи в диапазоне частот от десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц.

Порошки карбонильного железа полу­чают методом термического разложения пентакарбонила железа в среде аммиака при температурах от 230 до 330 °С. Частицы карбонильного железа имеют сферическую форму и представляют собой сложные образования, состоящие из элементарного железа и его соединений с углеродом, азотом и кислородом. Эти соединения составляют в сумме (1–3) % массы и формируют сложную слоистую структуру каждой частицы, что приводит к повышению удельного сопротивления по сравнению с чистым железом и, соответственно, к уменьшению потерь на вихревые токи. Сред­ний размер частиц карбонильного железа со­ставляет несколько микрометров. Высокодис­персные порошки характеризуются сильными внутренними напряжениями, что, наряду с достаточно высоким значением константы кристаллографической магнитной анизотро­пии железа, является причиной низкой маг­нитной проницаемости порошков карбонильного железа.

Поскольку в слабых полях намагничива­ние обусловлено в основном смещением доменных границ, наличие слоистой структуры в частицах затрудняет их смещение, что способствует малым потерям на гистерезис.

В сильных полях зависимость магнитной индукции магнитодиэлектриков из карбонильного железа от напряженности магнитного поля почти линейна, а петля гистерезиса имеет пологую форму и малую площадь.

Из порошков карбонильного железа ма­рок Р-10 и Пс изготовляют магнитодиэлектрики в виде пластин, предназначенных для использования в качестве радиопоглощающего материала в ферритовых прибо­рах СВЧ. Связующим диэлектриком является эпоксидная смола. Коэффициент линейного расширения материалов , а удельное сопротивление ρ ≤ 5∙10¹¹ Ом∙см.

Альсифер, являющийся тройным сплавом алюминия, кремния и железа, получают в виде литого материала с высокой твердостью и хрупкостью, что обусловливает его хорошую размольность.

Значения коэффициентов остаточных (до­полнительных) потерь и потерь на гистерезис минимальны при содержании кремния (9,4–10,2) % при 7,5 % алюминия, или алюми­ния (7,2–8,0) % при 10 % кремния. Поэтому для изготовления магнитодиэлектриков в ос­новном используются альсиферовые порошки двух марок: А-9,2 и А-10,2 (А – альсифер; цифры 9,2; 10,2 – среднее процентное содер­жание кремния). Путём смешения порошков, полученных из сплавов с отрицательным и положитель­ным ТКц, можно создавать магнитодиэлектрики со сниженными температурными коэффи­циентами начальной проницаемости.

Примеси в альсифере ухудшают его электромагнитные параметры. Особенно вред­ное влияние оказывает углерод. Для получе­ния сердечников с заданными параметрами допускается содержание углерода не более 0,03 % при общем содержании примесей до 0,3 %.

Для изготовления сердечников из порош­кообразного альсифера в качестве изолирую­щего состава применяют как органические материалы (бакелитовый лак, полистирол), так и неорганические (жидкое стекло, стеклоэмали). Часто применяют связку в виде меха­нической смеси жидкого стекла, талька и хромового ангидрида.

Прессуют сердечники при сравнительно высоких давлениях (1,37∙1,96)∙10³ МПа, после чего детали подвергают отжигу для снятия наклепа при температуре 780 °С в тече­ние 40 мин.

Для удаления жидкого стекла и остатков хромового ангидрида сердечники кипятят в воде, после чего подвергают сушке и пропитке бакелитовым лаком.

В зависимости от требуемого значения магнитной проницаемости количество вводи­мой связки может изменяться от (4–8) % массы до 50 %. Меняется также размер частиц порошка, состав связки и давление прес­сования.

Пермаллои – железоникелевые сплавы с присадками некоторых элементов, обладают высокими значениями магнитной проницае­мости, малыми потерями на гистерезис и достаточно высоким удельным сопротивлением. Применение пермаллоя в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с начальной проницаемостью до 250. Для изготовления магнитодиэлектриков используется сплав марки 80Н2М, который имеет следую­щий состав: 81 % никеля, 2,6 % молибдена,16,4 % железа и до 0,02 % серы. Серу добав­ляют для придания сплаву необходимой хрупкости. Порошки, полученные после размола отливок, подвергают отжигу в вакууме при температуре 770 С в течение трёх часов.

Технология изготовления магнитодиэлек­триков из порошкообразного пермаллоя заключается в изоляции порошка раствором хромового ангидрида (несколько десятых до­лей процента массы) – первый слой изоля­ции, и изолирующей смесью гидрата оксида магния, жидкого стекла и мелкодисперсного талька – второй слой изоляции. Для неко­торых марок в качестве второго изоляцион­ного слоя применяют смесь стеклоэмали, нит­рида бора и сернистого молибдена (до 12 % массы).

Прессуют сердечники при давлении ≤ 2∙10³ МПа, после чего проводят термо­обработку при температуре от 610 до 670 °С в течение одного часа для снятия внутренних напряже­ний. Термообработка приводит к увеличению μ_н и снижению ТК μ_н и потерь на гистерезис.

Применение порошков магнитомягких ферритов в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с электромагнитными параметрами, отличающимися повы­шенной стабильностью даже по сравнению с магнитодиэлектриками из металлических порошков. Высокое удельное сопротивление ферритовых порошков даёт возможность су­щественно увеличить частотный диапазон ра­боты сердечников. Упрощается технология процесса изоляции частиц порошка. Возмож­ность использования отходов ферритового производства удешевляет изготовление маг­нитодиэлектриков.

Магнитодиэлектрики из порошкообраз­ного магнитотвёрдого бариевого феррита предназначены для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации. В качестве диэлектрика используются сэвилен и поли­пропилен. Выпускается шесть марок магнито­диэлектриков: 1,6Б, 1,6Б1, 1,6Б2, 3,2Б, 5,6Б, 5,6Б1 (Б – бариевый порошкообразный фер­рит). Число обозначает произведение (ВН)_max, кДж/м³.

При изготовлении образцов из магнитодиэлектрика марки 5,6Б методом прессова­ния прикладывается магнитное поле напряжённостью не менее 720 кА/м в направлении прессования.

Связующим веществом является сополи­мер стирола.

Промышленностью выпускаются четыре марки магнитодиэлектриков из магнитомягких ферритовых порошков НМ-5, ВН-20, ВН-60, ВН-220. Буквы НМ обозначают низ­кочастотный на основе высокопроницаемого Мn – Zn феррита, ВН – высокочастотный на основе Ni – Zn-феррита, число обозначает предельную рабочую частоту в мегагерцах. Из магнитодиэлектриков перечисленных марок изготовляют чашечные и подстроенные сердечники.