Тема 21. Магнитные материалы специального назначения

1. Магнитные материалы с ППГ

Применение:

В устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи.

Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточной индукции.

Поэтому их можно использовать как элементы для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляется переключением сердечника из одного состояния в другое с помощью импульсов тока.

Основной параметр – коэффициент прямоугольности гистерезиса

К_ПР = Вr/В_нас, где

Вr - остаточная индукция,

В_нас – индукция насыщения.

Для определенности В_нас=В_max измеряют при Н=5Нс.

Элементы на магнитных сердечниках с ППГ характеризуются:

1. Высокой надежностью

2. Малыми габаритами

3. Низкой стоимостью

4. Стабильностью характеристик

5. Обладают практически неограниченным сроком службы

6. Сохраняют информацию при отключенных источниках питания

Материалы с ППГ можно разделить на три группы:

1. Ферриты

2. Текстурированные магнитные сплавы

3. Тонкие ферромагнитные пленки

Ферриты с ППГ

Очень широко используются т.к. имеют низкую стоимость при массовом производстве.

Форма петли гистерезиса реализуется за счет использования определенного химического состава и условий спекания феррита, а не является результатом какой-либо специальной обработки материала, приводящей к образованию текстуры (например, механических воздействий или обработки в сильном магнитном поле).

Кпр=0,89 – 0,94.

Наиболее широко используются:

Магний-марганцевые ферриты (MnO + ZnO) Fe₂O₃ с добавлением Zn или Ca.

Литиевые ферриты Li₂O + Fe₂O₃– имеют более высокую температурную стабильность.

У ферритов низкая температурная стабильность:

При изменении температуры от 20 до 160 НС изменяется в 1,5 – 2 раза, Вr на 15 – 20%, это приводит к изменению Кпр на 5 – 30%.

Требования разные, в зависимости от назначения:

Ферриты для коммутационных и логических элементов должны иметь малую Нс (10 – 20А/м)

Ферриты для хранения дискретной информации должны иметь Нс (100 – 300А/м)

В запоминающих устройствах используют сердечники из феррита малого размера диаметром 0,3 – 0,4мм, либо ферритовые пластины с большим количеством отверстий. Например, пластина 15 х 15мм имеет 256 отверстий. Область вокруг каждого отверстия выполняет функцию отдельного сердечника.

Ферромагнитные сплавы с ППГ

Достоинства:

Лучшая температурная стабильность по сравнению с ферритами

Лучшие магнитные свойства

Недостатки:

Сложность производства

Отсюда высокая стоимость

Кпр= 0,87 – 0,98

Используют железо-никелевые или железо-никелево-кобальтовые сплавы в виде лент тонкого (5 – 10мкм) и сверхтонкого (< 3мкм) проката.

Но необходимо учитывать, что с уменьшением толщины происходит расширение петли гистерезиса и уменьшение коэффициента прямоугольности Кпр от 0,98 до 0,87. Поэтому сердечники из металлических лент тонкого и сверхтонкого проката целесообразно использовать в аппаратуре, работающей в широком диапазоне температур.

Тонкие ферромагнитные пленки

Тонкие пленки изготавливают:

1.Испарением магнитного материала в вакууме с последующим осаждением его на поверхности носителя.

2.Методом катодного распыления в атмосфере инертного газа.

В качестве подложки используют чаще всего стекло, иногда аллюминий.

На стекле качество выше.

Для придания пленочным элементам магнитной ориентации подложку помещают между полюсами электромагнита.

Достоинства:

1.Малая длительность переходных процессов (время перемагничивания менее 10нсек), т.е. высокое быстродействие и малое энергопотребление

2.Высокая температурная стабильность (слабая зависимость свойств от температуры)

3.Хорошие условия теплоотвода (большое отношение поверхности пленки к ее объему)

4.Возможность изготовления ЗУ с высокой плотностью элементов

Недостатки:

1.Малый выходной сигнал, что связано с малой толщиной и малыми размерами пленочных элементов

2.Сильная зависимость параметров пленок от технологических факторов, отсюда невысокая воспроизводимость свойств.Расположение атомов в нескольких слоях, ближайших к подложке зависит от качества подложки и ее температуры. Внешняя сторона пленки подвержена действию остаточных газов во время насыщения, а в последствии – воздуха, т.е. может происходить окисление поверхностных слоев. А поскольку пленка тонкая – поверхностные спины составляют значительную часть общего числа спинов. Пленки выполняют из (Fe – Ni), (Fe – Ni – Cо).

Магнитострикционные материалы

Есть чистые металлы, сплавы и ферриты. Ферриты используются в СВЧ устройствах. К этой группе относятся материалы, заметно изменяющие свои размеры при намагничивании, т.е. имеющие большую линейную магнитострикцию λ = ∆ℓ/ ℓ = 10^-5 – 10^-3 (λ может быть положительной и отрицательной).

Обычно используют магнитомягкие материалы с сильной анизотропией магнитных свойств, у которых процесс намагничивания сопровождается значительной деформацией кристаллической решетки.

Наибольшей магнитострикцией обладает сплав платины с железом с платиной. Применение ограничено из-за высокой стоимости.

Наибольшее распространение в качестве магнитострикционных материалов получили:

1. Никель

2. Никель-кобальтовые ферриты

3. Железоаллюминиевый сплав - алфер – используется реже. (Недостаток: трудность прокатки, хрупкость, коррозионность).

Все большее применение находят никелиевые ферриты.

Недостаток – невысокая механическая прочность.

Применение:

1. Генераторы звуковых и ультразвуковых колебаний

2. Магнитострикционные вибраторы используют в технологических установках по обработке ультразвуком хрупких и твердых материалов

3. Магнитные вибраторы используются вместо кварца для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах, в магнитострикционных линиях задержки, применяемых в ЭВМ.

Сплавы с постоянной магнитной проницаемостью.

У большинства магнитомягких материалов проницаемость изменяется в несколько раз уже в области слабых полей.

Иногда в измерительных устройствах, в устройствах автоматики необходимо обеспечить постоянство μ в широком диапазоне изменения внешнего магнитного поля. Это достигается применением сплавов сложной структуры, в которых ферромагнитные домены разделены труднонамагничивающимися прослойками.

Перминвар – сплав железа 25%, никеля 45%, кобальта 30%.

Эти сплавы после специальной термической обработки (отжиг при t=100⁰ С, потом до t=400⁰С - 500⁰С) сохраняют значение µ=300 до напряженности поля 240А/м.

Недостаток: высокая чувствительность к температурным и механическим воздействиям.

Изоперм – сплав железа – 40%, никеля – 40%, меди – 15%, алюминия 5%.

Недостаток: значительно снижается µ=30-80.

Достоинство:

• µ=const до Н=300-400А/м

• высокая стабильность свойств при изменении температуры.

Термомагнитные материалы

Это сплавы с резкой зависимостью магнитной индукции насыщения Внас от температуры.

Применяются для компенсации температурной погрешности в виде шунтов или добавочных магнитных сопротивлений.

Для достижения резкой температурной зависимости используют свойство ферромагнетиков снижать индукцию с ростом температуры около точки Кюри.

В качестве термомагнитных материалов применяют сплавы с точкой Кюри от 0⁰С до 100⁰С

Кальмаллой – сплав никеля с медью.

30% меди t_КЮРИ = +50⁰С

40% меди t_КЮРИ = -20⁰С

Термаллон – сплав железа с никелем – 30%. t_КЮРИ = +60⁰С

Наибольшее техническое применение получили сплавы, никель – 35%, хром – (8% - 13%) остальное железо. Содержание хрома определяет температуру Кюри от70⁰С до 120⁰С (8%Cr)

Преимущества:

1. Полная обратимость свойств при циклических изменениях температуры.

2. Хорошая механическая обрабатываемость

В последнее время начали широко использовать ферриты с низкой температурой Кюри.

Эластичные магниты

Как отмечалось, важнейшим недостатком основных групп материалов для постоянных магнитов (сплавов и ферритов) являются их плохие механические свойства (высокая твердость и хрупкость).

Применение пластичных материалов ограничено их высокой стоимостью.

В последнее время появились магниты на резиновой основе. Их можно изготовить любой формы, которую допускает технология резины – в виде шнуров, листов, полос и т.д..

Пластичные магниты изготавливают из мелкого порошка магнитотвердого материала (наполнитель) и резиновой основы. Наполнитель – феррит бария + каучук.

Применение:

1. Листы магнитной памяти для ЭВМ.

2. Магниты для отклоняющих систем в телевидении.

3. Корректирующие магниты.

Материалы для звукозаписи

В качестве магнитных лент, которые являются носителями магнитной записи информации используют:

1. Сплошные металлические ленты из нержавеющей стали.

2. Биметаллические ленты

3. Ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем

Сплошные металлические ленты используют, в основном, в специальных целях, особенно при работе в широком температурном диапазоне.

1. Викаллой – магнитотвердый сплав для изготовления лент и проволоки 505 кобальта, 8% – 15% ванадия, остальное железо.

Хорошие магнитные свойства получают после горячей прокатки, термообработки и холодной прокатки.

2. Кунифе – сплав из меди – 60%, никеля – 20%, железа – 20% Изготавливают проволоку и ленты.

Этот сплав обладает большой пластичностью.

Основной недостаток сплавов – высокая стоимость.

Наиболее широко применение получили ленты на пластмассовой основе.

Основное назначение:

создание на поверхности воспроизводящей головки магнитного поля, которое меняется (при протяжке ленты) во времени так же, как изменялся записанный сигнал. Отсюда требования к магнитным свойствам материала носителя:

1. Рабочий слой должен быть возможно более тонким, а сама лента – гладкой и гибкой для того, чтобы было максимальное взаимодействие (контакт) между лентой и головкой.

2. Остаточная намагниченность должна быть возможно более высокой

3. Коэрцитивная сила: требования противоречивые:

   1. более высокое значение (не менее 24 кА/м) для уменьшения саморазмагничивания;

   2. низкое значение – для облегчения процессов стирания записи.

4. Высокое сопротивление истиранию.

При использовании порошкообразного рабочего слоя необходимо иметь в виду, что свойства магнитной ленты существенно зависят не только от свойств исходного материала, но и от степени измельчения частиц (0,2-0,4мкм), объемной плотности магнитного материала в рабочем слое.

В качестве немагнитной основы используют:

1. Немагнитный сплав – фосфористую бронзу

2. Ацетилцеллюлозу – имеет низкую стоимость.

Недостаток: низкая механическая прочность, высокая чувствительность к влажности и температуре.

Магнитный порошек находится в дисперсном состоянии в связующем веществе (магнитный лак). % содержания порошка в ферролаке составляет 25-35%.

В качестве порошка используют:

1. окись и закись железа (Fe₂O₃ и Fe₃ O ₄) с особой γ структурой (гамма – оксид железа игольчатой формы с длиной частиц 0,4мкм). Получают за счет дополнительного окисления на воздухе при t = 150⁰С.

2. Кобальтовый феррит (CoO и Fe₂O₃)

Магитотвердые материалы

Применение:

1. Изготовление постоянных магнитов

2. Изготовление магнитных лент и барабанов, дисков для записи информации.

3. Изготовление магнитных лент для записи звука

Это группа трудноперемагничиваемых материалов с широкой петлей гистерезиса.

Основные параметры

1. Коэрцитивная сила (H_s > 4000 A/м). К магнитотвердым материалам относятся материалы с высокой коэрцитивной силой.

2. Максимальная удельная энергия W_max = 0,5(BН)_max От показателя W_max зависит объем магнита, необходимого для создания магнитного поля в заданном воздушном зазоре. Чем больше магнитная энергия, тем меньше объем, а следовательно и масса магнита. Магнитная проницаемость у магнитотвердых материалов значительно ниже и не является основной характеристикой материала. Параметр магнитной проницаемости у магнитотвердых материалов не имеет реального смысла.

Иногда используют понятие «энергетическое произведение» (BН)_max

>10³Дж/м³

1. Коэффициент выпуклости (оценивает форму кривой размагничивания)

γ = (BН)_max/(BН)_ост

Чтобы получить высокую коэрцитивную силу в магнитном материале необходимо затруднить процесс перемагничивания. Это можно сделать двумя способами:

• затруднить процесс смещения границ доменов

• убрать эти границы, уменьшая размеры зерен (например, мартенситовые стали – это структура в виде мелких игольчатых кристаллов, каждый из которых представляет собой один вытянутый домен)

Чаще используют первый способ, за счет введения примесей.

Основные группы магнитотвердых материалов (классификация по способу получения)

1. Литые сплавы на основе железа, никеля и алюминия, а также железа, никеля, алюминия и кобальта, легированные медью, титаном, ниобием.

Достоинства:

1. хорошие магнитные свойства Н_ост = 40 – 180 КА/м, В_ост = ),43 – 1,4 Тл, W_max = (3,6 – 4,0) 10³ Дж/м³

2. высокая температурная стабильность

3. минимальное старение (минимальное уменьшение магнитного потока)

Недостатки:

1. высокая чувствительность к изменениям в химическом составе и режиме термообработки

2. плохие механические свойства, высокая твердость и хрупкость, что осложняет механическую обработку ( Cu улучшает механические свойства).

Эти сплавы обрабатываются, в основном, шлифовкой. Размолотые в порошок сплавы используют для изготовления порошковых магнитов.

Высококоэрцитивное состояние материалов этой группы достигается благодаря механизму дисперсионного твердения.

При медленном охлаждении сплава, при определенной температуре происходит дисперсионный распад твердого раствора на две фазы: β и β₂

β -фаза близка по составу к чистому железу, т.е. сильномагнитна, и выделяется в форме пластинок одноименной толщины. β₂– фаза по составу к слабомагнитному соединению никеля и алюминия.

Таким образом, получается система, состоящая из немагнитной матрицы β₂ с однодоменными сильномагнитными включениями β. Материал с такой структурой имеет большую коэрцитивную силу, т.к. их намагничивание происходит в основном за счет процессов вращения вектора намагничивания домена.

Для получения таких материалов важным является:

1. температурный режим охлаждения

2. скорость охлаждения (подбирают опытным путем в зависимости от размеров и формы магнита)

Сплавы на основе благородных металлов

• сплав серебра Ag, марганца Mn и аллюминия (сильманал)

• сплав платины Pt 77,8% с железом Fe 22,2%

• сплав платины с кобальтом Pt 76,7% Co 23,3%

Эти сплавы имеют очень высокие значения Н_С = 400 – 480 КА/м

При изготовлении магнитов из этих сплавов используют металлокерамическую технологию. Эти сплавы имеют высокую стоимость, поэтому:

• из них делают только сверхминиатюрные магниты, массой в несколько миллиграммов

• в точных измерительных приборах с подвижными магнитами в качестве «магнитных пружинок»

Порошковые магнитотвердые материалы

Получают путем прессования порошков с последующей термообработкой.

Преимущества:

1. Возможность получения изделий со строго выдержанными размерами, без дальнейшей обработки

2. Высокая производительность

Недостатки:

1. Более низкие магнитные характеристики по сравнению с магнитными материалами, на основе которых они изготовлены

2. В связи с высокой стоимостью оборудования этот метод выгодно применять при массовом производстве небольших магнитов или магнитов сложной конфигурации.

Магниты из порошков можно разделить на три группы:

1. Металлокерамические магниты

2. Металлопластические магниты

3. Оксидные (магнитотвердые ферриты)

Металлокерамические магниты получают из размолотых в порошок магнитотвердых сплавов, которые спекают при высоких температурах по аналогии с процессами обжига керамики.

Используют сплавы: (железо + никель + кобальт + алюминий), (железо + кобальт + молибден), (платина + кобальт), (золото + марганец = алюминий).

Недостатки:

1. Пористость 3-5%

2. Снижение магнитных характеристик по сравнению с исходными материалами на 10-20%.

Преимущества:

по механической прочности превосходят литые сплавы в 3-6 раз.

Путем применения специальной обработки – двукратного прессования и спекания в атмосфере водорода можно получить металлокерамические магниты без ухудшения свойств.

Металлопластические магниты изготавливают аналогично изделиям из пластмасс. Прессуют порошок из магнитотвердого сплава с изолирующей связкой (например фенол-формальдегидных смолой).

Недостатки:

1. Наличие жесткого наполнителя требует высоких удельных давлений на материал (до 500Мпа)

2. Низкие магнитные свойства из-за большого содержания немагнитного связующего (до 30%)

Преимущества:

1. Улучшение механических свойств по сравнению с исходными сплавами

2. Высокое удельное электрическое сопротивление, что позволяет использовать такие изделия в СВЧ областях

Магнитотвердые ферриты

Для изготовления оксидных магнитов используют: феррит бария BaО 6Fe₂O₃ – самые дешевые, из-за отсутствия дефицитных компонентов.

Недостатки:

1. Хрупкость, твердость

2. температурная нестабильность

Феррит кобальта Co Fe₂O₃ (вектолит).

Более высокая температурная стабильность, но высокая стоимость.

Феррит стронция SrO 6Fe₂O₃

По функциям и магнитным свойствам аналогичны ферриту бария, но имеют лучшую технологичность.

Основное достоинство ферритов – большое удельное сопротивление, а магнитные характеристики примерно как у литых сплавов.

Магнитомягкие материалы
Наименование	Нs [А/м]	µнач	ρ [Ом м]
Карбонильное железо	6,4	3300	10-7
Электротехническая сталь	30 - 85	4000	3 10-7
Пермалой	1 - 30	104	5 10-7
Альсифер	2	104	8 10-7
Марганец-цинковые ферриты (MnO ZnO) Fe2O3	4 - 24	103	10 -3
Никель-цинковые ферриты (NiO ZnO) Fe2O3	20 - 40	103	105

Магнитотвердые материалы
Наименование	Нs [КА/м]	Wmax [КДж/м3]
Литые сплавы Al-Ni-Fe	40	10 - 4
Магниты из порошков Al-Ni-Fe	20 - 40	3 – 3,5
Феррит бария ВаО 6 Fe2О3	95 - 185	2 – 14
Феррит кобальта СоО Fe2О3	10 - 150	10 - 15

Поскольку коэрцитивная сила является структурно-чуствительным свойством, разница между магнитомягкими и магнитотвердыми материалами состоит не в их химическом составе, а в структуре. В магнитомягких материалах движение доменных границ должно быть по возможности облегчено. В магнитотвердых материалах намеренно создаются дефекты, мешающие движению границ доменов, проводится специальная термомагнитная обработка (охлаждение в магнитном поле), способствующая сохранению большой остаточной индукции. Магнитотвердые сплавы системы Al-Ni-Fe, по существу, представляют собой композиции, где мелкие магнитные частицы железа погружены в немагнитную матрицу.