книги из ГПНТБ / Стабильность свойств ферритов. (Анализ физических свойств при внешних воздействиях, прогнозирование. Элементы проектирования)

способностью сохранять свои параметры и механические свойства в определенных пределах по истечении некото­ рого времени (период восстановления) после воздействия. Так как информацию об этих характеристиках затруд­ нительно получать в реальных условиях эксплуата­ ции, то обычно их исследуют и определяют в лаборатор­ ных условиях при климатических испытаниях в специ­ альных испытательных камерах.

Задача моделирования эксплуатационных условий при лабораторных испытаниях является весьма слож­ ной. Применяемые для этой цели испытания на воздей­ ствие отдельно взятых факторов при постоянных испы­ тательных режимах не воспроизводят полностью реальных условий эксплуатации, характеризующихся пе­ ременными режимами и совокупным воздействием раз­ личных факторов, вследствие чего являются недостаточно «жесткими». В какой-то мере эта задача решается при проведении к о м п л е к с н ы х испытаний, которые можно разделить на три типа: комбинированные, последова­ тельные и составные.

При комбинированных испытаниях два или более внешних факторов действуют на изделие одновременно, например: повышенная (пониженная) температура и вибрация, температура и повышенное (пониженное) дав­ ление и т. п. При последовательных испытаниях воздей­ ствие различных факторов осуществляется одно за дру­ гим в определенной последовательности. При этом ре­ зультаты оцениваются отдельно по каждому виду воз­ действия, причем после каждого воздействия характери­ стики изделия восстанавливаются. Составные испытания проводятся так же, как и последовательные, но отлича­ ются от них тем, что их производят непрерывно, без существенных перерывов между отдельными воздейст­ виями. При этом оценка результатов производится после окончания всего комплекса в целом. Очередность воз­ действий при последовательных и составных испытаниях выбирается в зависимости от возможных конкретных условий эксплуатации. Наиболее жесткой считается сле­ дующая последовательность: механические воздействия, повышенная температура или циклическое воздействие температур, повышенная влажность, пониженная темпе­ ратура. В этом случае влага, попавшая внутрь изделий через неплотности, поры или дефекты, образовавшиеся вследствие воздействия первых двух факторов, замерзая

и расширяясь при воздействии пониженной температуры, может вызвать дополнительные разрушения.

При проведении исследований влияния климатиче­ ских факторов на изделия и испытаний по проверке их качества чрезвычайно важно обеспечивать в о с п р о и з ­ в о д и м о с т ь результатов испытаний, так как в против­ ном случае практическая ценность полученной информа­ ции значительно снижается.

Воспроизводимость результатов испытаний в первую очередь обеспечивается воспроизводимостью условий испытаний.

Для элементов аппаратуры на основе ферритов, та­ ких как катушки индуктивности, твердотельные феррито­ вые СВЧ приборы и т. п. условия воздействия какоголибо климатического фактора однозначно определяются характеристиками режима этого воздействия, например, величиной температуры и скорости движения воздуха при температурных испытаниях.

В этом случае результаты испытаний могут использо­ ваться в качестве объективных свойств изделия и харак­ теристик качества, которыми с достаточной достоверно­ стью можно пользоваться для прогнозирования надеж­ ности изделий.

При рассмотрении вопроса о влиянии климатических факторов на ферриты необходимо учитывать, что из-за взаимодействия с другими деталями конструкции дейст­ вие того или иного климатического фактора может пере­ даваться ферриту посредством целого ряда воздействий, отличающихся от этого фактора как количественно, так и качественно. Например, при нагревании катушек ин­ дуктивности с ферритовым сердечником или СВЧ устройства с вклеенным ферритовым вкладышем на фер­ риты будет действовать не только температура, но и ме­ ханические напряжения, вызванные разницей коэффи­ циентов теплового расширения феррита и соприкасаю­ щихся с ним других деталей.

Стремясь обеспечить работоспособность изделий на ферритах, при воздействии внешних факторов, к ферри­ там часто предъявляются те же требования по устойчи­ вости к воздействиям климатических факторов, что и к самим изделиям. В некоторых случаях такой подход не совсем верен. Так, сам по себе ферритовый вкладыш твердотельного прибора СВЧ может прекрасно выдер­ жать испытание на тепло или холод, а будучи вклеен­

18

ным в устройство при тех же условиях растрескивается или изменяет свои параметры под влиянием термоупру­ гих напряжений. В этом случае существенными показа­ телями являются не теплоили холодоустойчивость, а механическая прочность, коэффициент теплового рас­ ширения, теплопроводность, магнитоупругая чувстви­ тельность, которые служат объективными физическими характеристиками материала.

Однако и здесь положение осложняется вторым, чрезвычайно важным и общим для всех ферритов об­ стоятельством. Дело в том, что ферриты изготовляются не в виде «безликого» материала определенной марки, как например листовое железо, из которого потом дела­ ют различные детали, а в виде конкретных изделий са­ мых различных форм и размеров. Так как все основные технологические процессы изготовления ферритов осу­ ществляются посредством воздействия на их поверх­ ность (спекание, прессование и т. д.), то площадь по­ верхности и конфигурация ферритового изделия сильно влияют на окончательную структуру, а следовательно,

ина структурно-чувствительные свойства феррита. Воз­ действие некоторых климатических факторов, таких, на­ пример, как влага, также происходит через поверхность

изависит, следовательно, от размеров и конфигурации изделия. Поэтому важную роль играет масштабно-тех­ нологический фактор, который проявляется в том, что влияние одних и тех же воздействий на изделия из ма­ териала одной и той же марки может быть существенно различным в зависимости от геометрической формы и

размера.

Важной особенностью зависимостей параметров фер­ ритов от воздействия внешних факторов является стати­ стический характер этих зависимостей. Из-за сильной структурной чувствительности ферритов количественные результаты воздействий могут значительно меняться от образца к образцу и, строго говоря, требуют статисти­ ческой обработки.

Как уже говорилось, качественная и количественная оценка результатов воздействия климатических факто­ ров на ферриты производится по результатам соответст­ вующих испытаний конкретных ферритовых деталей. Испытания эти проводятся как в целях исследования, так и в целях проверки изделий на соответствие техни­ ческим требованиям.

Количественно результаты испытаний (устойчивость или последействие) оцениваются величинами относитель­ ного изменения параметров образцов, например, магнит­ ной проницаемости ц: 8 =Др,/р,, где Лц — величина из­

менения параметра в результате проведения воздействия; р, — величина параметра, замеренная перед испытанием.

Следует различать изменение параметров образца р (эффективная проницаемость) и вещества рв. Строго говоря, Др,= Дрв только в случае замкнутого магнито­ провода. Если магнитопровод разомкнут, то между из­ менениями эффективного параметра и параметра веще­ ства существует следующее приближенное соотношение: бр/брв—Цв/р. Следовательно, у разомкнутых магнитопроводов стабильность выше, чем у замкнутых. В даль­ нейшем, говоря о стабильности ферритов, будем подра­ зумевать стабильность вещества.

Во всех случаях при проведении испытаний следует строго соблюдать принцип максимального приближения условий проведения испытания к реальным условиям эксплуатации изделия. Следует отметить, что в рассмот­ ренных выше испытаниях отдельно взятых ферритов этот принцип нарушается.

На поведение ферритов при воздействии отдельных внешних факторов сильное влияние может оказывать предыстория образца, что следует учитывать при прове­ дении последовательных испытаний. Целый ряд внешних воздействий приводит к полностью или частично обрати­ мым изменениям параметров ферритов, характеризую­ щихся различными величинами времени релаксации.

Если это время окажется больше времени выдержки образца в промежутке между испытаниями, то на ре­ зультат последующего воздействия наложится обрати­ мое изменение параметров от предыдущего воздействия, что приведет к ошибочной оценке результатов испыта­ ний. Следует также учитывать стабилизирующее воздей­ ствие некоторых факторов, например, повышенной тем­ пературы.

Ферриты являются магнитными материалами, поэто­ му при проведении испытаний следует заботиться об их защите от внешних магнитных полей, в том числе и от полей, создаваемых испытательным оборудованием.

Желательно иметь оборудование, выполненное из не­ магнитных материалов, в которых магнитные поля не возникают. В некоторых случаях приходится применять

20

специальные размагничивающие устройства или экра­ нировку.

Конечно, уровень допустимых магнитных полей при испытаниях различных изделий различен, однако во всех случаях следует стремиться к максимальной «немагнитности» испытательного оборудования.

Влияние температурных воздействий

К температурным воздействиям относятся три вида воздействий: воздействие повышенной температуры окру­ жающей среды (характеризуется теплоустойчивостью), воздействие пониженной температуры окружающей сре­ ды (характеризуется холодоустойчивостью) и воздей­ ствие смены температур — термоудар.

Нагрев и охлаждение ферритов сопровождается из­ менением их параметров вследствие принципиальной за­ висимости от температуры таких основных характери­ стик ферритов, как намагниченность насыщения, энер­ гия кристаллографической магнитной анизотропии и магнитострикция насыщения.

На кривой температурной зависимости намагничен­ ности насыщения ферритов имеется, как правило, две о с о б ы е точки. Одна из них соответствует температуре точки Кюри — Ѳо при которой полностью исчезают фер­ ромагнитные свойства феррита. При этом как намагни­ ченность насыщения, так и константы анизотропии и магнитострикции обращаются в 0. Вторая точка может по­ явиться вследствие различной температурной зависимо­ сти магнитных моментов подрешеток, что при опреде­ ленной температуре подчас приводит к полной или ча­ стичной их компенсации. Это может явиться одной из причин перехода через 0 температурных зависимостей констант анизотропии и магнитострикции.

Наличие особых точек искажает монотонный харак­ тер температурных зависимостей электромагнитных па­ раметров ферритов. Так, для некоторых марок ферритов на температурных зависимостях магнитной проницаемо­ сти, кроме характерного максимума вблизи температуры точки Кюри, появляется второй, низкотемпературный максимум при температуре, соответствующей переходу через 0 значения константы кристаллографической маг­ нитной анизотропии. Термостабильность ферритов, как правило, оценивается величинами температурных коэф­

21

фициентов параметров, и эта величина может быть опре­ делена по графикам температурных зависимостей.

Определение температурных коэффициентов произво­ дится по формулам, аналогичным формуле для опреде­ ления температурного коэффициента начальной магнит­ ной проницаемости, которая приводится ниже

где рі — величина магнитной проницаемости при темпе­ ратуре Ті (обычно 7'1 = 20°С); р,2 — величина магнитной проницаемости при температуре Т2.

Практически наиболее удобно пользоваться величи­ ной относительного температурного коэффициента на­ чальной магнитной проницаемости

Для определения температурных коэффициентов пользуются специальной испытательной аппаратурой,ха­ рактеризующейся высокой точностью замеров относи­ тельного изменения параметров (малой величиной слу­ чайной ошибки измерения и сравнительно большой раз­ решающей способностью).

Следует отметить, что формулами, аналогичными (2.1) и (2.2), пользуются для оценки нестабильности ферритов при любых видах внешних воздействий, т. е. не только температурных.

22

ствия температуры в слабых электромагнитных полях:

23

Температурная стабильность ферритов с ППГ харак­ теризуется температурными коэффициентами некоторых статических параметров, которые приведены для основ­ ных отечественных марок этих ферритов в табл. 3. Там же приведены величины температуры точки Кюри, опре­ деляющие верхнюю предельную температурную границу применимости этих ферритов.

диапазону —60° .. .-(-20 °С, а правый — к диапазону -(-20° ••.+70 °С.

Температурная стабильность магнитотвердых ферри­ тов на основе бария, стронция и кобальта сравнительно велика и характеризуется температурным коэффициен­ том остаточной индукции:

T K ßr= (Aßr/ßrAT) • 100(% - град-1),

где Вт, Ь.ВГ— величина остаточной индукции и ее изме­ нение при изменении температуры на АТ соответственно.

Величины этих коэффициентов в рабочих диапазонах температур для основных марок магнитотвердых ферри­ тов приведены в табл. 4.

Высокая температурная стабильность ферритов СВЧ, позволяющая применять их в широком диапазоне тем­ ператур, зависит, как впрочем и у всех ферритов, от тем­ пературы точки Кюри Ѳс (она выше у марок, обладаю­ щих более высокой Ѳс). Значение Ѳс максимально для никелевых и магниевых ферритов СВЧ (для разных со-

24

Основной характеристикой термостабильности магни-

Влияние температур на свойства ферритовых мате­ риалов характеризуется также и необратимым послед­ ствием, одной из причин которого является термомаг­ нитный гистерезис [53]. Причиной остаточных изменений параметров ферритов даже после кратковременного (в течение нескольких часов) воздействия температуры могут быть внутренние напряжения, обусловленные не­ однородностью структуры. Механизм необратимого из­ менения параметров после длительного воздействия по­ вышенных температур подробно рассматривается в сле­ дующем параграфе. Для ферритовых материалов необ­ ратимые изменения параметров после кратковременных воздействий температуры не превышают в среднем !±5%.

К специфическому виду температурных воздействий относится термоудар. При этом большое влияние на из-

25