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

Кроме того, исследовались зависимости вязких по­ терь, связанных с явлением магнитного последействия и дезаккомодации проницаемости от температуры. Для этих ферритов максимум потерь был обнаружен в ин­ тервале температур (—1 9 6 ...—50°С). В работах [176— 183] указывалось, что потери происходят вследствие диф­ фузии электронов между ионами железа и марганца раз­ ной валентности. Величины энергии активации, рассчи­ танные по температурной зависимости тангенса угла по­ терь и по температурной зависимости проводимости, хо­ рошо совпадают, что подтверждает существование диф­ фузии электронов. На кривой (рис. 2.6) зависимости дезаккомодации от температуры обнаружены три обла­

сти релаксации, соответствующие следующим интерва­ лам температур: (+ 250 ... +500) °С, (+ 100 ... 250) °С и

(—90 ...+ 20)°С . Каждая из этих областей релаксации имеет свой собственный характер, повторяющийся для всех исследованных ферритов. Энергии активации в этих областях также близки друг к другу по величине во всех

ветствует диффузии ионов посредством замещения ва­ кансий.

Более того, существование и интенсивность упомяну­ тых процессов определяется концентрацией вакансий, которая должна превосходить некоторую минимальную величину, различную для всех трех областей релаксаций. Во всех трех областях происходят процессы диффузии ионов Fe2+ посредством вакансии. Объяснение диффузи­ онных процессов дается на основе теории анизотропии ионов Fe2+. Эта теория приписывает ионам Fe2+ в неэкви­ валентных октаэдрических положениях кристаллической решетки различные энергии, чем определяется направле-

37

кие спонтанной намагниченности. В зависимости от кон­ центрации вакансий Fe2+, существуют различные конфи­ гурации решетки или ориентационная сверхструктура, которая соответствует состоянию с минимальной энер­ гией. Диффузия ионов Fe2+, приводящая к этим со­ стояниям, вызывает после размагничивания образца дезаккомодацию проницаемости. В работе [179] приво­ дятся две формулы для расчета проницаемости во вре­ мени.

Изменение ц в зависимости от времени можно опи­ сать следующим образом:

где £ ( т ) — функция распределения постоянных времени, релаксации, С — некоторый постоянный коэффициент. Если рассматривается единственная средняя постоянная времени т, то формула запишется в следующем виде:

значение, к которому стремится проницаемость за вре­ мя т, характеризующее величину коэффициента дезакко­ модации при напряженности поля измерения Я; то— по­ стоянная времени переходных процессов. С целью выяс­ нения причины временного спада проницаемости (необ­ ратимые структурные изменения, окисления материала, выпадение какой-либо фазы и т. п. или дезаккомодация, которая зависит от обратимых процессов смещения гра­ ниц доменов) С. Миахара и Т. Ямодага [180] провели серию исследований.

Так как изменения проницаемости после размагничи­ вания за интервал времени т = 100 ч не наблюдалось, то был сделан вывод о том, что временное изменение про­ ницаемости целиком определяется процессами смещения границ доменов, положение которых при одной и той же «магнитной предыстории» образца всегда одинаково. Однако следует отметить, что результаты повторения этого эксперимента К- А. Пискаревым [82] не полностью подтверждают вывод, сделанный в [180]. Для некоторых образцов Mn-Zn ферритов наблюдается спад проницае-

38

мости даже при одинаковой «предыстории» образца. Вероятно, в данном случае имели место и какие-то ощу­ тимые остаточные изменения в структуре ферромагне­ тика. Хорошим доказательством того, что временные из­ менения проницаемости, в основном, определяются про­ цессами смещения границ доменов, является возврат значения проницаемости к его первоначальному значе­ нию после нагрева образцов выше точки Кюри. Такие результаты были получены Пискаревым для ферритов на основе Mn-Zn со следующей вариацией составов ІШгОз—

(52 ... 53) %; МпО— (30... 33) %; ZnO— (14 ... 15) % с

присадкой и без присадки окисей кобальта или титана [82]. Однако, например, для Mn-Zn феррита с повышен­ ным содержанием окиси железа (до 56%), окиси мар­ ганца (до 40%), и с содержанием окиси цинка (4... 5%) после нагрева образцов выше точки Кюри полного воз­ врата проницаемости к ее первоначальному значению не наблюдается.

По результатам своих исследований Смит [198] уста­ новил, что для некоторых ферритов на основе Mn-Zn после воздействия магнитного поля с последующим раз­ магничиванием проницаемость мгновенно увеличивается, а затем падает и тем скорее приходит к своему перво-^ начальному значению, чем выше температура. Исходя из зависимости процесса дезаккомодации от температу­ ры, в работе [198] выдвигается предположение о том, что наряду с диффузией электронов возможна диффузия ионов. В то же время выдвигается гипотеза о том, что изменения в магнитном состоянии могут определяться магнитострикционными напряжениями, которые при ка­ ких-то температурах снимаются. Кроме того, отмечается, что проницаемость продолжает падать в течение дли­ тельного промежутка времени после снятия внешнего магнитного поля до значения, меньшего чем первона­ чальное на несколько процентов.

Крупичка [65, 170, 171] подтверждает существование

ном определяется диффузией электронов. Поскольку для ферритов, содержащих марганец, наблюдается более сильная дезаккомодация, то тем самым подтверждается,

39

что в механизме релаксации принимают участие и ионы марганца; действительно обмен (диффузия) электронов с участием ионов марганца возможен, так как марганец может иметь валентность 2,3 и 4. Релаксационные про­ цессы, которые наблюдались при измерении временного спада магнитной проницаемости, проходили при разных временах релаксации: от нескольких десятков секунд до десятков часов (под временем релаксации понимается время, необходимое для восстановления того состояния, которое было нарушено тем или иным процессом).

Исследованию дезаккомодации проницаемости по­ священ еще ряд работ, в том числе работы Шварца, Охта, Иида, Брагинского, Поступольского н др. [135, 136, 154, 160, 169]. В этих работах, как и в вышеперчислениых, изучается механизм дезаккомодации для раз­ личных составов ферритов. В большинстве работ под­ черкивается наличие корреляционной зависимости меж­

Установление количественной связи между коэффи­ циентом дезаккомодашш и временной стабильностью позволило бы решить такие важные задачи, как

— разработка ускоренного метода определения вре­ менной стабильности ферритов при различных условиях эксплуатации;

—контроль стабильности (воспроизводимости) тех­ нологического процесса изготовления ферритов с мини­ мальными затратами;

— оптимизация технологического процесса и осуще­ ствление контроля качества с целью увеличения выхода годных изделий.

Однако в настоящее время связь между временной стабильностью и дезаккомодацией мало изучена. В ра­ боте Пискарева [139] установлена количественная связь между коэффициентом дезаккомодации проницаемости D^, измеряемой в интервале от 5 см до 3 м, и ее времен­

ной стабильностью, измеренной для ферритов марок 2000НМ1, 150ѲНМЗ, 2000НМ, при условии хранения из­ делий на отапливаемом складе в течение года. Эмпири­ чески эту связь можно выразить формулой:

Д[л/,лн = (2001)^ + 0,75) • 100°/о,

где Дц/цн — изменение начальной магнитной проницае­ мости за один год.

40

Практика показала, что это соотношение верно, если измерения величины временной стабильности маг­ нитной проницаемости начаты на третьи сутки после из­ готовления ферритов. Значение коэффициента дезак­ комодации D практически не зависит от времени, про­

шедшего после изготовления ферритов. Как уже отме­ чалось, в процессе исследований, -проведенных автором ранее, были обнаружены необратимые структурные из­ менения ферритов, которые не учтены в данной формуле.

Брагинский и Поступольский [158] утверждают, что основным источником временной нестабильности прони­ цаемости Mn-Zn ферритов является дезаккомодация про­ ницаемости. Знание температурного спектра дезаккомо­ дации, т. е. зависимости дезаккомодации от температу­ ры, позволяет оценить нестабильность проницаемости ферритов на основании кратковременных измерений. В формировании этого спектра участвуют как минимум три процесса (области) магнитной релаксации (рис. 2.6), каждый из которых характеризуется своей интенсивно­ стью (в относительных единицах) и набором постоян­ ных времен релаксации.

В работе найдена эмпирическая связь между времен­ ной стабильностью магнитной проницаемости, измерен­ ной при / = 40 °С, и температурным спектром дезаккомо­ дации для разных вариантов соотношений интенсивно­

Ар/рн==ПF m рнlg(t2/Ti) = d m lg(T2/xi),

где DFm — коэффициент дезаккомодации, измеряемый при комнатной температуре в течение короткого интер­ вала времени (например в интервале от 1 до 10 м по­ сле размагничивания); Др/рн— относительное изменение магнитной проницаемости образца; с?ш = -ОКшрн — при­ веденный коэффициент дезаккомодации; п и т2 — время начала и окончания эксплуатации магнитопровода (вре­ мя отсчитывается с момента изготовления или с момента последнего размагничивания).

41

Эта формула выведена в предположении, что про­ цессы I и II влияют на длительную нестабильность (дни, годы), а процесс III — на кратковременную не­ стабильность (секунды, часы). В [158] подчеркивается, что определенная таким образом нестабильность будет равной или меньше действительной нестабильности.

Однако, как показывает практика, для большинства

феррИТОВ МаргаНеЦ-ЦИНКОВОЙ ГруППЫ й ?Ш тах<^ Ц тоах.

В этом случае в формулу вводится коэффициент к, определяемый опытным путем, и формула принимает вид: Ар/цн=к:£)^,шрн lg (т2/ті) =кйщ lg (тг/ті), где коэф­ фициент к является возрастающей функцией соотноше­ ния dnimax<dumax и убывающей функцией времени; кроме того, к зависит еще от температуры измерения.

Проницаемость ферритов, особенно высокопроницае­ мых, является чрезвычайно чувствительным парамет­ ром, как по отношению к составу и технологическим условиям изготовления, так и по отношению к внеш­ ним условиям, в которых работают готовые феррито­ вые изделия. Проницаемость изменяется при изменении напряженности и частоты внешних магнитных полей; она зависит от магнитной «предыстории» образца, тем­ пературы, времени, различных механических воздейст­ вий, среды и т. п., а следовательно, и от совокупности этих факторов. Поэтому изучение характера временно­ го изменения проницаемости ферритов под действием различных факторов и определение количественного значения этих изменений требует тщательного планиро­ вания эксперимента. При этом основными вопросами, подлежащими рассмотрению, являются следующие: фи­ зическая сущность временных релаксационных процес­ сов для различных групп ферритов; зависимость сіа бильности проницаемости от состава, примесей и техно­ логических режимов их изготовления, а также от режи­ мов эксплуатации; методы искусственного старения; изменение релаксационных процессов под влиянием ме­ ханических усилий и многие другие связанные явления.

Влияние эксплуатационных факторов на стабильность свойств ферритов

Условия работы аппаратуры, содержащей изделия на основе ферритов, существенно влияют на свойства фер­ ритов в период ее эксплуатации. Условия работы отли­ чаются большим разнообразием; они определяются как

42

внешними факторами (воздействиями), так и внутрен­ ними (режимами работы аппаратуры). Режимы работы

электрической нагрузки в течение всего периода функ­ ционирования, а при циклическом режиме периоды хра­ нения сменяются периодами функционирования. При всем разнообразии внешних воздействующих факторов среди них целесообразно выделить основные факторы, наиболее серьезно влияющие на свойства и работоспо­ собность ферритов — это положительная температура, механические нагрузки, электромагнитное поле различ­ ной напряженности и частоты, ионизирующее излучение и влажность.

Естественно, представляет интерес поведение ферри­ тов в период эксплуатации при воздействии указанных факторов. Очевидно, что получение необходимой инфор­ мации в процессе эксплуатации аппаратуры, содер­ жащей ферритовые магнитопроводы, практически не­ возможно из-за отсутствия контроля электромагнитных параметров, поэтому следует проводить специальные испытания, когда требуется изучить влияние как от­ дельного фактора, так и их совокупности.

Рассмотрим магнитомягкие Mn-Zn ферриты. По­ скольку изменение во времени параметров отдельного феррита представляет собой случайную функцию, кото­ рая не дает необходимой информации об изменениях свойств ферритов, необходимо рассматривать изменение параметров целой партии ферритов. В этом случае опре­ деляются функции распределения параметров всей пар­ тии, изменение которых характеризуют наиболее устой­ чивые изменения свойств ферритов.

Изменение параметров Mn-Zn ферритов в условиях хранения. На рис. 2.7—2.13 приведены зависимости от­ носительного изменения начальной магнитной прони­ цаемости от времени хранения для ферритовых магни-

* Температура отапливаемого склада ( + 5 . . . + 30 °С, относи­ тельная влажность воздуха не более 80%; температура неотапливае­ мого склада (—40 . .. +30) °С, относительная влажность воздуха не более 95%; полевые условия характеризуются естественными усло­ виями различных .климатических зон (изделия находятся под наве­ сом и защищены от прямого попадания атмосферных осадков).

4 3

4^

700НМ

Рис. 2.7.

1000НМЗ

Рис. 2.8.

Сл '

1500НМЗ

Рис. 2.9.