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

Статистическая обработка экспериментальных данных позволила построить функциональную зависимость отно­ сительного изменения параметров jx, tg8 , tg8e от времени

и количественно оценить стабильность с помощью от­ носительных изменений параметров в течение всего периода испытаний. Функциональные зависимости пара­ метров ц, ig 8^ и tg 8е от времени при различных воздей­

ствующих факторах представлены на рис. 2.29—2.34.

В качестве воздействующих были выбраны следую­ щие факторы: повышенная температура +60 °С, + 100°С, +125°С; повышенная влажность |= 98% , при

К о л и ч е с т в о ц и к л о в

Рис. 2.31.

Колычество циклов

формы с помощью Q-метра со специальным приспособ­

лением— пермеаметром, а параметры петли гистерези­ са — баллистическим методом.

Из рис. 2.29 видно, что магнитная проницаемость претерпевает заметное изменение при температурах (100 ... 125)°С и наиболее ощутимое изменение проис­ ходит в начальный период температурного воздействия (500 ... 1 000 ч). Характер зависимости изменения па-

68

раметра Ар/р во времени для каждой исследуемой мар­ ки и для каждого режима испытаний несколько разли­ чен в начальный период воздействия, однако наблюдает ся общая тенденция к незначительному уменьшению магнитной проницаемости, а в дальнейшем — некоторая стабилизация. При более высокой температуре воздей­ ствия этот характер изменения кривых становится бо­ лее отчетливым. Заметное изменение параметра за пе­

ских неоднородностей, удалением остаточной влаги, сня­ тием внутренних напряжений и т. д. Изменение р при

ионами одного и того же элемента с разной валентно­

ра у Ni-Zn феррита ЗСЧ8 больше, чем у Mg-Mn феррита марки 2СЧ1 и иттрий-алюминиевого граната 40СЧ2. Диэлектрические потери для марки 2СЧ1 (рис. 2.30) растут при длительном воздействии повы­ шенной температуры. Одной из причин увеличения их, вероятно, является наличие в составе этой марки не­ магнитных ионов магния. При повышении температуры окружающей среды происходит перераспределение метастабильных ионов магния между А и В положениями кристаллической решетки с одновременным вытеснением оттуда ионов Fe3+. Другая причина повышения диэлек­ трических потерь при тепловом старении заключается, по-видимому, в «доокислении» двухвалентных ионов марганца Мп2+ до состояний Мп3+ и Мл4+ в воздушной среде. У ферритов марок ЗСЧ8 и 40СЧ2 наблюдалось незначительное снижение неэлектрических потерь при тепловом старении, а затем их стабилизация.

£9

остаточной влаги, которая в значительной степени уве­ личивает удельную проводимость феррита, а следова­ тельно, и диэлектрические потери.

Особый интерес представляет изменение параметров петли гистерезиса: Вт, Вг и Нс. При длительном воз­ действии повышенной температуры ( + 60 ... +125°С) характер изменения параметра Вт одинаков для марок 2СЧ1 и ЗСЧ8. В этом случае наблюдается вначале не­ значительный рост значения Вт, а затем при длитель­ ном нагреве постепенный спад. Причиной такого изме­ нения параметра Вт является, по-видимому, упорядо­ ченное перераспределение катионов по узлам решетки, что приводит к изменению величины общего магнитно­

тельное снижение коэрцитивной силы Нс (порядка 2—3%) для всех исследуемых марок в процессе длительного нагрева можно объяснить изменением доменной струк­ туры и снижением потерь за счет движения стенок доменов. В целом из рисунка видно, что электромаг­ нитные параметры СВЧ ферритов достаточно ста­ бильны.

Экспериментальное определение коэффициента дезаккомодации ферритовых магнитопроводов

Знание температурной зависимости коэффициента дезаккомодации для каждого образца позволяет опре­ делить энергию активации процесса (Е), сопровождаю­ щего дезаккомодацию, и оценить продолжительность этого процесса.

На рис. 2.35 представлены температурные спектры коэффициентов дезаккомодации марок 700НМ, 1500НМЗ, 2000НМ1. По оси ординат отложена усредненная по пяти образцам величина коэффициента дезаккомодации

Известно, что дезаккомодация характеризуется коэффи­ циентом:

=igfahd-

70

В рассматриваемом случае тц = 30 с, тг= 300 с. Раз­ магничивающий ток при измерениях равен ЗОА, что со­

стояние между граничными слоями. Этой формулой

представляют собой прямые, тангенс угла наклона ко­

мость 1пт=/(Г) также аппроксимируется прямой. Энер­ гия активации определяется как тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс. Расчет показал, что энер­ гия активации Е ферритов марок 700НМ, 1500НМЗ и 2000НМ1 имеет величину порядка (0,16—0,32) • 10~19 Дж.

71

__I ! I ! I I

3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,5 103/ T K e

Рис. 2.36.

72

Исходя из этого можно предположить, что явление дез­ аккомодации определяется электронными процессами, например, диффузией ионов Fe2+ в граничные слои по­ средством электронного обмена между Fe3+ и Fe2+.

Наличие в феррите ионов Fe2+ приводит к уменьше­ нию магнитоупругой энергии и, возможно, обменной энергии кристаллов. А так как свободная энергия кри­ сталла пропорциональна энергии граничной стенки, то естественно предположить, что граничные слои должны содержать преимущественно скопление ионов Fe2+. При перемагничивании феррита полем насыщения сначала граничные слои отсутствуют (феррит намагничен до на­ сыщения) и ионы Fe2+ и Fe3+ распределены беспоря­ дочно. Затем, после размагничивания, в феррите появ­ ляются граничные слои, которые должны проходить че­ рез места скопления Fe2+, так как при этом свободная энергия кристалла будет иметь минимальное значение. Таким образом, при перемагничивании образца все про­ цессы сводятся к восстановлению доменных границ по­ средством электронной диффузии. Зная величину энер­ гии активации, можно предположить, что эти процессы кратковременны. Они заканчиваются через несколько минут.

2.3.МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ. СТАБИЛЬНОСТИ ПАРАМЕТРОВ Mn-Zn ФЕРРИТОВ

Одним из основных источников информации о ха­ рактере изменения параметров ферритов являются раз­ личного рода лабораторные испытания. Проведение дли­ тельных испытаний позволяет определить стабильность ферритов не только по отношению к фактору времени,, но и по отношению к отдельным механическим и кли­ матическим воздействиям. Однако, принимая во внима­ ние материальные затраты, а также необходимость оперативного получения информации о характере изме­ нения электромагнитных параметров ферритов, возни­ кает задача ускоренного получения данных о стабиль­ ности свойств ферритов в лабораторных условиях. Ме­ тоды ускоренного определения стабильности свойств; ферритов, т. е. ускоренные испытания, по жесткости применяемых режимов подразделяются на две основ­ ные категории: испытания в нормальных и в форсиро­ ванных режимах.

73

Количественное определение стабильности при испы­ тании в нормальных режимах может быть осуществле­ но двумя способами. Во-первых, можно исходить из ана­ лиза внешнего проявления процесса старения ферритов.

новывается на возможной аппроксимации функции (Ар/р) (т) аналитическим выражением, коэффициенты которого можно определить, например, методом наи­ меньших квадратов. Во-вторых, можно использовать связь температурного спектра дезаккомодации с про­ цессом старения феррита. Здесь также зависимость Ар/р от т аппроксимируется аналитической функцией, но коэффициенты ее определяются температурным спектром дезаккомодации. Таким образом в этом слу­ чае процесс описывается не формально, а исходя из его физической сущности.

При определении стабильности в случае испытания в форсированных режимах исходят из предположения, что скорость протекания процессов старения увеличи­ вается по мере ужесточения режима, а механизм ста­ рения остается неизменным. При этом необходимо опре­ делить зависимость между произвольным временем испытаний в некотором форсированном режиме и соот­ ветствующим (для одинаковой степени износа или ста­ рения) временем испытаний в нормальном режиме. Ча­ ще всего эта зависимость выражается либо в виде ли­ нейной функции:

Тф = а(80, ö*)th,

либо в виде степенной функции:

ного и нормального режимов соответственно. Указанные способы приемлемы для определения ста­

бильности ферритов и в том случае, когда в качестве воздействующего фактора выбирается температура. При этом необходимо определить температурный спектр дез­ аккомодации ферритовых магнитопроводов. При пла-

74

нировании эксперимента температура воздействия вы­ биралась, исходя из следующих соображений. Исследо­ вание температурного спектра дезаккомодации, снятого в диапазоне температур (—30 ... +50)°С для ферритов марок 700НМ, 1500НМЗ и 2000НМ1, показало, что при температуре, близкой к 0°С, находится максимум ко­ эффициента дезаккомодации, а при температуре, близ­ кой к 40 °С — минимум коэффициента дезаккомодации. Поэтому для выяснения связи между нестабильностью магнитной проницаемости и величиной коэффициента дезаккомодации были выбраны температуры воздейст­ вия, соответствующие минимуму и максимуму коэффи­ циента дезаккомодации. Выбранная температура (130°С) находится в диапазоне температур, которому соответствует район второго максимума спектра дезак­ комодации (рис. 2.6), т. е. участок, где энергия акти­ вации процессов отлична от энергии активации процес­ сов, происходящих в районе третьего максимума.

Определение временной стабильности магнитной проницаемости ферритов на основе коэффициента дезаккомодации

В ходе исследований выяснилось, что при воздейст­ вии температур (=0°С; 40°С в течение четырех меся­ цев (рис. 2.37 кривые 1, 2 соответственно) величина ко-

700НМ

а

г тонмз

в

2000НМ 1

в

Рис. 2.37.

75

вая 1), несмотря на то, что величина коэффициента дез­ аккомодации при і = 0°С выше (табл. 11). Это можно объяснить тем, что процессы, сопровождающие явление дезаккомодации в этом диапазоне температур, закон­ чились к моменту начала испытания. Энергия активации процесса дезаккомодации в этом диапазоне температур имеет величину порядка 0,16-10-19 Дж для всех трех марок ферритов. Судя по величине энергии активации, эти процессы заканчиваются в течение нескольких ми­ нут. Таким образом, величина коэффициента дезаккомо­ дации в районе третьего максимума не влияет на вре­ менную стабильность начальной магнитной проницае­ мости при воздействии температуры.

Это предположение подтверждается данными, полу­ ченными в результате длительного хранения ферритовых колец марок 700НМ, 1500НМЗ и 2000НМ1. Для этого из партий ферритов, лежащих на хранении в условиях отапливаемого склада, было отобрано несколько образ­ цов. У отобранных образцов измерялся коэффициент дезаккомодации при / = 20°С и его величину сравнивали с величиной относительного изменения магнитной про­ ницаемости этих же образцов за время хранения в те­

76