§ 4.3. Магнитные материалы для электромагнитных экранов

Частота и амплитуда экранируемого ЭМП определяют требования, предъявляемые к материалу электромагнитного экрана. В табл. 4.1 приведены основные магнитные материалы, применяемые для экранирования электромагнитного излучения.

В экранах, применяемых для защиты от воздействия ЭМП, могут использоваться следующие магнитные материалы:

–электролитическое железо;

–карбонильное железо;

–электротехнические стали (ГОСТ 11036):

нелегированные (технически чистое железо);

легированные (с содержанием кремния до 5 %);

–сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои, аморфные и нанокристаллические сплавы, альсифер и др.);

–сплавы с большой индукцией насыщения (пермендюры);

–ферриты (никель-цинковые и марганец-цинковые ферритшпинели, бариевые и стронциевые гексаферриты);

–никель и кобальт.

Бариевые и стронциевые гексаферриты относятся к магнитотвердым материалам, все остальные из вышеперечисленных материалов являются магнитомягкими.

Сравнить основные магнитные характеристики магнитных материалов можно на основании диаграмм, отображающих связи начальной магнитной проницаемости материалов µн* и коэрцитивной силы НсВ (рис. 4.5, а); начальной магнитной проницаемости и магнитной индукции технического насыщения BS (рис. 4.5, б).

Диаграммы (рис. 4.5) и данные табл. 4.1, позволяют выбрать магнитный материал для решения задачи экранирования в заданном частотном диапазоне с учетом амплитуды магнитной компоненты электромагнитного поля. Низкокоэрцитивные магнитные сплавы (НсВ до

10 А/м) обладают высокой µн (≥ 104) и используются при изготовлении магнитостатических экранов, рассчитанных на защиту от воздей-

* В рассматриваемом случае начальная и максимальная магнитные проницаемости материалов это действительные компоненты комплексной магнитной проницаемости.

124

Талица 4.1

Основные магнитные материалы, применяемые для экранирования электромагнитного излучения

ствия магнитных полей напряженностью до нескольких сотен ампер на метр. Материалы с большими значениями коэрцитивной силы и магнитной индукции насыщения применяются при экранировании полей с амплитудой свыше 1 кА/м. При необходимости экраны, защищающие от воздействия магнитостатических полей и ЭМВ, выполняют в виде многослойной конструкции, состоящей из материалов с различными значениями BS, µн и НсВ.

Электролитическое железо получают электролизом хлорида или сульфата железа, после которого проводят промывку, измельчение и термообработку в вакууме. Содержание примесей составляет менее 0,05 % по массе. Сложность технологии получения является причиной высокой стоимости электролитического железа. Максимальная магнитная проницаемость составляет около 15 000. Электролитическое железо применяется в постоянных магнитных полях.

Карбонильное железо получают в виде мелкодисперсного порошка термическим разложением пентакарбонила железа. Массовая доля железа составляет не менее 96,45 %. Магнитная проницаемость карбонильного железа достигает 20 000…21 500. Основное применение карбонильное железо находит в составе композитных материалов, например магнитодиэлектриков.

Нелегированные электротехнические стали (технически чи-

стое железо) – магнитомягкий материал, содержащий помимо железа не более 1 % примесей, включая углерод, серу, марганец и др. Нелегированные электротехнические стали получают длительной плавкой, что обеспечивает выгорание примесей. Такой материал используется довольно редко из-за сравнительно низкого удельного электрического сопротивления.

Нелегированные электротехнические стали, электролитическое и карбонильное железо имеют удельное электрическое сопротивление порядка 0,1 мкОм ∙ м, что позволяет использовать их для экранирования ЭМИ частотой до 50 Гц.

Легированные электротехнические стали целесообразно при-

менять при высоком содержании кремния (см. § 2.4), что объясняется их удельным электрическим сопротивлением до 0,6 мкОм ∙ м при массовой доле кремния 5,0 % (для сравнения, при нулевом содержа-

127

нии кремния ~0,1 мкОм ∙ м) и максимальной магнитной проницае-

мостью µmаx = 3000…8000.

Верхняя граница диапазона частот, в котором обеспечивается эффективное экранирование, определяется толщиной электромагнитного экрана d. В технике используются экраны компонентов РЭА, фольгированные электротехнической сталью, которые при толщине фольги от 0,01 мм обеспечивают необходимую эффективность экранирования ЭМИ частотой до 20 кГц. Экраны могут быть цилиндрическими, навитыми из ленты в несколько слоев или составленными из плоских листов, сложенных внахлест.

Преимуществами электротехнической стали по сравнению с другими ферромагнитными сплавами, применяемыми для экранирования ЭМИ, являются:

–невысокая стоимость;

–отсутствие существенного снижения эффективности экранирования при механической обработке;

–возможность изготовления экранов, имеющих габаритные размеры от полуметра до нескольких метров.

Пермаллои (см. § 2.4) – сплавы железа с никелем, обладающие высокими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости (до 200 000) в полях напряженностью до 100 А/м, что обусловлено низкими значениями коэрцитивной силы (до 2 А/м) (константа магнитной анизотропии K ≈ 0). Высоконикелевые пермаллои (содержание никеля 75…80 ат. %) характеризуются наивысшими значениями магнитной проницаемости и применяются для экранирования постоянного магнитного поля. Низконикелевые пермаллои имеют более высокое удельное электрическое сопротивление (0,45…0,9 мкОм ∙ м) по сравнению с высоконикелевыми (0,16…0,85 мкОм ∙ м). Пермаллои наиболее эффективны для экранирования ЭМИ частотой до 1 кГц и напряженностью магнитного поля Н < 800 А/м. При большей напряженности в пермаллое наступает насыщение магнитной индукции и ухудшение экранирующих свойств экрана.

Применение пермаллоев в электромагнитных экранах ограничено:

–сложностью процесса получения, включающего отжиг после механической обработки;

128

–высокой стоимостью отдельных компонентов, прежде всего никеля;

–изменением магнитных свойств при механических воздействиях, вызывающих деформацию или внутренние напряжения.

Пермендюры (см. § 2.4) – железокобальтовые сплавы, легированные ванадием (30…51 % Со, 1,5..2,0 % V) и обладающие наивысшим значением индукции насыщения (до 2,45 Тл), применяются при экранировании ЭМП частотой ≤ 50 Гц и напряженностью до 5000 А/м. Удельное электрическое сопротивление пермендюра 49КФ составляет 0,26 мкОм ∙ м. Невозможность широкого использования пермендюров связана с их низкой коррозионной стойкостью и высокой стоимостью кобальта и ванадия.

Альсифер – сплав железа с кремнием и алюминием, содержащий 9,6 ат. % Si, 5,4 ат. % Al и 85 ат. % Fe. Начальная магнитная проницаемость альсифера достигает 35 000, максимальная магнитная проницаемость – 120 000. В связи с твердостью и хрупкостью альсифера его механическая обработка затруднена. Материал изготавливают литьем, толщина ленты составляет 2…3 мм. Низкое удельное сопротивление материала (0,8 мкОм ∙ м) ограничивает его применение экранированием ЭМИ частотой до 50 Гц.

Аморфные магнитные сплавы – магнитомягкие сплавы на ос-

нове железа или кобальта, получаемые методом быстрой закалки, выпускаются в виде лент или микропроводов с магнитной жилой толщиной до 200 мкм, заключенной в стеклянную оболочку. Обычно материал содержит 75…85 ат. % основного компонента (Fe, Co, Ni) и 15…25 ат. % стеклообразователя (B, C, Si, F). Аморфные магнитные сплавы обладают высокой твердостью и коррозионной стойкостью. В зависимости от состава они могут иметь различные

значения константы магнитострикции* (λS), в том числе – равное нулю. В последнем случае изменения магнитных свойств при механическом воздействии отсутствуют.

При необходимости механическая обработка аморфных сплавов проводится сразу после получения магнитной ленты. Последу-

* Магнитострикция – относительная деформация, возникающая в магнитном материале при изменении его намагниченности.

129

ющая термомагнитная обработка придает аморфным сплавам заданные характеристики (магнитную проницаемость, коэрцитивную силу) и одновременно снижает пластичность материала.

Недостатком аморфных сплавов является ограниченность номенклатуры выпускаемых материалов (обычно это лента толщиной 0,015…0,040 мм). Верхний порог толщины составляет ~80 мкм и связан с необходимостью обеспечения скорости охлаждения аморфного сплава не менее 105…106 К/с.

По химическому составу можно выделить аморфные сплавы на основе железа, на основе кобальта и на железоникелевой основе.

Аморфные сплавы на основе железа имеют высокую магнит-

ную индукцию технического насыщения (ВS ~ 1,2…1,7 Тл), их особенность – низкие потери на перемагничивание вплоть до частот

~20 кГц.

Аморфные сплавы на железоникелевой основе имеют ВS ~ ~ 0,7…1,0 Тл и обладают низкими потерями на перемагничивание в диапазоне 10…100 кГц.

Аморфные сплавы на основе кобальта в среднем обладают

ВS ~ 0,5…0,6 Тл, что существенно меньше, чем у других сплавов этой группы материалов. Несмотря на относительно низкую ВS в слабых полях сплавы на основе кобальта превосходят по ряду параметров пермаллой и ферриты. Индукцию насыщения таких сплавов без существенного увеличения потерь на перемагничивание (т. е. без увеличения площади петли гистерезиса) можно повысить до 0,7…1,0 Тл увеличением содержания кобальта и бора, подбором соотношения бора и кремния, введением марганца.

Высокая хрупкость аморфных магнитных сплавов позволяет применять их только в защищенном исполнении: внутри контейнеров, заполненных демпфирующим материалом или с нанесенным защитным покрытием. Максимальная температура длительного применения материалов находится в интервале 90…240 °С и определяется термическими свойствами используемой защиты.

Нанокристаллические сплавы – магнитомягкие сплавы на основе железа и кремния с добавками Cu, Nb, B. Их получают методом контролируемой кристаллизации из аморфного состояния до формирова-

130