1.4 Применение нанокристаллических материалов.

Магнитомягкие материалы применяются в больших количе­ствах в силовых трансформаторах, а в последние годы — в ка­честве сердечников магнитных головок для магнитной записи видеосигналов на частотах мегагерцового диапазона. В этих головках имеется минимальное количество магнитного матери­ала, обычно не более 0,01 мм³. Однако качество магнитной за­писи определяется именно наличием в малом количестве этого материала в головке. Следовательно, цена за объем может быть очень высокой, включая комплекс методов приготовления для оптимизации свойств материалов, используемых в качестве сер­дечников видеоголовок.

Аудио- и видеосигналы обычно записываются, используя фер­ромагнетизм, путем перемещения магнитной ленты, покрытой магнитным материалом, способным перемагничиваться с помо­щью магнитной головки. Сигнал тока генерирует магнитное поле рассеяния в цепи головки, которое производит намагничи­вание отдельных участков в магнитной ленте. При одноосной (или продольной) записи намагничивание магнитной ленты осу­ществляется преимущественно в направлении, параллельном поверхности ленты (рис. 9). Та же самая головка использу­ется для воспроизведения записанной информации. В этом слу­чае электрический сигнал возникает в обмотке головки от маг­нитного потока отдельных участков магнитной ленты, в резуль­тате чего воспроизводится записанный сигнал. Плотность записи на магнитном носителе ограничена размагничивающим факто­ром, возникающим в результате взаимодействия соседних доме­нов, намагниченных в противоположном направлении. Размаг­ничивающее поле должно быть не больше, чем коэрцитивная сила Н_с являющаяся тем минимумом магнитного поля, которое способно уменьшить индуцированную намагниченность до нуля. Как только домены сближаются, размагничивающий фактор уве­личивается и, следовательно, величина Н_с (коэрцитивная сила носителя) должна увеличиваться. Основное требование к но­сителю — высокая плотность информации. Так, для цифро­вой видеозаписи на 8 мм ленте требуется магнитный носитель сочень высокой коэрцитивной силой (порядка 100 кА/м). Од­нако при высоких значениях коэрцитивной силы используемо­го носителя магнитный материал головки должен иметь поверх­ность высокого качества.

При необходимости знакопеременного перемагничивания в носителе головка должна быть способной давать магнитное поле больше, чем коэрцитивная сила носителя. Это поле зависит от намагниченностиМ материала. Необходимо использовать маг­нитную поляризацию J = μМ, где μ — проницаемость свобод­ного бруска. Максимум поляризации — это индукция насыще­ния J_s материала, которое определяет максимум магнитного поля головки. Намагниченность насыщения ферритовой головки J_s — около 0,5 Тл, которой явно недостаточно для реверсивного пе­ремагничивания в носителях с коэрцитивной силой порядка 100 кА/м. Поскольку та же самая головка может быть использована для записи информации на носителе, материал головки должен иметь высокие значения относительной проницаемос­ти μ на видеочастотах.

Используемая для этих целей голов­ка — сандвичевого типа, в которой ферромагнитный материал располагается между двумя немагнитными упрочняющими эле­ментами. Если обмотка создает помеху в виде случайного маг­нитного потока носителя, этот поток может сделать длинный об­ход на несколько миллиметров по магнитомягкому материалу го­ловки и не будет пересекать немагнитную щель в несколько де­сятков микрон. С этой целью необходимо, чтобы величина μ была около 2000. Сочетание высокой проницаемости и высоких значений индукции магнитного насыщения трудно реализуемо в частотном диапазоне работы видеомагнитофонов. Магнитная индукция насыщения железа достаточно высока (2,16 Тл), од­нако магнитная проницаемость очень сильно уменьшается с уве­личением частоты, и, следовательно, нужно найти разумный компромисс при использовании выбранного материала для маг­нитных головок.

Нанокристаллические сплавы FeC/NiFe и Fe/FeCrB в большинстве случаев используются для изготовления головок записи-чтения в виде многослойных струк­тур. Основным ферромагнитным компонентом в этих многослойных структурах является железо, которое имеет высокую величину J_s и также высокую анизотропию. Для уменьшения анизотропии размер зерна в поликристалле должен быть меньше, чем ширина доменных границ. В этом случае анизотропия маленького зерна усредняется под действием намагничивающего поля, что приводит к уменьшению К и, следовательно, повышению. Таким образом, можно приготовить материалы с высо­ким уровнем насыщения и проницаемости при низких значени­ях коэрцитивной силы.

2. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn.

Фигуративные точки и совокупности сплавов данного состава показаны на диаграмме (Рис.8) и отмечены соответствующими цифрами и буквами:

1. а) Точке A соответствует состав: Bi – 10%, Pb – 90%, Sn – 0%; б) Точке B соответствует состав: Bi – 20%, Pb – 45%, Sn – 35%.

2. а) Линии 2а соответствует совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрациию Pb – 45%; б) Линии 2б соответствует совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотношение компонентов: Bi : Sn = 1 : 2.

3. Поверхность солидуса – геометрическое место фигуративных точек твердых растворов предельной концентрации. Поверхность ликвидуса – представляет собой геометрическое место фигуративных точек жидких растворов предельной концентрации [3]. Поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик (линейчатые поверхности) – это поверхности, связанные с выделением двойной эвтектики. Над этими поверхностями сплавы двухфазны (сплав и один твёрдый компонент), а под ними трёхфазны (расплав и два твёрдых компонента). Особенностью таких поверхностей является то, что любое изотермическое сечение диаграммы пересекает поверхности двойных эвтектик по прямым линиям – коннодам, соединяющим фигуративные точки фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, - одной жидкой (точки лежат на линиях двойных эвтектик) и двух твёрдых (точки лежат на вертикальных линиях компонентов системы) [1].

На диаграмме состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn существует шесть поверхностей начала кристаллизации двойных эвтектик (CEe₁, CEe₃, e₃EB, BEe_2, e₂EA, AEe₁).

4. Сплав состава Bi – 20%, Pb – 60%, Sn – 20% при охлаждении из жидкого состояния начнет кристаллизоваться при температуре 197 ^оС.

5. Первые кристаллики, выпадающие при кристаллизации данного сплава, будут представлять собой чистый Pb, так как сплав находится в области, где первым начинает кристаллизоваться именно Pb.

Охлаждение будет проходить по отрезку обозначенному белыми стрелочками. Состав жидкой фазы при этом будет уменьшаться

6. Количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава при охлаждении до температуры 425 К (152 ^оС) можно определить по правилу прямой линии:

.

Второе уравнение системы получим из условия:

Решим полученную систему и найдем искомую величину:

.

7. Второй компонент из сплава данного состава начнет выделяться при температуре  140 ^оС. Это будет компонент Sn. Состав жидкой фазы будет изменяться по линии кристаллизации двойной эвтектики как указано белыми стрелочками.

Рисунок 8. диаграмма состояния трехкомпонентной системы Bi–Pb–Sn

8. Кристаллизация жидкой фазы рассматриваемого сплава закончится при температуре эвтектики (96 ^оС). При этом будет протекать такое фазовое превращение: L  Bi + Pb + Sn. Состав последней капли расплава будет также соответствовать составу эвтектики (точка Е на диаграмме): Bi – 51 %, Pb – 30 %, Sn – 19 %.

9. Для определения числа условных термодинамических степеней свободы рассматриваемой системы при различных температурах воспользуемся правилом фаз Гиббса: С = K – Ф + 1, где: С – искомое число условных термодинамических степеней свободы; К – число компонентов, образующих систему; Ф – число фаз, находящихся в равновесии при данных условиях. При 425 К (127 ^оС): К = 3, Ф = 2, С = 2. При 370 К (97 ^оС): К = 3, Ф = 3, С = 1. При 96 ^оС (температура точки Е): К = 3, Ф = 4, С = 0.

10. Политермический разрез системы с постоянным содержанием компонента Pb – 45 % представлен на рисунке ниже.

11. Кривые охлаждения приведены для двух сплавов (I и II), и показаны в одной системе рисунков вместе с политермическим разрезом.

Рисунок 9. Политермический разрез и кривые охлаждения

12. В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точке эвтектики, на фоне почти однородной структуры (с равномерно распределёнными вкраплениями) будут видны первичные кристаллики первовыделившегося вещества. В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точкам чистых компонентов, наблюдаются вкрапления вторичных кристалликов остальных компонентов по границам чистых зёрен основного компонента.

13. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы изображена проекция эвтектической диаграммы с твердыми растворами при температуре эвтектики

Рисунок 10. Проекция эвтектической диаграммы с твердыми растворами при температуре эвтектики

Заключение.

Новые материалы найдут применение в подшипниках рулевых машин, рулевых, выдвижных и дейдвудных устройств судов и кораблей всех классов и назначений, в том числе скоростных пассажирских судов и катеров, строящихся экспортных судов и кораблей с динамическими принципами поддержания.

В гидротурбиностроении, насосостроении и тяжелом машиностроении нанокомпозиты будут использоваться: в подшипниках скольжения направляющих аппаратов гидротурбин, в торцевых уплотнениях, в щелевых уплотнениях вала, в подшипниках и торцевых уплотнениях вала насосов поддержания пластового давления на нефтяных месторождениях, в насосах атомных ледоколов, в подшипниках шагающих экскаваторов и другой дорожно-строительной технике. Уже имеется успешный опыт эксплуатации торцевых уплотнений из нанокомпозитов для гидротурбин ГЭС «ТЭРИ» (Индия Tata Energy Research Institute [TERI]) и Эль-Кахон (Мексика El Cajon).

Разработка и внедрение нанотехнологий и нанокомпозитов приведут к революционным преобразованиям в самых различных областях промышленности, в том числе судостроении, авиастроении, химии, энергетике, медицине, биологии, экологии. Я уверен, что российская наноиндустрия должна создаваться на базе высокотехнологичных организаций, в первую очередь, государственных научных центров. При этом необходимо обеспечить метрологическое сопровождение нанотехнологических процессов. Выполнение комплексных междисциплинарных исследований позволит развернуть научные разработки в области нанотехнологий, создавать новые классы нанокомпозитов и на их основе – конкурентоспособные серийные изделия. Успешное решение этих задач способствует технологической и экономической конкурентоспособности и безопасности России

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: учебное пособие – Воронеж: издательство Воронежского Государственного Университета, 2000г.,360 с.

2. Янченко Л.И. Физическое материаловедение: Учеб. пособие. Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. 207 с.

3. Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Физическое материаловедение» для студентов специальности 20.02 – «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники» дневной формы обучения / Воронеж. политехн. ин-т. Сост. Ю.Е. Калинин. Воронеж,1993. 59 с.

25