Материаловедение(лекции)

Аморфные магнитные материалы используются в технике маг$ нитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразо$ вателях постоянного напряжения на частотах до нескольких ме$ гагерц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с высокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД.

Магнитодиэлектрики.Этиматериалысостоятизконгломератамел$ кодисперсных частиц ферро$ или ферримагнитного материала, изоли$ рованных между собой органическим или неорганическим диэлектри$ ком – связующим элементом. Благодаря тому, что частицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревой ток, но имеют пони$ женное значение магнитной проницаемости. Магнитодиэлектрики ха$ рактеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечива$ ется жидким стеклом, различными смолами, например полисти$ ролом, фенолформальдегидной смолой.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлек$ трики на основе карбонильного железа, альсифера и молибдено$ вого пермаллоя.

Высокочастотные. При высоких частотах растут тепловые по$ тери, что сопровождается ухудшением магнитных свойств, умень$ шением магнитной проницаемости. Эффективный способ сниже$ ния тепловых потерь – применение материалов с высоким элект$ рическим сопротивлением – диэлектриков. К таким материалам относятся ферриты.

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочета$ ние высоких магнитных параметров с большим электрическим со$ противлением, которое превышает сопротивление ферромагнит$ ных металлов и сплавов в 103... 1013 раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнит$ ных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнит$ ной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe2O3, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Mg2+ и др. Кристалли$ ческая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl2O4, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпине

41

ли. Такая структура представляет собой гранецентрированную плот$ ноупакованную кубическую решетку.

Удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 1012 Ом/м. Относительная магнитная проницаемость изменяется в диапазоне – от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая ин$ дукция насыщения – меньше 0,4 Тл; относительно большая коэрци$ тивная сила – до 180 А/м; невысокая температура точки Кюри; боль$ шая чувствительность к остаточным напряжениям; обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, трудны в обработке.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) применяют$ ся в устройствах автоматического управления и вычислительной тех$ ники. Важным показателем является коэффициент прямоугольнос$ ти kп.у, который определяется отношением остаточной индукции к максимальной магнитной индукции: kп.у = Br / Bmax . В качестве фер$ ритов с ППГ используются магниево$марганцевые и литиевые фер$ риты со структурой шпинели, легированные ионами цинка, каль$ ция, меди, натрия. Коэффициент прямоугольности для них – kп.у = =0,9...0,94; остаточная индукция – Br Br = 0,15...0,25 Тл, температура Кюри – Тк = 110...250 °С (для магниевых ферритов),Тк = 550...630 °С (для литиевых ферритов).

Ферриты, применяемые для устройств, работающих на высоких частотах, имеют сложный состав из четырех и более оксидов: оксида лития, бария. Ферриты–гранаты имеют кристаллическую решетку минерала граната, их формула 3Ме2О3 5Fе2О3 , в качестве легирую$ щего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ), применение находят поли$ и монокристаллы. Поликристаллические ферриты$гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния, самария. Ортоферриты, так же, как и ферриты$гранаты, изготавливают из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формуле R FeO3, R – редкоземельный металл (иттрий, гадолиний, самарий), они имеют орторомбическую кристаллическую структуру. У них обнаружена специфическая до$ менная структура – цилиндрические магнитные домены, которые при намагничивании образуют лабиринтовую структуру доменов с высо$ кой подвижностью, что повышает скорость обращения информации в запоминающих устройствах.

4.4. Магнитотвердые материалы

Эти материалы используются для изготовления постоянных маг$ нитов – источников постоянных магнитных полей. Они намагничи$ ваются в сильных полях H больше 1000 кА/м, имеют большие поте$

42

Bd, которая меньше остаточной ин$

дукции Br . На рис. 23 приведены кривые, характеризующие свой$ ства магнитотвердых материалов.

Удельная магнитная энергия (Дж/м3) поля, создаваемого в воз$

душном зазоре магнита Wd 1 BdHd . Индукция разомкнутого магни$ 2

та Bd уменьшается c увеличением зазора. При замкнутом магните Bd = Br – магнитная энергия равна нулю, так как Hd = 0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе материала Hс , а Bd = 0. Следова$ тельно, в этом случае магнитная энергия Wd = 0. При некоторых значениях Bd и Hd энергия достигает максимального значения

Wmax 1 BdmaxHdmax .Величина Wmax является важнейшей характе$ 2

ристикой магнитотвердого материала.

Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом

выпуклости 1 2 (BH)max .Коэффициент выпуклости приближается к (Br Hc)

единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Макси$ мальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция Br, коэрцитивная сила Hс и коэффициент выпуклости .

Свойства магнитотвердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структур$ ными изменениями (структурное старение), а также ударами, вибра$ цией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко вос$ станавливаются повторным намагничиванием. Структурная неста$ бильность ограничивает применение магнитотвердых материалов с неравновесной структурой.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения под$ разделяются на литые высокоэрцитивные сплавы, металлокерами$

43

ческие материалы, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе ред$ коземельных элементов.

Литые высококоэрцитивные сплавы. Наибольшее распростране$ ние получили магнитотвердые материалы на основе железо$никель$ алюминиевых и железо$никель$кобальт$алюминиевых сплавов, ле$ гированных различными добавками.

Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливается механизмом дисперсионного твердения (иногда такие сплавы назы$ ваются сплавами дисперсионного твердения). При высоких темпе$ ратурах (1200...1300°С) растворимость элементов не ограничена, и сплавы Fe–Ni–Al находятся в однородном состоянии ( $фаза). При медленном охлаждении до определенной температуры происходит дисперсионный распад равновесной фазы на две ( 1 и 2) фазы, при$ чем 1$фаза по своему составу близка к чистому железу и является сильномагнитной, фаза 2 состоит из Ni–Al и является слабомагнит$ ной. Таким образом, сильномагнитная фаза 1 в виде однодоменных включений распределена в немагнитной фазе 2. Материалы, имею$ щие такую структуру, обладают большим значением коэрцитивной силы.

Высококоэрцитивное состояние сплавов Fe–Ni–Al получается при концентрации 20...33% никеля и 11...17% алюминия. Для улуч$ шения магнитных свойств сплавы легируют. Легирование медью по$ вышает коэрцитивную силу и улучшает механические свойства, но приводит к снижению остаточной индукции. Легирование кобаль$ том позволяет существенно увеличить коэрцитивную силу и повы$ шает индукцию насыщения и коэффициент выпуклости. В качестве легирующих элементов используются также титан, кремний и нио$ бий. Коэрцитивная сила таких сплавов Hс = 50 кА/м, а магнитная

энергия Wmax = 12 кДж/м3.

Магнитотвердые материалы типа Al–Ni–Co представляют собой сплав железа с никелем (12...26%), кобальтом (2...40%) и алюми$ нием (6...13%), содержащий для улучшения магнитных свойств ле$ гирующие добавки меди (2...8%), титана (0...9%) и никеля (0...3%). Сплавы, содержащие более 15% кобальта, подвергают тер$ момагнитной обработке, которая заключается в охлаждении сплава от высоких температур 1250... 1300°С в сильном магнитном поле, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магни$ тоанизотропным. Изотропные сплавы имеют магнитную энергию Wmax = 6 кДж/м3, анизотропные – Wmax = 16 кДж/м3.

Для улучшения магнитных свойств в сплавах создают кристал$ лическую текстуру, путем направленной кристаллизации сплава (осо$

44

бые условия охлаждения сплава). В результате возникает микро$ структура в виде ориентированных столбчатых кристаллов. При этом наблюдается увеличение всех магнитных параметров. Магнитная энергия повышается на 60...70% по сравнению с обычной кристал$ лизацией и достигает 40 кДж/м3.

Изделия из сплавов получают в основном методом литья. Недо$ статками сплавов являются особая хрупкость и высокая твердость, поэтому обработка их на металлорежущих станках затруднена. Ме$ ханической обработке в виде грубой обдирки резанием с применени$ ем твердосплавных резцов поддаются сплавы, не содержащие кобаль$ та. Детали из всех сплавов можно шлифовать на плоскошлифоваль$ ных или круглошлифовальных станках в два приема: грубая шли$ фовка до термической обработки, чистовая – после термической об$ работки. Для грубой обработки применяют также электроискровой метод обработки.

Металлокерамические и металлопластические магниты. Они создаются методами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать процесс производства, получать изделия со строго выдержанными размерами.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодисперсных порошков сплавов ЮНДК (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К – кобальт), а также сплавов Сu–Ni–Co, Cu–Ni–Fe применением прессования и дальнейшего спекания при высоких тем$ пературах. Так как металлокерамические магниты содержат воздуш$ ные поры, то их магнитные свойства уступают литым материалам. Как правило, пористость (3...5%) уменьшает остаточную индукцию

Вr и магнитную энергию Wmax на 10... 20% и не влияет на коэрци$ тивную силу Hc. Механические свойства их лучше, чем литых магни$

тов. Металлопластические магниты изготовлять проще, чем метал$ локерамические, но свойства их хуже. Металлопластические магни$ ты получают из порошка сплавов ЮНД или ЮНДК, смешанного с порошком диэлектрика (например, феноло$формальдегидной смолой) путем прессования.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение полу$ чили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронциевого) феррита BaFe12O19 (ВаО–6Fе2О3) и кобальтового феррита CoFe2O4, (CoO–Fe2O3). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый – структуру природного минерала магнито$плюмбита с гек$ сагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая наряду с мелкозернис$ той структурой приводит к повышенным значениям коэрцитивной силы (до 350 кА/м).

45

Все магниты на основе гексагональных ферритов обладают высо$ кой стабильностью при воздействии магнитных полей, вибраций и ударном воздействии, их можно использовать в магнитных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление ба$ риевых магнитов велико (до 106...109 Ом·м).

Сплавы на основе редкоземельных металлов. Интерметалличес$ кие соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ) цери$ ем Се, самарием Sm, празеодимом Рr, лантаном La и иттрием Y – типа Rx Соy, где соединение R$P3M обладает очень высокими значе$ ниями коэрцитивной силы и магнитной энергии. Из этой группы наи$ более важны соединения типа RCo5 и R2Co17, которые обладают наи$ большей магнитной анизотропией, значительной спонтанной на$ магниченностью и высокой температурой Кюри. Соединения RCo5 не$ стабильны и распадаются на две или большее количество фаз. Много$ фазность, высокое значение магнитной анизотропии и магнитострик$ ции являются причинами появления высокой коэрцитивной силы.

Технология получения магнитов из РЗМ заключается в спекании порошков в присутствии жидкой фазы или литья. Жидкая фаза со$ здается благодаря тому, что РЗМ берется в избытке. Перспективы использования таких сплавов велики. Основные недостатки спла$ вов: плохие механические свойства (высокая хрупкость), использо$ вание дефицитных материалов и высокая стоимость.

Другие магнитотвердые материалы. Кроме рассмотренных маг$ нитотвердых материалов применяются традиционные материалы для постоянных магнитов – мартенситные стали, а также пластически деформируемые сплавы.

Мартенситом называют особый вид микроструктуры стали, ко$ торый получают при быстром ее охлаждении (закалке). Образование мартенсита, который имеет пластинчатую форму, сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряже$ ний, что приводит к появлению большой коэрцитивной силы. Ис$ пользуются только легированные мартенситные стали, которые на$ зываются по легирующей добавке: хромовые (до 3% Сг), вольфрамо$

вые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). Значение Wmax для мар$ тенситных сталей низкое (1...4 кДж/м3). Они имеют склонность к

старению. Эти материалы имеют ограниченное применение и исполь$ зуются для изготовления магнитов только в наименее ответствен$ ных случаях.

Пластически деформируемые сплавы обладают высокими меха$ ническими свойствами, хорошо штампуются, обрабатываются на станках.

46

Наиболее распространенными являются сплавы кунифе (60% Сu, 20% Ni, 20% Fe), кунико (50% Сu, 21% Ni, 29% Со, остальное – Fe) и викаллой (51,0...54,0% Со, 10...13,0% V, остальное – Fe). Спла$ вы кунифе анизотропны, применяются в виде проволоки и штампо$ вок. Сплавы кунико дороже сплавов кунифе и применяются для из$ готовления магнитов сложной конфигурации. Викаллой применяют для изготовления мелких магнитов сложной конфигурации.

Магнитные характеристики для этих сплавов: остаточная индук$ ция 0,6...0,9 Тл; коэрцитивная сила 24...57 кА/м; магнитная энер$ гия 2,8...14 кДж/м3.

47

5. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

5.1. Элементы зонной теории

Различие между проводниками, диэлектриками и полупроводни$ ками хорошо иллюстрируется с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердого тела. Электрон в изолированном атоме мо$ жет находиться лишь на строго определенных дискретных энерге$ тических уровнях (состояниях). Энергетические уровни отделены друг от друга значениями энергий, которых электрон в данном атоме иметь не может. При образовании кристалла проявляется взаимо$ действие атомов между собой. В этом случае все энергетические уров$ ни (заполненные электронами и незаполненные) расщепляются, об$ разуется зона энергетических уровней (рис. 24). Уровней в зоне столько, сколько атомов в кристаллической решетке.

Рис. 24

Обычно ширина зоны – 1 эВ. Электроны могут за счет внешних воздействий (тепловое, излучение) переходить на более высокие сво$ бодные энергетические уровни. Такие электроны, находящиеся внут$ ри частично заполненной энергетической зоны, называются свобод$ ными. Если приложить электрическое поле, то изменению энергии свободных электронов соответствует направленное перемещение их в пространстве, т. е. электрический ток.

48

Энергетические зоны, образованные совокупностью энергетичес$ ких уровней, называют разрешенными зонами. Разрешенные зоны обычно отделены друг от друга запрещенными зонами. Электричес$ кий ток в твердых телах обусловлен электронами, находящимися в валентной зоне или электронами в разрешенной зоне – зоне проводи$ мости. На рис. 25 показаны энергетические зоны: а – диэлектриков; б – полупроводников; в – проводников.

Рис. 25

Упроводников и твердых диэлектриков валентная зона при тем$ пературе абсолютного нуля полностью заполнена электронами, а отделенная от нее запрещенной зоной зона проводимости полностью свободна.

Уполупроводников ширина запрещенной зоны обычно меньше 3 эВ. При отсутствии в полупроводнике свободных электронов при$ ложенное к нему электрическое поле не вызывает тока. Если элект$ рон в валентной зоне приобретает (тепловым, оптическим или дру$ гим способом) достаточную энергию для преодоления запрещенной зоны, то он оказывается в зоне проводимости, а в валентной зоне образуется вакантное место. Если приложено электрическое поле, этот процесс можно рассматривать как перемещение вакантного ме$ ста – дырки. Ковалентная связь образуется между атомами, каждый из которых владеет валентными электронами совместно с другими атомами. Все электроны в валентной зоне – это электроны, участву$ ющие в ковалентных связях.

5.2. Проводниковые материалы

По удельному электрическому сопротивлению металлические проводниковые материалы можно разделить на две группы: матери$ алы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре< 0,05 мкОм·м; металлы и сплавы с высоким сопротивлением, име$

49

ющие при тех же условиях > 0,3 мкОм·м. Особую группу составля$ ют криопроводники и сверхпроводники, которые обладают ничтож$ но малым удельным электрическим сопротивлением при температу$ рах, близких к абсолютному нулю.

К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести удельное сопротивление или обратную величину – удельную проводимость; контактную разность потенциалов и термо$ электродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла.

Удельная проводимость выражается в сименсах на метр (См/м) и

может быть определена по формуле 2 3 q2n01 , где q – заряд электрона 2mvт

(1,6 ·10–19Кл); n0 – число свободных электронов в единице объема металла; – средняя длина свободного пробега электрона между дву$ мя соударениями с узлами решетки; m – масса электрона; vт – сред$ няя скорость теплового движения свободного электрона.

Концентрация свободных электронов и скорость их хаотического теплового движения для различных металлов при определенной тем$ пературе отличаются незначительно, поэтому удельная проводимость зависит в основном от средней длины свободного пробега электронов в проводнике. Тепловая скорость определяется структурой провод$ никового материала, так для чистых металлов с наиболее упорядо$ ченной кристаллической решеткой удельное сопротивление мини$ мально, а наличие примесей и дефектов в решетке приводит к увели$ чению . Итак, удельное сопротивление проводников = тепл + ост, где тепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепло$ выми колебаниями решетки; ост – удельное сопротивление, вызван$ ное наличием дефектов в кристаллической решетке.

Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис. 26.

При температурах, превышающих тем$ пературу Дебая , которая для металлов равна 400...8000С, удельное сопротивле$ ние возрастает линейно и обусловлено в ос$ новном усилением тепловых колебаний ре$ шетки. В области низких (криогенных) температур удельное сопротивление почти не зависит от температуры и определяется

0 T только сопротивлением ост.

Изменение удельного сопротивления ме$ таллических проводников с температурой

50