Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 [ 93 ] 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Применение железоникелевых аморфных сплавов обусловлено их повышенными динамическими магнитными свойствами при частотах выше 100 кГц и хорошими статическими гистерезисными свойствами, сравнимыми со свойствами пермаллоев. Они, в частности, находят применение в сердечниках малогабаритных трансформаторов, магнитных усилителях, реле, высокочастотных регуляторах, магнитных фильтрах, магнитных экранах, малочувствительных к деформациям и вибрациям. Такие экраны могут представлять собою ткани, сплетенные из узких (шириной 1...2MM) аморфных лент. Для гибких магнитных экранов представляют интерес также сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы на основе кобальта

Основным достоинством аморфньгх сплавов на основе кобальта является близость к нулю магнитострикции насыщения {X < 10 ). Малое значение магнитострикции достигается введением в состав легирующих элементов, например железа в количестве 5 % (ат.) (сплав CoyoFeSijBjQ) или марганца. Благодаря этому, магнитная проницаемость в слабых магнитных полях может достигать значения 10, т. е. уровня свойств в лучших пермаллоях. Недостатком высококобальтовых сплавов является пониженная индукция насыщения 5 = 0,5...0,6 Тл. Чтобы увеличить индукцию насыщения без существенного ухудшения комплекса гистерезисных свойств, созданы сплавы с повышенным содержанием кобальта и бора (сплав 86КГСР). Сплавы на основе кобальта легируют также хромом, ванадием, ниобием, молибденом [обычно не больше 5 % (ат).]. Эти элементы, не влияя на условие равенства нулю магнитострикции, существенно снижают температуру Кюри, что позволяет при термической обработке применять отжиг с медленным охлаждением вместо закалки. Кроме того, введение марганца и подбор соотношений неметаллов (бора и кремния) позволяют создавать сплавы с повыщенной индукцией насыщения (до 1 Тл) и с температурой Кюри ниже температуры начала кристаллизации. Марганец увеличивает fi, снижает и увеличивает отношение массовых долей Co:Fe, соответствующее нулевой магнитострикции. Примером является сплав CoggFe4V2SigB2o, имеющий ин-дукциию насыщения 0,7 Тл, начальную проницаемость 120000, максимальную проницаемость 1070000 и коэрцитивную силу 0,04 А/м.

Ленты из аморфных кобальтовых сплавов применяют в сердечниках малогабаритных высокочастотных трансформаторов различного назначения, в частности, для источников вторичного питания. Их используют в магнитных усилителях, детекторах утечки тока, в датчиках тока и маг-

МИ потерями, которые в лучших аморфных сплавах данного класса на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.

Энергосберегающие трансформаторы с аморфными сердечниками позволяют уменьшить количество диоксида углерода, образующееся при работе электростанций. Это важный экологический показатель в свете Международного Киотского соглашения 1997 г. о борьбе с глобальным потеплением климата. По расчетам японских исследователей, замена существующих трансформаторов на более экономичные трансформаторы с сердечниками из аморфных сплавов на основе железа позволила бы уменьшить выброс СОт в Японии на 4 млн. т в год.

Особая область применения аморфных сплавов на основе железа с добавками кобальта - это элементы магнитно-механических систем, поскольку они обладают высокой магнитострикцией, особыми упругими свойствами и высокой чувствительностью магнитных свойств к приложенным нагрузкам. Они используются для магнитострикционных вибраторов, линий задержки, механических фильтров, упругих датчиков. Сплавы с низкой температурой Кюри применяют как датчики температуры.

Аморфные сплавы на железонтелевой основе

В сплавах на железоникелевой основе роль никеля как легирующего элемента - в уменьшении магнитострикции по сравнению со сплавами на основе железа, а также в повышении чувствительности к термомагнитной обработке. При этом приходится мириться с уменьшением индукции насыщения. Наибольшее распространение получили сплавы с примерно равным содержанием железа и никеля (примером является состав Fe4oNi4Qp4B). Магнитные свойства железоникелевых сплавов являются промежуточными между свойствами сплавов на основе железа и на основе кобальта. Индукция насыщения таких сплавов составляет 0,7...1,0Тл, что выше, чем у типичных аморфных сплавов на основе кобальта. Они обладают низкими потерями на перемагничивание, высокой максимальной проницаемостью и очень низкой коэрцитивной силой. Наилучшее сочетание низких потерь и высокой максимальной проницаемости обеспечивает отжиг в продольном магнитном поле. Высокие значения начальной проницаемости, а также низкий уровень потерь на перемагничивание при высоких частотах, начиная с 10 кГц, получают с помощью отжига в поперечном магнитном поле или путем закалки от температур выше точки Кюри (для сплавов, в которых температура Кюри ниже температуры начала кристаллизации). 556



.jiHi

нитного ПОЛЯ (в том числе в феррозондах), для магнитных экранов и температурно-чувствительных датчиков, высокочувствительных модуляционных магнитных преобразователях. Особо следует отметить применение этих сплавов в качестве магнитопроводов малогабаритных высокочастотных импульсньгч трансформаторов, для которых требуются высокие перминварные свойства. Сплавы используют также для магнитных головок. Благодаря повышенному сопротивлению истиранию, высоким магнитным свойствам в низких полях аморфные сплавы на основе кобальта по ряду параметров превосходят магнитомягкие материалы, которые традиционно использовались для этих целей (молибденовый пермаллой, сендаст, Мп-Zn-ферриты).

Магнитоупругий (магнитомеханический) резонанс обусловлен зависимостью модуля Юнга Efj от магнитного поля, которая, в свою очередь, появляется из-за добавления к упругой деформации магнитострикцион-ной деформации, зависящей от ориентации вектора намагниченности. Наибольшее отличие модуля Юнга в состоянии магнитного насыщения от модуля Юнга в размагниченном состоянии (так называемый Л£-эф-фект) наблюдается в образце с высокой магнитострикцией и с поперечной магнитной анизотропией, когда векторы намагниченности доменов расположены перпендикулярно направлению приложения поля. Такое состояние создается с помощью отжига в поперечном магнитном поле. К аморфной ленте с поперечной анизотропией вдоль ее длины прикладывается постоянное магнитное поле Н и переменное поле с малой амплитудой. Переменное поле из-за эффекта магнитострикции вызывает колебания размеров образца с частотой, в два раза большей частоты магнитного поля. Вдоль образца распространяется упругая волна со скоростью звука, равной {Е,/уУ, где у - плотность сгиава. Резонанс наблюдается, когда на длине образца L укладывается целое число п полуволн, т. е. при частоте

/= {n/2L){Ef/j)y\

где = 1 для основной гармоники. После отключения переменного магнитного поля образец еще некоторое время продолжает колебаться, индуцируя в чувствительных катушках электрический сигнал.

Еще одно перспективное применение аморфньгх сплавов основано на гигантском магнитно-и мне дане ном эффекте, открытом в 1994 г. Этот эффект заключается в огромных изменениях полного комплексного сопротивления Z (импеданса) магнитомягких аморфных лент и микропроводов при изменении внешнего постоянного магнитного поля. При частотах

тока ~ 1 МГц относительное изменение импеданса AZ/Z может достигать значений 300 % в магнитном поле ~ 1...10 кА/м. Этот эффект имеет элек-хромагнитную природу и связан с глубиной проникновения S электромагнитного поля в ферромагнетик, которая определяется выражением

5 = (р/я/ЦоЦ)1/2,

где р удельное электрическое сопротивление материала, ц - его относительная магнитная проницаемость, Цр ~ магнитная постоянная, / - частота электромагнитного поля.

Для магнитомягких материалов величина проницаемости может достигать очень больших значений, что, вместе с высокими значениями частоты, может приводить к малым глубинам проникновения электромагнитного поля - меньше, чем радиус микропровода или толщина ленты. Тогда высокочастотный ток будет протекать только в приповерхностном слое образца (так называемый скин-эффект), что приводит к увеличению импеданса образца. Заметим, что переменный ток создает циркулярное магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, поэтому на скин-эффект оказывает влияние магнитная проницаемость в поперечном (перпендикулярном) направлении. Приложение продольного магнитного поля уменьшает поперечную проницаемость \i, увеличивает 5 и уменьшает импеданс.

Большой магнитно-импедансный эффект может наблюдаться только при больших значениях поперечной магнитной проницаемости и ее резкой зависимости от величины продольного магнитного поля, что возможно при особой доменной структуре образца. В аморфных лентах ось легкого намагничивания должна быть ориентирована в плоскости ленты перпендикулярно ее длине. В микропроводе должна существовать циркулярная магнитная анизотропия с осью легкого намагничивания, направленной по окружности, перпендикулярной длине микропровода. Именно такая анизотропия магнитоупрутой природы существует в микропроводах из аморфных сплавов с отрицательной магнитострикцией благодаря особенностям изготовления микропровода (при вытягивании из расплава создаются сжимающие внутренние напряжения в поверхностном слое образца). В микропроводах из аморфных высококобальтовых сплавов с отрицательной магнитострикцией достигаются большие значения магнитно-импедансного эффекта, чем в лентах. В настоящее время на основе гигантского магнитно-импедансного эффекта созданы различные датчики - датчики положения, магнитного поля, тока и др.



8.3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

Основные характеристики материалов для магнитной записи

Как известно, магнитная запись информации, представленной последовательностью электрических сигналов, основана на изменении намагниченности отдельных участков магнитного слоя носителя (магнитной ленты, диска и др.). Запись и воспроизведение осуществляются с помощью магнитной головки. При записи электрические сигналы возбуждают в головке магнитное поле, воздействующее на носитель и создающее статическое пространственное распределение намагниченности в носителе, кодирующее информацию. След, оставляемый записывающим элементом в носителе, называется дорожкой записи. При воспроизведении магнитный носитель движется относительно головки воспроизведения и часть его остаточного магнитного потока проходит через

группе зерен константой <К>, которая значительно меньше, чем А[. Среднее значение константы магнитной анизотропии определяется обменной связью между нанокристаллами, которая формирует одинаковое направление векторов намагниченности группы зерен.

Помимо нанокристаллических сплавов системы Fe-Cu-Nb-Si-B разработаны сплавы, в которых ниобий заменен другими переходными элементами (Мо, V и др.), а также нанокристаллические сплавы Fe-M-B (М = Zr, Nb, Hf, Та) с повышенным содержанием железа и, вследствие этого, с более высокой индукцией насыщения. Сплав FeiZrBj после кристаллизационного отжига при 600 °С наряду с начальной проницаемостью = 14 000 обладает индукцией насыщения 1,7 Тл, близкой к индукции электротехнических сталей. Лучшими свойствами обладает сплав FegZryBCuj, у которого ц = 20 000, = 1,55 Тл, Pj 0/50 = Об Вт/кг. Высокие свойства этих сплавов обусловлены очень низкой магнитострикцией и нанокристаллической структурой, резко снижающей роль магнитокристаллической анизотропии.

Близость к нулю магнитострикции и константы магнитной анизотропии приводят к исключительно высокой начальной проницаемости нанокристаллических сплавов, на уровне аморфных кобальтовых сплавов и пермаллоев, при сохранении повышенных значений индукции насыщения, свойственных аморфным сплавам на основе железа.

Нанокристаллические магнитомягкие материалы

Уникальное сочетание магнитных свойств получается в нанокристаллических сплавах со смешанной аморфно-кристаллической структурой и размером зерен ~ 10 нм. Самые лучшие магнитные свойства (с индукцией насыщения не менее 1,2 Тл и начальной проницаемостью ~ 10) имеет сплав Рсуз 5CujNb3Sij3 5В9 с фирменным названием Finemet (компания Hitachi Metals ). Этот сплав производится и используется в промышленных масштабах. Отечественной промышленностью выпускается сплав 5БДСР близкого химического состава. В ФРГ фирма Vacuumschmelze выпускает нанокристаллические сплавы под маркой Vitroperm.

Нанокристаллические сплавы имеют необычную для традиционных магнитомягких сплавов двухфазную структуру: они состоят из кристаллитов твердого раствора кремния в a-Fe, размер которых составляет 10...20 нм (нанокристаллы), и аморфной фазы, образующей тонкую, в несколько атомных слоев, оболочку вокруг кристаллитов a-Fe(Si). Такая структура образуется при кристаллизации исходного аморфного сплава в результате отжига при 530...550 °С в течение 1 ч. Формирование нанокристаллической структуры обусловлено комбинированным легированием сплава Fe-Si-B медью и ниобием. Роль меди заключается в стимулировании гомогенного зарождения зерен твердого раствора a-Fe(Si) и подавлении кристаллизации боридов железа, а роль ниобия - в торможении роста этих зерен. Не растворяясь в a-Fe(Si), ниобий вытесняется в межзеренное пространство (аморфную фазу), повышая температуру кристаллизации этой части сплава. Нанокристаллы твердого раствора a-Fe(Si) содержат около 18...20 % (ат.) Si. После оптимальной с точки зрения магнитных свойств термической обработки объемная доля аморфной фазы составляет 20...40 %. Эта фаза обогащена Nb, Си и В по сравнению с составом исходного аморфного сплава.

В сплаве Finemet магнитострикция насыщения составляет всего 2,1 10~, что необычно для сплава на основе железа. Такая низкая магнитострикция достигается вследствие баланса магнитострикции кристаллической и аморфной фаз. У кристаллической фазы a-Fe(Si) при 18...20 % Si величина = -8 10 , а у аморфной фазы Х= +10 10, так что суммарная магнитострикция оказывается близкой к нулю.

В нанокристаллическом сплаве очень низка и константа магнитной анизотропии. При среднем размере зерен около 10 нм поведение системы нанокристаллов определяется не константой Aj, а усредненной по



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 [ 93 ] 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка