Общие сведения о магнитных материалах

Общие сведения о магнитных материалах

где I – намагниченность материала, то есть отношение векторной суммы элементарных магнитных моментов к объему материала.

У веществ, слабо взаимодействующих с полем, намагниченность невелика, В » Н. К таким веществам относятся диамагнетики и парамагнетики. В диамагнетиках индукция ниже напряженности внешнего поля, а в парамагнетиках индукция выше напряженности внешнего поля. У веществ, сильно взаимодействующих с полем, намагниченность велика. К таким веществам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики (ферриты), суперпарамагнетики, спиновые стекла. Рассмотрим наиболее промышленно важные материалы – ферромагнетики и ферриты.

11.1. Природа ферромагнетизма

Согласно гипотезе Ампера, внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронная структура атома. Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты.

Для того чтобы вещество было ферромагнитным, необходимо выполнение двух условий:

1) в состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;

2) отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.

Доменная структура ферромагнетиков

Рис. 11.1. Разбиение кристалла на домены (стрелками показаны направления

векторов намагниченности в каждом домене)

Важно отметить, что на границе доменов магнитные моменты атомов не могут быть антипараллельными. На границе доменов происходит постепенный поворот магнитных моментов атомов из одного положения в другое. Тем не менее, энергия атомов на границах доменов оказывается повышенной.

Обменное взаимодействие соседних атомов ферромагнитных материалов приводит к снижению энергии системы на величину U_обм = -А (s₁s₂), где А – обменный интеграл, зависящий от отношения а/r. Поскольку расстояние между атомами по различным кристаллографическим направлениям различно, то и значения обменной энергии по различным направлениям различны. Таким образом, в ферромагнетиках появляется магнитная анизотропия. Очевидно, что внутри доменов магнитные моменты атомов ориентированы вдоль наиболее энергетически выгодных направлений. Такие направления принято называть направлениями легкого намагничивания. На границах доменов магнитные моменты ориентированы в менее выгодных магнитотвердых направлениях.

Для того чтобы энергия материала была минимальной, необходимо, чтобы протяженность границ доменов была минимальной

или размер доменов был как можно большим.

В то же время, росту доменов препятствует магнитострикция – деформация кристаллической решетки под воздействием магнитного поля. Обменное взаимодействие между атомами приводит к появлению дополнительных сил взаимодействия, и кристаллическая решетка деформируется. Рост домена ведет к увеличению напряженности локального поля внутри домена и возрастанию деформации решетки. При этом энергия системы увеличивается. Таким образом, противоборство магнитной анизотропии и магнитострикции приводит к установлению оптимального размера магнитных доменов.

11.2. Кривая намагничивания

Рис. 11.2. Кривая намагничивания ферромагнетиков

Н
Тл
а начальном участке кривой намагничивания увеличение напряженности внешнего поля ведет к незначительному росту индукции, причем при отключении внешнего поля индукция снижается до нуля. Этот участок принято называть участком обратимого намагничивания, или областью Релея (I).

На втором участке незначительное изменение напряженности внешнего поля ведет к заметным изменениям индукции. Этот участок принято называть участком резкого роста индукции, или областью скачков Баркгаузена (II).

На третьем участке кривой намагничивания зависимость индукции от напряженности внешнего поля вновь ослабевает. Этот участок называют участком замедленного намагничивания, или областью намагничивания за счет процессов вращения (III).

На четвертом участке индукция растет пропорционально напряженности магнитного поля. Этот участок называют участком насыщения, или областью парапроцесса (IV).

При попадании ферромагнетика во внешнее магнитное поле начинается рост благоприятно ориентированных доменов, то есть их границы смещаются. Однако структурные неоднородности материала препятствуют смещению границ доменов (являются точ-ками закрепления границ доменов), и границы изгибаются под действием внешнего поля.

Рис. 11.3. Изгиб границ доменов, закрепленных препятствиями, под действием внешнего поля

При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля изгиб границ становится настолько большим, что энергия изогнутых границ совпадает с энергией границ, оторвавшихся от точек закрепления (рис. 11.3). Дальнейший изгиб границ становится энергетически невыгодным, границы отрываются от точек закрепления и скачками перемещаются до следующего ряда точек закрепления. При этом наблюдается участок резкого роста индукции или область скачков Баркгаузена.

После того как смещение границ доменов приведет к тому, что благоприятно ориентированные домены заполнят весь объем кристалла, начинается рост намагниченности за счет поворота магнитных моментов атомов из направления легкого намагничивания в направления трудного намагничивания. Поскольку поворот магнитных моментов энергетически невыгоден, то для его осуществления требуется высокая напряженность внешнего поля. Таким образом, реализуется участок замедленного намагничивания, или область намагничивания за счет процессов вращения.

После того как все магнитные моменты атомов будут направлены по внешнему полю, прироста намагниченности быть не может, а увеличение индукции происходит за счет роста напря-женности магнитного поля, как в парамагнетиках.

После намагничивания ферромагнетика до насыщения с отключенным внешним магнитным полем намагниченность фер-ромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточная индукция (В_r). Это вызвано тем, что дефекты структуры, пре-пятствующие перемещению границ доменов при намагничива-нии, мешают обратному смещению границ доменов при размагничивании. Для того чтобы снять остаточную индукцию, необходимо приложить поле обратной полярности. При некотором значении напряженности поля, называемом коэрцитивной силой (Н_с), индукция исчезнет. Дальнейшее увеличение напряженности поля в обратном направлении приведет к намагничиванию ферромагнетика. Естественно, что знак вектора магнитной индукции при этом поменя-ется. Отключение внешнего магнитного поля вновь приведет к появлению остаточной индукции, для снятия которой необходимо приложить коэрцитивную силу. Таким образом, при нахождении ферромагнетика в переменном магнитном поле появляется петля гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса характеризует затраты энергии на перемагничивание материала за один цикл:

W = òНdB. (11.2)

Важно отметить, что при нахождении магнитных материалов в переменном магнитном поле в них возникают вихревые токи. Это связано с тем, что переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля. Вихревые токи вызывают нагрев материала и обуславливают появление магнитного поля, ослабляющего внешнее поле. В связи с этим появляются потери энергии внешнего магнитного поля на вихревые токи. Очевидно, что повышение электрического сопротивления материала ведет к снижению потерь на вихревые токи.

Все магнитные материалы принято условно разделять на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкими называют материалы, легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Их используют для концентрации магнитного поля. В большинстве случаев магнитомягкие материалы работают в переменных магнитных полях, поэтому для них важно высокое удельное электрическое сопротивление. Исторически первым магнитомягким материалом было малоуглеродистое железо, обладающее низкой механической твердостью. Поэтому такие материалы получили название магнитомягких.

Магнитотвердыми называют материалы с высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Их применяют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянного магнитного поля. Исторически первыми магнитотвердыми материалами были механически твердые, закаленные углеродистые стали. Поэтому такие материалы получили название магнитотвердых.

12.1. Промышленные магнитомягкие материалы

Железо

Наиболее дешевым материалом является технически чистое железо с суммарным содержанием примесей до 0,1 %. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению ( 0,1 мкОм·м) технически чистое железо используется в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Существенным недостатком технически чистого железа является его старение, то есть повышение коэрцитивной силы со временем за счет выделения тонкодисперсных частиц карбидов и нитридов. Для уменьшения вредного влияния старения химические соединения выделяют заранее в виде сравнительно крупных частиц. Для этого материал подвергают отжигу при 910–950 ºС и медленному охлаждению.

Очистка железа от примесей приводит к росту магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы. Эти преимущества особенно ярко проявляются в слабых полях, то есть в полях, используемых в радиоэлектронике и измерительных устройствах. Очистка железа производится электролизом, восстановлением в водороде химически чистых окислов железа и термическим разложением пентакарбонила железа (Fe(CO)₅). Соответственно различают электролитическое, восстановленное и карбонильное железо. Поскольку очистка существенно увеличивает стоимость материала, его применение крайне ограничено. Наибольшее применение получило карбонильное железо. Это связано с тем, что при разложении пентакарбонила железа получается металлический порошок. Смешав этот порошок с каким-либо лаком, можно получить материал, сочетающий высокое удельное электрическое сопротивление с высокой магнитной проницаемостью.

12.2. Электротехническая сталь

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию. При увеличении отношения a/r снижается разница в значениях обменного интеграла по различным направлениям, а следовательно, уменьшается магнитная анизотропия. У сплава, содержащего 6,8 % Si, магнитная анизотропия в 3 раза меньше, чем у чистого железа, а магнитострикция практически равна нулю. Наконец, при добавке к железу кремния нейтрализуется вредное влияние примесей кислорода и углерода. Последнее обстоятельство связано с тем, что кремний раскисляет сталь и способствует переходу углерода из карбида железа (цементита) в графит в соответствии с уравнениями:

FeO + Si = Fe + SiO₂, (12.1)

Fe₃C + Si = (Fe,Si) + Г. (12.2)

Важно отметить, что взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижению подвижности последних, поэтому уменьшается пластичность сплавов. В связи с этим промышленные сплавы железа с кремнием (электротехнические стали) содержат не более 5 % Si.

Поскольку у электротехнических сталей сохраняется магнитная анизотропия, то для улучшения магнитных свойств применяют текстурованную сталь, то есть сталь, у которой некоторые кристаллографические направления в соседних зернах совпадают. Для получения магнитной текстуры применяют холодную прокатку с большими обжатиями и последующий отжиг при температуре 900–1000 ^оС. В ходе холодной деформации происходит ориентация зерен, а при отжиге идет рекристаллизация, приводящая к снижению плотности дислокаций и росту зерен. Текстурованную сталь называют также холоднокатаной. Холоднокатаная сталь в 1,5 раза дороже горячекатаной, но потери в ней вдвое ниже.

12.3. Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях

Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов вследствие легирования приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои.

Сплав отличается достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением ( = 0,81 мкОм × м), что снижает потери на вихревые токи. Вместе с тем, сплав непластичен и тверд. Детали из него изготавливают методом порошковой металлургии, а окончательная обработка деталей возможна только анодно-механи-ческим и электроискровым способами, а также шлифовкой. Трудность обработки повышает стоимость изделий, однако, поскольку сплав не содержит дорогостоящих компонентов, его широко применяют для изготовления магнитных экранов и магнитопроводов.

Рис. 12.1. Влияние состава на магнитную проницаемость альсифера

В высокочастотных полях резко возрастают потери на вихревые токи. Поэтому в высокочастотных полях используют материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением – магнитодиэлектрики, ферромагнетики с аморфной структурой и ферриты.

Впервые объяснение магнитных свойств ферритов было дано Л. Неелем. В соответствии с предложенной им теорией ферромагнетизма в оксидных ферромагнетиках происходит косвенное обменное взаимодействие ионов металлов при участии ионов кислорода. Конечным результатом такого сложного обменного взаимодействия является то, что магнитные моменты ионов никеля и железа будут антипараллельными. Важным является то, что магнитные моменты ионов железа и никеля различны, поэтому магнетизм ферритов или ферримагнетизм можно рассматривать как нескомпенсированный антиферромагнетизм.

В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые литий-цинковые и марганец-цинковые ферриты.

По электрическим свойствам ферриты относятся к полупроводникам или к диэлектрикам, поэтому потери на вихревые токи в ферритах ничтожно малы. Кроме того, они обладают высокой диэлектрической проницаемостью, что приводит к снижению скорости распространения электромагнитных волн в ферритах. Это обстоятельство позволяет изготавливать на базе ферритов линии задержки, фазовращатели, магнитные вентили и др. Монокристаллы магнитомягких ферритов применяются для изготовления магнитных головок записи и воспроизведения сигналов звукового и видеодиапазона в магнитофонах. Поскольку кристаллическая решетка ферритов упакована неплотно, то такие головки обладают повышенной износостойкостью.

Магнитотвердые материалы идут на изготовление постоянных магнитов, запасенная магнитная энергия которых оценивается как произведение остаточной индукции на величину коэрцитивной силы.

W_маг = Н_сB_r. (13.1)

Для того чтобы увеличить коэрцитивную силу, нужно затруднить смещение границ доменов. Для этого необходимо, чтобы магнитная анизотропия была максимальной, размер зерен был минимальным и материал должен содержать частицы, препятствующие движению границ доменов.

13.1. Промышленные магнитотвердые материалы

Рис. 13.1. Диаграмма состояния сплавов системы Fe-Fe₃C

До температуры 911ºС железо имеет ОЦК решетку, выше этой температуры термодинамически более выгодной становится ГЦК решетка. Углерод может образовывать с железом химическое соединение цементит – Fe₃C, а также растворяться в железе. Раствор углерода в железе с ОЦК решеткой принято называть феррит, а раствор углерода в железе с ГЦК решеткой – аустенит. Области существования феррита, аустенита и цементита на диаграмме состояния отмечены как Ф, А и Ц. Области существования двух фаз помечены как Ф + А, А + Ц, Ф + Ц.

Важно отметить, что растворимость углерода в аустените существенно выше растворимости углерода в феррите. Это связано с тем, что на одну элементарную ячейку ГЦК решетки аустенита приходится всего одна межатомная пара, и размер ее много больше размера межатомной пары в решетке феррита.

При охлаждении чистого железа при температуре 911ºС происходит перестройка ГЦК решетки в ОЦК, или превращение аустенита в феррит (рис.13.1).

При наличии в сплаве углерода температура превращения аустенита в феррит снижается за счет того, что раствор углерода в аустените имеет большую энтропию, чем раствор углерода в феррите и, следовательно, меньшую свободную энергию.

При медленном охлаждении сплавов системы Fe-C (сталей) из температурной области аустенита углерод диффузионным путем выделяется в виде цементита, а решетка аустенита перестраивается в решетку феррита. При резком охлаждении сталей углерод не успевает выделиться из аустенита и при перестройке кристаллической решетки решетка феррита оказывается искаженной застрявшими атомами углерода. В результате вместо ОЦК решетки получается тетрагональная объемноцентрированная решетка, или решетка мартенсита. Поскольку решетка мартенсита упакована неплотно, то при мартенситном превращении в стали возникают напряжения. Рост напряжений приводит к росту энергии системы, поэтому полного превращения аустенита в мартенсит не происходит и в стали формируется структура, состоящая их дисперсной смеси аустенита и мартенсита. Так как решетка аустенита плотноупакована, то аустенит не ферромагнитен. В то же время у ферромагнитного мартенсита неплотноупакованная тетрагональная решетка, что обусловливает его ферромагнетизм. Кроме того, тетрагональность мартенсита приводит к большой анизотропии его магнитных свойств. Таким образом, получается идеальная с точки зрения магнитотвердых материалов структура – дисперсная смесь ферромагнитной и неферромагнитной фаз, причем у ферромагнитной фазы большая магнитная анизотропия.

Для повышения прокаливаемости стали дополнительно легируют хромом, вольфрамом, молибденом и кобальтом. Поскольку атомы легирующих элементов взаимодействуют с вакансиями, то скорость диффузии снижается и превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь затрудняется. Таким образом, прокаливаемость сталей возрастает. Особенно эффективно легирование сталей кобальтом, поскольку у атомов кобальта имеется магнитный момент и при наличии кобальта остаточная индукция возрастает.

13.2. Дисперсионно твердеющие сплавы

К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al. При высоких температурах алюминий и никель растворяются в аустените, но при резком охлаждении образуется пересыщенный раствор легирующих элементов в железе. При последующем отпуске происходит выделение дисперсных частиц интерметаллида Fe₂NiAl. В результате формируется структура, состоящая из ферромагнитной матрицы и дисперсных частиц, препятствующих движению границ доменов. Наибольшей магнитной энергией обладают сплавы, содержащие примерно 28 % Ni и 14 % Al, однако достаточно большая диффузионная активность никеля и алюминия препятствует использованию этого сплава для изготовления магнитов массой более 5 граммов. Для затруднения распада сплавы дополнительно легируют медью и кобальтом. Ионы легирующих элементов искажают кристаллическую решетку и, притягивая к себе вакансии, затрудняют их перемещение. В результате затрудняется диффузия и при закалке пересыщенный твердый раствор не успевает распадаться. Особенно эффективно легирование кобальтом, поскольку ионы кобальта обладают магнитным моментом и добавка кобальта не только замедляет диффузию, но и повышает остаточную индукцию сплава.

Сплавы системы Fe-Ni-Al-Cu-Co получили название альнико. Для повышения магнитных свойств закаленный сплав подвергают термомагнитной обработке, то есть производят нагрев для старения в сильном магнитном поле. При этом дисперсные частицы интерметаллидов выделяются по границам доменов и закрепляют уже сориентированные домены. Сплавы, прошедшие термомагнитную обработку, получили название магнико.

Изделия из сплавов системы Fe-Ni-Al-Cu-Co можно получать либо методом литья, либо методами порошковой металлургии. При литье трудно получать изделия со строго выдержанными размерами. Кроме того, после литья необходим длительный гомогенизационный отжиг для выравнивания неоднородности химического состава. У изделий, полученных методами порошковой металлургии, коэрцитивная сила практически такая же, что и у литых, но остаточная индукция на 35–50 % ниже.

Деформируемые магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы непластичны, поскольку дисперсные частицы выделений, препятствующие смещению границ доменов, затрудняют движение дислокаций. Однако в ряде случаев необходимо иметь магнитотвердый материал в виде лент, листов, проволоки для изготовления штамповкой элементов измерительных систем, стрелок компасов и буссолей, лент магнитной записи и т. д. Такие материалы должны обладать заметной пластичностью.

У сплавов на медной основе большая коэрцитивная сила возникает после значительного отжига (на 90–95 %) и последующего отпуска при 600 ºС. Высокие магнитные свойства этих материалов обусловлены выделением однодоменных частиц ферромагнитной фазы в процессе отпуска пересыщенного твердого раствора. Важно отметить, что в ходе предварительной деформации в материале возникает острая текстура, поэтому выделяющиеся частицы являются ориентированными.

Особенностью сплава кунико является возможность получения изотропных магнитов с высокой коэрцитивной силой без большого обжатия. Поэтому из этого сплава изготавливают магниты сложной формы с большим размагничивающим фактором, например многополюсные звездочки.

Сплавы системы Co-V-Fe характеризуются высокой индукцией (до 1,8 Тл). Их используют для изготовления небольших магнитов, стрелок компасов и буссолей, магнитной проволоки.

13.3. Магнитотвердые ферриты

Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaO  6Fe₂O₃ (ФБ, ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила обусловлена малым размером зерен и сильной кристаллографической анизотропией. Помимо бариевого феррита, используются хромбариевый феррит (ХБ) и кобальтовый феррит.

Технология получения магнитотвердых ферритов в общих чертах похожа на технологию получения магнитомягких ферритов. Однако для получения мелкокристаллической структуры осуществляют очень тонкий помол (как правило, в водной среде), а спекание проводят при относительно невысоких температурах для избежания роста зерен.

Бариевые анизотропные ферриты маркируются БА, хромобариевые – ХБА, кобальтовые – КА. Изотропные, нетекстурированные магниты маркируются БИ, ХБИ и КИ соответственно.

Ферритные материалы значительно дешевле металлических. Вместе с тем у них существенно ниже удельный вес. Высокая коэрцитивная сила позволяет изготавливать магниты с малым отношением длины к поперечному сечению.

К недостаткам магнитотвердых ферритов следует отнести низкую механическую прочность, хрупкость, высокую чувствительность к изменению температуры. Кроме того, при охлаждении до – 60 ºС и повторном нагреве они теряют ферромагнитные свойства.

Высококоэрцитивные магниты

К этой группе материалов относят сплавы редкоземельных элементов с кобальтом типа RСo₅ или RСо₁₇, а также сплавы железа или кобальта с платиной. Эти материалы обладают рекордной запасенной магнитной энергией, однако их широкому применению мешает высокая стоимость.

Лекция 14. Проводниковые материалы

14.1. Классификация проводниковых материалов

Все проводниковые материалы можно условно разделить на три группы:

1) материалы высокой электропроводности, используемые для изготовления проводников;

2) металлические материалы высокого удельного электрического сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и нагревательных элементов;

3) материалы для изготовления контактов.

Одной из важнейших характеристик проводниковых материалов является их электропроводность (γ):

γ = nqu, (14.1)

где n – концентрация носителей заряда; q – величина заряда; u – подвижность носителей заряда.

Очевидно, что у материалов высокой электропроводности и контактных материалов электропроводность должна быть достаточно велика, тогда как электропроводность материалов высокого электросопротивления должна быть мала.

Основными носителями заряда в металлических материалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. Как известно, металлическая связь возникает между атомами элементов с валентной электронной оболочкой, заполненной менее чем на половину. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и «обнажается» полностью заполненная электронная оболочка. При этом валентные электроны становятся свободными, образуя «электронный газ».

Помимо концентрации электронов, на электропроводность оказывает влияние и их подвижность. На подвижность электронов в основном влияют два фактора: наличие дефектов кристаллической решетки и строение внутренних электронных оболочек атомов. При любом искажении кристаллической решетки распространение электронных волн затрудняется, что аналогично снижению подвижности электронов. Резко снижает подвижность электронов наличие незаполненных внутренних электронных оболочек. В этом случае свободные электроны могут временно захватываться незаполненными внутренними оболочками атомов. Поэтому электропроводность переходных металлов существенно ниже электропроводности обычных металлов.

жүктеу/скачать 8.66 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: