1.2.3.  Магнитомягкие материалы

Характерными свойствами магнитомягких материалов является спо­собность намагничиваться до насыщения даже в слабых магнитных полях и малые потери на пере

магничивание. Другими словами, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с небольшой коэрцитивной силой (Нс). Граница значений Нс, по которым материал можно отнести к магнитомягким условна. Но принятым в России стандартам к магнитомягким материалам относят материалы, имеющие Нс < 4 кА/м. Термин «магнитомягкий» не отражает механические свойства материала.

Частотный диапазон применения различных групп магнитомягких ма­териалов в значительной степени определяется величиной их удельного электрического сопротивления. Чем оно больше, тем на более высоких частотах можно использовать материал. Это объясняется тем, что при ма­лых значениях удельного сопротивления с повышением частоты, могут, существенно, возрасти потери на вихревые токи. В постоянных и низкочас­тотных полях (до сотен герц и единиц килогерц) применяют металличе­ские магнитомягкие материалы, к которым относятся: технически чистое железо (низкоуглеродистые электротехнические стали), электротехни­ческие (кремнистые) стали и пермаллои – железоникелевые и железоникелькобальтовые сплавы.

На повышенных и высоких частотах в основном применяют материалы, удельное сопротивление которых соответствует значениям, характерным для полупроводников и диэлектриков. К таким материалам относятся магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики. Иногда на повышенных частотах и, особенно при работе в импульсном режиме применяют также металлические материалы тонкого проката (до нескольких микрометров).

Требования, предъявляемые к магнитомягким материалам, в значи­тельной степени определяются областью их применения. Однако жела­тельно, чтобы эти материалы имели минимальное значение коэрцитивной силы, чему соответствует высокая магнитная проницаемость и возможно большее значение индукции насыщения.

Технически чистое железо содержит менее 0,05 % углерода при ми­нимальном количестве других примесей. Технически чистое железо является дешевым и технологичным ма­териалом; оно хорошо штампуется и обрабатывается на всех металло­режущих станках. Железо обладает высокими магнитными свойствами в постоянных полях. Вследствие низкого удельного электрического сопро­тивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях. Технически чистое же­лезо применяют как шихтовый материал для получения почти всех ферро­магнитных сплавов

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза. Осаж­денное железо после тщательной промывки измельчают в порошок в ша­ровых мельницах. Ввиду большого насыщения водородом магнитные свойства такого железа весьма низки. Однако в результате переплавки в вакууме и многократных отжигов его свойства можно существенно улуч­шить. Обработанное таким образом электролитическое железо характери­зуется следующими магнитными свойствами: Hс = 30 А/м; µmax = 15000. Вви­ду высокой стоимости электролитическое железо применяют редко.

Карбонильное железо получают посредством термического разложе­ния пентакарбонила железа Fе(СО)5. При этом в зависимости от условий разложения можно получить железо различного вида: порошкообразное, губчатое и т.п. Для получения высоких магнитных свойств карбонильное железо должно быть термически обработано в водороде. Карбонильное железо широко применяют в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Иногда вместо технически чистого железа в промышленности при­меняют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода (0,1 – 0,4)  %. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа, но их можно улучшить отжигом изготовленных деталей.

Электротехнические кремнистые стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Легирование технически чистого железа крем­нием производят с целью повышения удельного электрического сопротив­ления материала. Одновременно с этим

кремний вызывает не только улучшение некоторых магнитных параметров (возрастает магнитная про­ницаемость, уменьшается коэрцитивная сила), но и оказывает вредное воз­действие (снижается индукция насыщения). Кроме того, введение кремния в железо ухудшает его механические характеристики (повышается твер­дость и хрупкость).

Свойства стали значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге. Текстурированные стали обладают анизотропией магнитных свойств.

Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом и дру­гими элементами. Основное преимущество пермаллоев – высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Не­достатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями и сравнительно высокая стоимость.



Необходимо также учитывать, что высокие магнитные свойства у пермаллоев могут быть получены лишь в результате отжига го­товых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение.

Пермаллои находят широкое применение в магнитных элементах из­мерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их рабо­те в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких де­сятков килогерц, а для микронного проката и до более высоких частот.

Как было указано ранее, магнитные материалы, используемые при высоких частотах (от единиц до десятков мегагерц) и при сверхвысоких частотах (от сотен до десятков тысяч мегагерц), должны иметь малую электрическую проводимость. Этому требованию, отвечают ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты – химические соединения окиси железа Fе2О3 с оксидами металлов; они могут быть получены различными способами. Однако про­мышленностью освоена пока только керамическая технология. К ферритам для радиочастот относятся, в первую очередь, никельцинковые и марганеццинковые. Они представляют собой двухкомпонентные ферриты систем Ni–ZnО–Fе2О3 и МпО–ZпО–Fе2О3. Находят также приме­нение литийцинковые, свинцовоникелевые и фер­риты некоторых других типов. Фер­риты этих групп используют для изготовления сердечников различных трансформаторов, катушек индуктивности фильтров, магнит­ных антенн, статоров и роторов высокочастотных микродвигателей, дета­лей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры и т.д.

Для ферритов, используемых в переменных полях, обычно кроме на­чальной магнитной проницаемости, измеренной на высокой частоте, ука­зывают тангенс угла магнитных потерь (tgδm) или относительный тангенс угла магнитных потерь (tgδmн) и критическую частоту (fкр).

Экспериментально установлено, что для некоторой области изменения напряженности маг­нитного поля от нуля и выше (области Релея, определяемой обычно деся­тыми долями А/м) выражение для тангенса угла магнитных потерь в зави­симости от f и H может быть представлено следующим образом:

tgδ = δгH + δвf + δд                                                 (1.11)

где δг, δв, δд- коэффициенты, характеризующие соответственно потери на гистерезис, отнесенные к единице напряженности поля; на вихревые токи, отнесенные к единице частоты и на последействие (дополнительные потери).

Частота, при которой начинается резкое возрастание угла потерь, на­зывается критической частотой. Для определенности ввели понятие кри­тической частоты (fкр), при которой tgδm = 0,1. Причины резкого возрастания потерь и уменьшения проницаемости с ростом частоты весьма сложны и объясняются главным образом релаксацион

ными, а иногда и резонансны­ми явлениями. Чем выше начальная проницаемость, тем ниже граничная частота.

Во многих случаях вместо tgδ удобнее пользоваться понятием отно­сительного тангенса угла магнитных потерь (tgδm / µн). К ферритам  для устройств сверхвысоких частот (СВЧ), т.е. работающим в диапазоне частот от сотен до десятков тысяч мегагерц) относятся: литиевые, магниевые, нике­левые, магниевые ферроалюминаты, никелевые и магниевые феррохромиты. Кроме того, к этой группе относятся ферриты со структурой минерала граната, которые называют ферритами-гранатами. Эти ферриты имеют структурную формулу:

(Ме2О3)3 (Fе2О3)        или     Ме35О12,

где Ме – трехвалентный ион иттрия или какого-либо редкоземельного элемента – лантаноида.

Магнитодиэлектрики представляют собой конгломераты из измель­ченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из немагнитного ма­териала, являющегося одновременно механической связкой.

Магнитные свойства магнитодиэлектриков в значительной степени определяются особенностями намагничивания совокупности отдельных ферромагнитных частиц, а, следовательно, их размерами и формой, взаим­ным расположением, соотношением между количествами ферромагнетика и диэлектрика. Магнитные свойства исходного ферромагнетика (наполни­теля) влияют на параметры магнитодиэлектрика сравнительно мало.

Магнитодиэлектрики, как и ферриты, обладая высоким удельным электрическим сопротивлением, являются высокочастотными магнитными материалами. Они имеют некоторые преимущества перед ферритами, пре­жде всего более высокую стабильность свойств. Кроме того, особенности технологии производства магнитодиэлектриков, соответствующей техно­логии изготовления пластмасс, позволяют получить изделия значительно более высоких классов точности и чистоты, чем при керамической технологии получения ферритов. По ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферритам.

Наиболее широко применяют магнитодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа.