3.5. Магнитные материалы специального назначения

К материалам специального назначения относят, как правило, магнитомягкие материалы, которые разработаны для частного применения в устройствах, когда требуется использование одного или двух параметров с максимальными значениями. Группу этих материалов составляют материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), СВЧ-ферриты, термомагнитные и магнитострикционные материалы. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Степень прямоугольности петли гистерезиса оценивается коэффициентом прямоугольности

где В_с – остаточная магнитная индукция, соответствующая максимальному значению магнитной индукции В_max.

Для петли гистерезиса с идеальной прямоугольностью = 1,0; для применяемых материалов = 0,85–0,98. Магнитный сердечник с идеальной петлей гистерезиса имеет два устойчивых магнитных состояния, соответствующих положительному +В_c и отрицательному – В_c значениям остаточной магнитной индукции (см. рис. 3.3), и представляют собой магнитный элемент для хранения и переработки двоичной информации. Условно принимают состояние намагниченности материала +В_с за 1, а состояние – В_с за 0.

Ферриты с ППГ разделяют на ферриты со спонтанной и с индуцированной (наведенной) прямоугольностью петли гистерезиса. Ферриты со спонтанной петлей гистерезиса получают благодаря составу феррита и условиям отжига, при которых появление спонтанной прямоугольности петли гистерезиса обусловлено преобладанием процесса необратимого смещения доменных стенок. Ферриты с индуцированной петлей гистерезиса получают после термомагнитной обработки.

Литиевые ферриты с ППГ приобретают необходимые свойства при введении в состав феррита натрия, магния, марганца и др. Они обладают следующими свойствами: коэффициент прямоугольности К_пр = 0,9 при малых значениях коэффициента переключения К_g =48–52 ; коэрцитивная сила Н_c = 140–1200 А/м; хорошая термостабильность электромагнитных параметров.

Марганец–магниевые ферриты с ППГ благодаря большому разнообразию свойств получили наибольшее распространение. Они обладают простотой в изготовлении, повышенной индукцией В и пониженной коэрцитивной силой Н_c в ферритах с добавками оксидов цинка и кальция; по термостабильности уступают литиевым.

Магнитомягкие сплавы с ППГ состоят из железоникелевых и железоникелькобальтовых сплавов, легированных молибденом, медью или другими металлами. Выпускают в виде лент проката толщиной 20–500 мкм, лент микронного проката толщиной 3 мкм, сердечников с частотой перемагничивания примерно десятки килогерц и сердечников микронного проката с минимальным коэффициентом переключения К_g.

Ферриты для сверхвысоких частот (СВЧ–ферриты). Диапазон сверхвысоких частот соответствует частотам от сотен до десятков тысяч мегагерц, т.е. длинам волн от одного метра до нескольких миллиметров. Ферриты, применяемые в диапазоне СВЧ, обладают следующими свойствами: представляют собой среду, прозрачную для электромагнитных волн; низкие значения тангенса угла диэлектрических потерь ; эффекты, вызванные взаимодействием электромагнитной волн с магнитными моментами электронов феррита, используют для управления потоком электромагнитной энергии; зависимость предельной рабочей температуры ферритового элемента от температуры Кюри; зависимость частоты ферромагнитного резонанса от свойств СВЧ–феррита; высокие значения намагниченности насыщения М_c, позволяющие уменьшить объем ферритовых СВЧ-элементов; высокая плотность и однородность структуры СВЧ–ферритов за счет применения монокристаллического материала; высокое удельное электрическое сопротивление (10⁶–10⁹ ); высокая температурная стабильность в рабочем интервале температур. Все СВЧ–ферриты относятся к магнитомягким материалам Н_c = 80–700 А/м.

Никелевые СВЧ–ферриты предназначены для изготовления изделий, которые работают в миллиметровом диапазоне длин волн и в коротковолновой части сантиметрового диапазона. Они обладают высокими значениями намагниченности насыщения М_s, относительно небольшими значениями ширины резонансной кривой , высокой термостабильностью.

Магниевые СВЧ–ферриты применяют для изготовления изделий, работающих в средней части сантиметрового диапазона. Они имеют значения намагниченности насыщения Н_s меньше, чем у никелевых СВЧ–ферритов; температура Кюри имеет меньшее значение по сравнению с никелевыми СВЧ–ферритами.

Магниевые ферроалюминаты, магниевые и никелевые феррохромиты применяют для изготовления ферромагнитных изделий, работающих

в длинноволновой части СВЧ–диапазона. Они обладают следующими свойствами: малые значения намагниченности насыщения ; малые магнитные потери, что позволяет применять их в ферритных приборах, работающих в малых подмагничивающих полях; низкие значения температуры Кюри, что ограничивает область их применения. Иттриевые ферриты-гранаты применяют для изготовления различных СВЧ–устройств, работающих в низкочастотной части СВЧ диапазона. Они обладают следующими свойствами: наименьшая ширина резонансной кривой , малые значения магнитных потерь, относительно высокая намагниченность М, высокая термостабильность.

Термомагнитные материалы. Эти материалы характеризуются сильной зависимостью намагниченности М от температуры в полях, близких к полю насыщения материала. Термомагнитные материалы функционируют обычно в режиме насыщения в интервале рабочих температур от –60 до +60 ^oС. К термомагнитным материалам предъявляются следующие требования: низкие значения температуры Кюри, близкие к рабочему интервалу температур, так как наибольшая зависимость магнитной индукции от температуры наблюдается в области, близкой к точке Кюри; высокие значения температурного коэффициента индукции насыщения ТКВ_s и магнитной проницаемости ТК_м; определенная форма термомагнитной характеристики (кривой зависимости магнитной индукции В от температуры при постоянном значении напряженности магнитного поля Н), чем более крутой ход термомагнитной характеристики, т.е. чем чувствительнее термомагнитный материал к изменению температуры, тем меньше потери магнитного потока; устойчивая работа в интервале температур от -60 до + 80–100 ^оС; малые поля, необходимые для насыщения; высокая воспроизводимость характеристик.

Этими свойствами обладают термомагнитные сплавы и многослойные магнитные материалы, а также некоторые магнитомягкие материалы с низкой температурой Кюри. К термомагнитным сплавам относят компенсаторы (термомагнитные сплавы системы железо – никель – хром ), кальмаллои (сплавы системы никель – медь), термаллои (сплавы системы никель – железо). Наиболее широко применяют компенсаторы, которые обладают следующими характеристиками: полная обратимость магнитных свойств в диапазоне температур от –65 до +180 ^оС;

большие значения намагниченности насыщения М_s; высокие значения температурных коэффициентов намагниченности насыщения ТКМ_s и индукции насыщения ТКВ_s; высокая линейность магнитных характеристик; высокая воспроизводимость параметров; хорошая механическая обрабатываемость. Кальмаллои обладают сравнительно малой магнитной индукцией, поэтому магнитные стержни из этих материалов имеют большие сечения. Термаллои обладают следующими характеристиками: необратимое изменение свойств под действием отрицательных температур; сильная зависимость точки Кюри от состава (изменение содержания никеля на 0,25% смещает точку Кюри на 10 К); плохая воспроизводимость характеристик.

Многослойные термомагнитные материалы получают совместной прокаткой листов или полос из термомагнитных сплавов с различными свойствами. Требуемые характеристики многослойных материалов получают в результате подбора исходных полос с необходимыми свойствами и толщины. Они имеют слабую зависимость намагниченности насыщения М_s от напряженности магнитного поля Н, малые параметры полей насыщения, возможность заранее рассчитать требуемые свойства материалов, разнообразие получаемых характеристик, однотипность технологии изготовления.

Магнитомягкие материалы с низкой температурой Кюри применяют в устройствах, которые работают в диапазоне температур с расширенной положительной областью. Термомагнитные материалы используют в качестве магнитных шунтов и добавочных резисторов для компенсации температурной погрешности или обеспечения изменения магнитной индукции в воздушном зазоре по заданному закону; в индукционных печах для поддержки заданной температуры или в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры.

Магнитострикционные материалы. Эти материалы характеризуются остаточной индукцией В_c, коэрцитивной силой Н_c, магнитострикционной деформацией насыщения (коэффициентом магнитострикции насыщения ) (где l – длина пластины до воздействия поля; – изменение длины пластины под действием поля). В качестве магнитострикционных материалов применяют никель, пермендюры (сплавы системы кобальт – железо), альферы (сплавы системы железо – алюминий), никель–кобальтовые ферриты.

Никель применяют в виде пластин, вырубленных из жесткой неотожженной ленты толщиной 0,1 мм и оксидированных при нагревании на воздухе до температуры 800 ^oС в течение 15–25 мин. Из пластин набирают пакеты, которые устойчивы к коррозии в атмосфере и морской воде. Никель обладает высокими антикоррозионными свойствами, малым температурным коэффициентом модуля упругости, большим абсолютным значением коэффициента магнитострикции насыщения (знак «минус» означает уменьшение длины).

Пермендюры относятся к сплавам с высокой индукцией насыщения. Из элементов наивысшей индукцией насыщения обладает железо (= 2,1 Т). Однако для уменьшения массы изделий используют сплавы железа с кобальтом и ванадием. Из пермендюров наиболее известен железоникелевый сплав, легированный ванадием, введение которого улучшает обрабатываемость сплава в холодном состоянии. Он обладает следующими свойствами: наивысшее значение индукции насыщения из всех выпускаемых материалов В_s = 2,4 Т, что позволяет получить экономию в массе и объеме по сравнению с железом на 15...20%; высокие магнитострикционные характеристики в широком диапазоне температур []; большое значение магнитной проницаемости (=500). Недостатками пермендюров являются: малое удельное электрическое сопротивление ; высокая стоимость; дефицитность кобальта и ванадия; неустойчивость к коррозии; плохая механическая обрабатываемость. Пермендюры применяют для изготовления телефонных мембран и изделий, работающих в постоянных или слабых переменных магнитных полях с сильным подмагничиванием постоянным полем.

Никель–кобальтовые ферриты обладают лучшими высокочастотными свойствами по сравнению с другими магнитострикционными материалами, конструктивно-технологическими преимуществами, низкой прочностью, низкой теплопроводностью. С учетом низкой прочности и теплопроводности магнитострикционные ферриты применяют в прецизионных преобразователях электромеханических и магнитострикционных фильтров, акустических приемниках и излучателях малой и средней мощности.