1.1 Структура и проводимость композитов

Гранулированными магнитными материалами называют твердые тела, содержащие ферромагнитные гранулы, размещенные в немагнитной, среде (матрице), которая может быть как изолятором так и проводником. Как всякая искусственная твердотельная среда, гранулированные материалы имеют сложную структуру нанометрового масштаба (размеры гранул составляют от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров). На рисунке 1 представлена структура гранулированной системы Fе₇₀(SiО₂)₃₀ с 42 объемными процентами Fe, осажденной при комнатной температуре.

Рисунок.1 Светлопольное электронно-микроскопическое изображение гранулированной системы Fе₇₀(SiО₂)₃₀ с 42 объем.% Fe, осажденной при комнатной температуре

Используя эти особенности гранулированных материалов, можно манипулировать их физическими свойствами и при этом изменять их столь значительно, что появляются возможности не только изучать различные физические явления, но и использовать эти материалы в современной технике. Важным параметром, влияющим на свойства гранулированных материалов, является размер гранул, который контролируется условиями получения и объемной долей материала (Х_v), которая может изменяется от О до 1.

Если матрица гранулированного материала является диэлектриком, то такие материалы часто называют гранулированными композитами или, в англоязычной литературе, керметами. Для композитов с малой величиной Х_v металлические гранулы электрически изолированы друг от друга в объеме матрицы, и поэтому такие среды близки по своим электрическим свойствам к изоляторам. Проводимость в таких композитах осуществляется в основном за счет туннелирования электронов между металлическими гранулами или за счет прыжковой проводимости по локализованным состояниям в диэлектрической матрице. С точки зрения магнетизма все гранулы в композитах являются одномерными, а поскольку они обладают кристаллической структурой и характеризуются кристаллической анизотропией, то проявляют при этом высококоэрцитивные свойства. С другой стороны, для сплавов с большой величиной Х_v, из металлических гранул формируется своеобразная металлическая "сетка", вдоль которой осуществляется металлическая проводимость. Вместе с возникновением металлической проводимости гранулы начинают взаимодействовать друг с другом магнитно и, следовательно, формируются магнитомягкие свойства композита.

Протяженная проводящая «сетка» и магнитная замкнутая структура возникают в композитах при достижении так называемого перколяционного предела (порога протекания) Хр. Порог протекания - это такая объемная доля металлической фазы в композите, при которой образуется конечная сеть из металлических гранул во 'всем объеме образца, иначе говоря, образуются сплошные каналы с металлической проводимостью. Экспериментально установлено, что для большого количества гранулированных композитов величина Хр находится в пределах 0,5-0,6. Для большинства общеизвестных металлов, таких как Fе, Аu, Со, Сu, гранулы могут иметь размер от 1 до нескольких десятков нанометров. Это та область размеров, в которых гранулы становятся одномерными и возможен переход в суперпапрамагнитное состояние. Вследствие своей уникальной наноструктуры гранулированные композиты проявляют огромное разнообразие проводящих, сверхпроводящих, оптических, магнитных, механических и других физических свойств. Гранулированные композиты могут проявлять и свойства, присущие их, диэлектрическим матрицам. Поскольку такие диэлектрики как, SiO₂, АI₂О₃, MgO, обычно механически более тверды, чем металлические сплавы, а также более химически- и износостойки, ожидается, что композиты будут проявлять аналогичные свойства.