5. Приминение нанокристаллических материалов

Магнитомягкие материалы применяются в больших количе­ствах в силовых трансформаторах, а в последние годы — в ка­честве сердечников магнитных головок для магнитной записи видеосигналов на частотах мегагерцового диапазона. В этих головках имеется минимальное количество магнитного матери­ала, обычно не более 0,01 мм³. Однако качество магнитной за­писи определяется именно наличием в малом количестве этого материала в головке. Следовательно, цена за объем может быть очень высокой, включая комплекс методов приготовления для оптимизации свойств материалов, используемых в качестве сер­дечников видеоголовок.

Аудио- и видеосигналы обычно записываются, используя фер­ромагнетизм, путем перемещения магнитной ленты, покрытой магнитным материалом, способным перемагничиваться с помо­щью магнитной головки. Сигнал тока генерирует магнитное поле рассеяния в цепи головки, которое производит намагничи­вание отдельных участков в магнитной ленте. При одноосной (или продольной) записи намагничивание магнитной ленты осу­ществляется преимущественно в направлении, параллельном поверхности ленты (рис. 9). Та же самая головка использу­ется для воспроизведения записанной информации. В этом слу­чае электрический сигнал возникает в обмотке головки от маг­нитного потока отдельных участков магнитной ленты, в резуль­тате чего воспроизводится записанный сигнал. Плотность записи на магнитном носителе ограничена размагничивающим факто­ром, возникающим в результате взаимодействия соседних доме­нов, намагниченных в противоположном направлении. Размаг­ничивающее поле должно быть не больше, чем коэрцитивная сила Н_с являющаяся тем минимумом магнитного поля, которое способно уменьшить индуцированную намагниченность до нуля. Как только домены сближаются, размагничивающий фактор уве­личивается и, следовательно, величина Н_с (коэрцитивная сила носителя) должна увеличиваться. Основное требование к но­сителю — высокая плотность информации. Так, для цифро­вой видеозаписи на 8 мм ленте требуется магнитный носитель сочень высокой коэрцитивной силой (порядка 100 кА/м). Од­нако при высоких значениях коэрцитивной силы используемо­го носителя магнитный материал головки должен иметь поверх­ность высокого качества.

При необходимости знакопеременного перемагничивания в носителе головка должна быть способной давать магнитное поле больше, чем коэрцитивная сила носителя. Это поле зависит от намагниченности М материала. Необходимо использовать маг­нитную поляризацию J = μМ, где μ — проницаемость свобод­ного бруска. Максимум поляризации — это индукция насыще­ния J_s материала, которое определяет максимум магнитного поля головки. Намагниченность насыщения ферритовой головки J_s — около 0,5 Тл, которой явно недостаточно для реверсивного пе­ремагничивания в носителях с коэрцитивной силой порядка 100 кА/м. Поскольку та же самая головка может быть использована для записи информации на носителе, материал головки должен иметь высокие значения относительной проницаемос­ти μ на видеочастотах.

Используемая для этих целей голов­ка — сандвичевого типа (рис.10), в которой ферромагнитный материал располагается между двумя немагнитными упрочняющими эле­ментами. Если обмотка создает помеху в виде случайного маг­нитного потока носителя, этот поток может сделать длинный об­ход на несколько миллиметров по магнитомягкому материалу го­ловки и не будет пересекать немагнитную щель в несколько де­сятков микрон. С этой целью необходимо, чтобы величина μ была около 2000. Сочетание высокой проницаемости и высоких значений индукции магнитного насыщения трудно реализуемо в частотном диапазоне работы видеомагнитофонов. Магнитная индукция насыщения железа достаточно высока (2,16 Тл), од­нако магнитная проницаемость очень сильно уменьшается с уве­личением частоты, и, следовательно, нужно найти разумный компромисс при использовании выбранного материала для маг­нитных головок.

Рис.10 Схема магнитной головки для записи информации.

Нанокристаллические сплавы FeC/NiFe и Fe/FeCrB в большинстве случаев используются для изготовления головок записи-чтения в виде многослойных струк­тур. Основным ферромагнитным компонентом в этих многослойных структурах является железо, которое имеет высокую величину J_s и также высокую анизотропию. Для уменьшения анизотропии размер зерна в поликристалле должен быть меньше, чем ширина доменных границ. В этом случае анизотропия маленького зерна усредняется под действием намагничивающего поля, что приводит к уменьшению К и, следовательно, повышению. Таким образом, можно приготовить материалы с высо­ким уровнем насыщения и проницаемости при низких значени­ях коэрцитивной силы.

6. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn.

1.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех компонентной системы определите фигуративные точки сплавов следую­щей концентрации:

а) Bi – 40%, Pb – 30%, Sn – 30%; б) Bi – 0%, Pb – 75%, Sn – 25%.

2.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех­компонентной системы изобразите: а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию того или иного компонента,б)совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотношением компонентов:

а) Sn – 25%; б) Bi : Sn = 4 : 1.

3. Поверхность солидуса - это геометрическое место фигуративных точек твёрдых растворов предельной концентрации. Поверхность ликвидуса - это геометрическое место фигуративных точек жидких растворов предельной концентрации. Поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик (линейчатые поверхности) – это поверхности, связанные с выделением двойной эвтектики. Над этими поверхностями сплавы двухфазны (сплав и один твёрдый компонент), а под ними трёхфазны (расплав и два твёрдых компонента). Особенностью таких поверхностей является то, что любое изотермическое сечение диаграммы пересекает поверхности двойных эвтектик по прямым линиям – коннодам, соединяющим фигуративные точки фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, - одной жидкой (точки лежат на линиях двойных эвтектик) и двух твёрдых (точки лежат на вертикальных линиях компонентов системы

4. Сплав состава Bi – 30%, Pb – 10%, Sn – 60% при охлаждении из жидкого состояния начнет кристаллизоваться при температуре 177 ^оС.

5. Первые кристаллики, выпадающие при кристаллизации данного сплава, будут представлять собой чистый Sn, так как сплав находится в области, где первым начинает кристаллизоваться компонента Sn.При дальнейшем охлаждении состав жидкой фазы будет изменятся по кривой klm, и в точке m жидкая фаза полностью исчезнет.

6. Количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава при охлаждении до температуры 425 К (152 ^оС) можно определить по правилу рычага:

7. Второй компонент из сплава данного состава начнет выделяться при температуре  123 ^оС. Это будет компонент Bn. Состав жидкой фазы будет изменяться по линии кристаллизации двойной эвтектики как указано белыми стрелками.

8.Кристаллизация жидкой фазы рассматриваемого сплава закончится при температуре эвтектики (96 ^оС). При этом будет протекать такое фазовое превращение: L  Bi + Pb + Sn. Состав последней капли расплава будет также соответствовать составу эвтектики (точка M на диаграмме): Bi – 51 %, Pb – 30 %, Sn – 19 %.

9.Для определения числа условных термодинамических степеней свободы рассматриваемой системы при различных температурах воспользуемся правилом фаз Гиббса: С = K – Ф + 1, где: С – искомое число условных термодинамических степеней свободы; К – число компонентов, образующих систему; Ф – число фаз, находящихся в равновесии при данных условиях.

При 400 К (127 ^оС): К = 3, Ф = 2, С = 2. При 370 К (97 ^оС): К = 3, Ф = 3, С = 1. При 96 ^оС (температура точки Е): К = 3, Ф = 4, С = 0.

10.Политермический разрез системы с постоянным содержанием компонента Sn – 25 % представлен на рисунке ниже.

11.Кривые охлаждения приведены для двух сплавов (I и II), и показаны в одной системе рисунков вместе с политермическим разрезом.

12.В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точке эвтектики, на фоне почти однородной структуры, состоящей из зерен эвтектического сплава (при рассматривании в светлом поле микроскопа они будут выглядеть серым фоном), видны кристаллики первого выделившегося вещества (как правило более светлые). В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точкам чистых компонентов, будут наблюдаться крупные светлые кристаллики чистого компонента, а по их границам образовывается сетка из сплава состава эвтектики.

13.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы 3-х компонентной системы изображена проекция эвтектической диаграммы с твердыми растворами при температуре эвтектики и указаны фазы находящиеся в равновесии.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение нанокристаллических металлических материалов находится на начальном этапе. Значительная часть вопросов ещё не получила ответов. Например, неясны вопросы стабильности и условия сохранения свойств нанокристаллического структурного состояния. Тем не менее краткий анализ уже полученных результатов по нанокристаллическим материалам показывает, что это является песпективной и интересной областью физического материаловедения, развитие которой должно привести к ре­шению вопросов как фундаментального, так и прикладного ха­рактера.

8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: учебное пособие – Воронеж: издательство Воронежского Государственного Университета, 2000г.,360 с.

2. Янченко Л.И. Физическое материаловедение: Учеб. пособие. Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. 207 с.

3. Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Физическое материаловедение» для студентов специальности 20.02 – «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники» дневной формы обучения / Воронеж. политехн. ин-т. Сост. Ю.Е. Калинин. Воронеж,1993. 59 с.

25