Электротехнические материалы

В зависимости от рабочей частоты используются тональночастотные магнитодиэлектрики (ТЧ) для частот до 20 кГц, высокочастотные (ВЧ) для частот до 150 кГц и радиочастотные (РЧ) для частот до 100 МГц.

Важной особенностью магнитодиэлектриков является слабая зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения электрических сигналов. Катушки с магнитодиэлектрическими сердечниками обладают повышенной добротностью и индуктивностью, но из-за малой магнитной проницаемости не обеспечивают уменьшения габаритов.

Ферриты представляют собой смеси окислов железа (Fe2O3) с окислами других металлов (Zn, Cd, Mo, Mn, Ni и др.). Они имеют узкую петлю гистерезиса, высокую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу. Большое удельное электросопротивление позволяет применять их в полях высокой частоты без заметного увеличения магнитных потерь.

Изделия из ферритов изготавливают методом порошковой металлургии. Из измельченных и перемешанных друг в друге окислов металлов с добавкой пластификатора (парафин, поливиниловый спирт) прессуют изделия нужной формы и размеров, которые в дальнейшем обжигают при температурах 1000–1400 С. При обжиге (спекании) происходит взаимное растворение окислов и химическое взаимодействие между ними. Спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью, в связи с чем механическая обработка затруднена (кроме шлифовки и полировки).

Внастоящее время для радиотехнической промышленности

ивычислительной техники выпускают следующие разновидности ферритов: марганцово-цинковые, никель-цинковые ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса и ферриты для сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Марганцово-цинковые ферриты (6000НМ 1000НМ) выделяются среди других максимальной проницаемостью, узкой петлей гистерезиса и минимальными потерями. Для них характерны высокие рабочие температуры (до +200 С) и стабильность свойств.

71

Никель-цинковые ферриты (НЦ) получили наибольшее распространение из-за менее сложной технологии изготовления (обжигаются в обычной атмосфере) и наличия высоких магнитных свойств. НЦ ферритывыпускаютсяс магнитнойпроницаемостью от2500 до 15. Материалы с 0 2000 применяют в импульсных трансформаторах, дросселях и магнитных усилителях на частотах 10–300 кГц. Материалы с 0 200…1000 применяют в ферритных антеннах, индуктивных катушках на частотах 1–50 МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса нашли широкое применение в вычислительной технике и радиотехнике. Материалами этой группы являются ферриты марок ВТ-1, ВТ-2, ВТ-4, ВТ-7, К-28 и др., которые представляют собой твердые растворы окислов марганца, магния, цинка и кальция. Эти ферриты характеризуются тем, что отношение Вr к ВS близко к единице, т.е. форма петли гистерезиса близка к прямоугольной.

Ферриты для сверхвысоких частот (СВЧ) позволили создать устройства, пропускающие СВЧ-энергию по волноводам только в одном направлении (вентили) или применить амплитуду СВЧколебаний (модуляторы) без применения механических устройств. Специфика магнитоэлектрических процессов, протекающих в ферритах, такова, что для разных длин волн оказываются пригодными лишь отдельные ферриты. Например, ферритхромиты магния (MgO, Fe2O3, Cr2O3) наиболее целесообразно применять при длинах волн до 10 см и более. При длинах волн порядка 3 см наилучшими материалами являются никель-магниевые, магний-марганцевые и никелемедные ферриты, а для длин волн 0,2–2 см никель-цинковые и марганцово-цинковые ферриты.

4.3. Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы в отличие от магнитно-мягких должны обладать высокой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) и остаточной магнитной индукцией. Они применяются в качестве постоянных магнитов различного назначения (стрелки компасов, магниты измерительных приборов, ленты магнитной за-

72

писи информации и др.), где используется магнитная энергия, сосредоточенная между полюсами магнита.

Постоянный магнит работает за счет своей остаточной намагниченности. Качество постоянных магнитов оценивается величиной

максимальной удельной магнитной энергии в рабочем зазоре маг-

нита, кДж/м3, которая определяется из кривой размагничивания магнитно-твердого материала по формуле

Wmax Bi 2Hi ,

где Вi и Нi оптимальные значения индукции и напряженности магнитного поля в рабочем зазоре магнита, произведение которых максимально из всех возможных произведений Hi Bi (рис. 22). Ве-

личина максимальной магнитной энергии Wmax зависит не только от значений коэрцитивной силы и остаточной индукции, но и от формы кривой размагничивания. Чем больше кривая размагничивания приближается к прямоугольной форме, тем выше значение магнитной энергии при данных Нс и Вr, тем меньше будет чувствительность материала к размагничивающему действию воздушного зазо-

ра (рис. 23).

Для повышения коэрцитивной силы необходимо затруднить переориентацию доменов под действием внешнего магнитного поля. Это достигается искажением кристаллической решетки и созданием высоких внутренних напряжений за счет легирования, закалки, дисперсионного твердения и т.д. По данным признакам магнит- но-твердые материалы подразделяются на следующие группы:

стали, закаливаемые на мартенсит;

литейные железо-никель-алюминиевые сплавы;

пластически деформируемые сплавы;

магнитно-твердые материалы с высокой Нс. Мартенситные стали. К мартенситным сталям для постоян-

ных магнитов относятся углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые сплавы. Углеродистые стали содержат повышенное количество углерода (0,9–1,0 %) и подвергаются в процессе изготовления магнита ковке и штамповке в нагретом состоянии и последующей закалке на мартенсит. Чем больше в стали углерода, тем выше внутренние напряжения после закалки и тем больше коэрцитивная сила. Углеродистые стали как магнитно-твердые материалы, характеризуются сравнительно низкими магнитными свойствами (табл. 9) и недостаточной стабильностью, поэтому применяются для неответственных деталей.

Таблица 9 Состав и свойства некоторых магнитно-твердых материалов

Литейные Fe Ni Al-сплавы. Из сплавов этой системы практическое применение нашли сплавы, содержащие 40–65 % Fe, 20–33 % Ni, 11–17 % Al и 3–12 % Cu. Высокие магнитные свойства у данной группы сплавов получаются путем термической или термомагнитной обработки. Сущность термомагнитной обработки заключается в том, что охлаждение сплава с температуры 1300 С ведется с определенной скоростью и в сильном магнитном поле. Выделяющиеся в твердом растворе однодоменные частицы ферромагнитной фазы после полного охлаждения останутся сориентированными вдоль направления действующего магнитного поля. Такое состояние структуры сплава называется магнитной текстурой. Сплав ЮНДК-24 (альнико), подвергнутый термомагнитной обработке, называется магнико. Главным достоинством литейных магнитных сплавов является их высокая магнитная энергия и малый вес. Общие недостатки этих сплавов трудность изготовления малых и точных по размерам магнитов, низкая пластичность, хрупкость. Применяются они для изготовления высококачественных постоянных магнитов ответственного назначения.

Пластически деформируемые сплавы. Для изготовления штам-

повкой и ковкой магнитов малых размеров и сложной формы, а также для изготовления лент и проволоки применяют тройные сплавы

Cu Ni Co (куникс), Cu Ni Fe (кунифе) и Co V Fe (викаллой).

Сочетание прокатки и волочения с последующей термической обработкой обеспечивает требуемые магнитные свойства сплавов, которые в зависимости от режима термообработки могут колебаться в широких пределах. Применяются пластически деформируемые магнитно-твердые сплавы для изготовления стрелок компасов, буссолей, малых и сложных по форме магнитов, подвесных магнитов электроизмерительных приборов, тахометров, спидометров, магнитов звукозаписи и лент для магнитной записи электрических импульсов и звука.

Среди всех магнитно-твердых материалов особо следует выделить сплав викаллой, который является лучшим материалом для изготовления роторов гистерезисных двигателей, широко используемых в автономных системах управления летательными аппаратами.

75

Магнитно-твердые материалы с особо высокой НС. К этой группе материалов относятся металлические сплавы на основе благородных металлов (Pt Fe, Pt Co, Ag Mn Al и др.). Их характерной особенностью является исключительно высокая коэрцитивная сила.

Такие свойства сплавы приобретают в результате термической обработки и намагничивания в сильном магнитном поле. Из сплавов на основе благородных металлов лучшими свойствами обладают сплавы с содержанием 77 % Pt и 23 % Со. Однако применение таких сплавов ограничено из-за их высокой стоимости. Используются они в особо ответственных случаях для изготовления мелких магнитов высококачественных малогабаритных электроизмерительных вибрационных приборов, работающих под действием больших размагничивающих полей.

Магнитно-твердые ферриты состоят из (ВаО·6Fe2O3)

и (СоО·Fe2O3). В отличие от магнитно-мягких ферритов они обладают высокими магнитно-твердыми свойствами. Изделия получают методом порошковой металлургии. Спеченную массу нужного состава размалывают на шаровых мельницах до размеров доменов (1–2 мкм), и получаемый ферритовый порошок идет на прессование магнитов, а затем подвергается обжигу при температуре 1200 С. Такие магниты являются изотропными и обозначаются 1БИ (бариевый изотропный магнит). Если прессование вести в сильном магнитном поле, то получают анизотропные магниты 3БА (бариевый анизотропный магнит).

Феррит бария применяется для изготовления стабильных магнитов малогабаритных приборов. Феррит кобальта более дорогой и применяется ограниченно, в основном для изготовления носителей магнитной записи (магнитные ленты, барабаны).

76

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Электротехнические материалы и изделия: учеб. пособие для вузов / И.А. Тимофеев [и др.]. – СПб.: Лань, 2012. – 267 с.

2.Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов: конспект лекций: учеб. пособие для вузов / С.А. Оглезнева [и др.]. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2013. – 171 с.

3.Электротехнический справочник: в 4 т. / под ред. В.Г. Герасимова. – 10-е изд., стер. – М.: Изд-во МЭИ, 2007.

4. Сорокин В.С., Антипов Б.Л., Лазарева И.П. Материалы и элементы электронной техники: учебник для вузов: в 2 т. – М.: Академия, 2006.

5.Материаловедение: учебник для вузов / Арзамасов Б.Н. [и др.]. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

6.Электротехнические и конструкционные материалы / под ред. В.А. Филипова. – М.: АСАДЕМА, 2005.

77

Учебное издание

Береснев Герман Александрович, Долинов Дмитрий Львович, Синани Игорь Лазаревич

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Конспект лекций

Редактор и корректор И.А. Мангасарова

Подписано в печать 24.09.15. Формат 60 90/16. Усл. печ. л. 5,0. Тираж 100 экз. Заказ № 173/2015.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.