Магнитомягкие материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

Кафедра «Инновационных материалов и защиты от коррозии»

Реферат

На тему «Магнитомягкие материалы»

Подготовил: студентка 3-го курса, гр. ТМ-32

Ряжева А.С.

Проверил:

Профессор Жуков А.П.

Москва 2023

Введение

История применения магнитных материалов неразрывно связана с историей открытия и исследования магнитных явлений, а также с историей разработки магнитных материалов и совершенствования их свойств. Первые упоминания о магнитных материалах относятся к античным временам, когда магниты использовались для лечения различных заболеваний. Однако большое значение магнитных материалов для технического прогресса человечество ощутило только в середине XIX века после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции, когда стало возможным конструирование и производство электрогенераторов, моторов, трансформаторов и других аппаратов и приборов для электротехники и техники средств связи. В 1893г. Хевисайд предложил использовать катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска, которые должны были ограничить растущее затухание на линии. В период с 1893 по 1900 гг. были выяснены основные требования к магнитомягким материалам для техники связи: малые потери, малое искажение передаваемых токов и напряжений, высокая магнитная проницаемость.

Основная часть

МАГНИТОМЯмГКИЕ МАТЕРИАмЛЫ, магнитные материалы, способные намагничиваться в слабых магнитных полях (напряжённостью менее 800 А/м); обладают низкой коэрцитивной силой Hc (? 100 А/м), большими начальной магнитной проницаемостью мa (до 105) и максимальной магнитной проницаемостью ммакс (до 106). Различные группы магнитомягких материалов характеризуются рядом других свойств: большой индукцией насыщения Bs (железо, электротехнические стали, пермендюр), малыми магнитными потерями (ферриты, электротехнические стали), прямоугольными петлями гистерезиса (перминвары, некоторые аморфные и нанокристаллические материалы), большим электрическим сопротивлением с (магнитные диэлектрики, ферриты) и т. д. Такое разнообразие свойств обусловливает широкое применение магнитомягких материалов в различных областях техники.

В формировании свойств магнитомягких материалов важное значение имеет магнитная доменная структура, которая образуется при температуре ниже Кюри точки TС. Перестройка доменной структуры под действием магнитного поля происходит в основном за счёт движения доменных границ, обладающих большой подвижностью, зависящей от однородности материалов, наличия в них примесей, пустот, границ зёрен, внутренних напряжений. В некоторых случаях (особенно в высокочастотных полях) важны также процессы вращения вектора намагниченности. Свойства магнитомягких материалов чувствительны к структурным особенностям материалов, вследствие чего их можно регулировать с помощью термической, термомагнитной и термомеханической обработки образцов.

Существует большое разнообразие магнитомягких материалов, отличающихся различным наборами основных параметров (табл. 1). Классификация магнитомягких материалов неоднозначна, хотя и может быть проведена, например, по экстремальным величинам параметров или по конкретным областям применения. Так, можно выделить материалы, необходимые для работы в постоянных магнитных полях (железо, пермаллои), переменных магнитных полях малых частот (до 400 Гц) (электротехнической стали), в полях высоких частот (104-108 Гц) (порошки карбонильного железа, пермаллоя, алсифера) и в полях сверхвысоких частот (ферриты).

Таб. 1

Чистое железо обладает хорошими магнитомягкими свойствами, однако из-за малого электрическое сопротивления используется лишь в машинах, работающих на постоянных токах. Отличными магнитомягкими свойствами обладают пермаллои; они имеют высокую магнитную проницаемость (мa и ммакс) и низкую коэрцитивную силу, но, как и чистое железо, характеризуются низким электрическим сопротивлением, что ограничивает область их применения. Особые магнитомягкие свойства присущи супермаллою, который применяется в радиотехнике, телефонии, телемеханике.

Важной характеристикой электротехнических сталей является величина удельных потерь электромагнитной энергии, которые имеют гистерезисную и вихретоковую составляющие. Первая из них связана с причинами, приводящими к увеличению ширины петли гистерезиса (см. в ст. Гистерезис). Для силовых трансформаторов используют совершенные электротехнические стали с хорошей текстурой. В них основную роль играет вихретоковая составляющая удельных потерь, порождаемая движением доменной границы. Один из способов её уменьшения - увеличение содержания Si в сталях, что приводит к увеличению электрического сопротивления, но при этом происходит нежелательное снижение индукции насыщения. магнитный доменный феррит высокочастотный

Установлено, что удельные потери пропорциональны ширине L доменов. В свою очередь, L пропорциональна корню квадратному из размера кристаллита. В холоднокатаных электротехнических сталях обычно зёрна велики (до 10 мм и более) и текстура совершенна, что приводит к широким доменам и большим электромагнитным потерям. Эти потери снижают путём измельчения доменной структуры. Разработаны различные способы такого измельчения (нанесение на листы магнитоактивных покрытий, обработка поверхности листа лазерным лучом и др.). Наилучшими свойствами обладают электротехнической стали марки HI-B, имеющие на частоте переменного поля 50 Гц полные потери 0,8 Вт/кг и вихретоковые потери 0,45 Вт/кг (при индукции В = 1,7 Тл и толщине листа 0,18 мм).

В СВЧ-технике незаменимыми являются ферриты, которые обладают очень высоким электрическим сопротивлением и малыми потерями.

В кон. 20 - нач. 21 вв. широкое распространение получили аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы на основе железа и кобальта. Технология получения аморфных сплавов проста, их производят в виде тонких лент. Они имеют очень высокие мa и ммакс. К недостаткам этих материалов относятся малая Bs (0,4-0,6 Тл) и низкая температурная и временнбя стабильность. Более удачными являются нанокристаллические сплавы на основе Fe и Co. По своим свойствам они не уступают свойствам аморфных сплавов и даже в некоторых аспектах превосходят их. Так, мa и ммакс этих материалов сопоставимы с проницаемостями аморфных материалов, но они обладают высокой температурной и временнуй стабильностью и могут иметь Bs=1,25 Тл.

В особые группы магнитомягких материалов можно выделить магнитострикционные материалы, магнитодиэлектрики (см. в ст. Магнитные диэлектрики) и термомагнитные материалы - ферромагнитные сплавы (Ni-Fe, Ni-Cu, Ni-Fe-Cr и др.) с сильной зависимостью Bs от температуры в определённом магнитном поле. Последние применяют, например, в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры.

По величине тепловых потерь и tg определяются допустимые рабочие частоты, поэтому магнитомягкие материалы подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные магнитомягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения Bs и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью м (начальной м(нач) и максимальной м(макс)).

Материалы с высокой индукцией насыщения.

К ним прежде всего относятся железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции (Bs ? 2,16 Тл), малой коэрцитивной силе (Hc ? 100 А/м), достаточно высокой магнитной проницаемости (мmax ? 79 мГн/м) и хорошей технологичности- их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 102 до 5 · 104 А/м. Магнитные свойства железа приведены в табл. 15.1. Наибольшее количество примесей содержит технически чистое железо. При содержании 0,02- 0,04 % С и остальных примесей в количестве 0,6% железо обладает достаточно хорошими магнитными свойствами: Hc=64 Ф/м и мmax=9 мГн/м.

В процессе изготовления проката в железе возникают внутренние напряжения, а в решетке-большое количество дислокаций. Это ухудшает магнитные свойства. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения.

Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электролизом. Такое железо, особенно переплавленное в вакууме, имеет более высокую магнитную проницаемость, которая почти на порядок выше, чем в технически чистом железе. В той же степени снижается Нс. Наиболее чистое от углерода и примесей карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Fe(СО)5 - карбонила, с последующим спеканием порошка железа:

Fe(CO)5 = Fe + 5CO

Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200єС и давлении примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содержится углерод.

Магнитные свойства различных видов чистого железа приведены в табл. 2. Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладают углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти примеси оказываются и наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений. Из табл.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологические методы получения чистых и однородных по структуре материалов.

Таб.2

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров. Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей допускается в тех же количествах.

Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (р ? 0,1 мкОм·м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (З $ 102 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы Fe Ni (пермаллой) и Fe-Al-Si (альсифер). Сплавы пермаллои с содержанием 45-83% Ni характеризуются большой магнитной проницаемостью мн ? 88 мГн/м; мmax ? 310 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях (рис. 15.9). Повышенное удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni позволяет использовать их в радиотехнике и телефонии при частотах до 25 кГц. Малая Нс?16 А/м уменьшает потери на гистерезис при перемагничивании. По значению индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля уступают железу и стали. В зависимости от состава Bs изменяется в пределах 0,5-1,5 Тл. Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полуфабрикатов: тонких листов, лент и проволоки, используемых при изготовлении сердечников. Для улучшения электромагнитных и технологических свойств эти сплавы часто дополнительно легируют. Так, молибден и хром уменьшают чувствительность к остаточным напряжениям, одновременно повышая удельное электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь стабилизирует свойства, улучшает механическую обрабатываемость, повышает удельное электрическое сопротивление. Кремний и марганец увеличивают удельное электрическое сопротивление.

Все легирующие элементы увеличивают магнитную проницаемость мн и мmax. Сплавы подразделяют по уровню основных свойств на девять групп.

Магнитные свойства некоторых пермаллоев трех характерных групп приведены в табл. 15.4. В каждой группе их подразделяют на классы. С ростом класса, как это видно из табл. 15.4, заметно растет магнитная проницаемость, снижается Нс. Значение Bs меняется мало.

Высокочастотные магнитомягкие материалы.

При высоких частотах растут тепловые потери и тангенс угла потерь

tgд, что сопровождается ухудшением магнитных свойств ферромагнетика -уменьшением магнитной проницаемости. Одним из эффективных способов снижения тепловых потерь является применение материалов с высоким электрическим сопротивлением-диэлектриков. К таким материалам относятся ферриты, играющие важную роль в современной электронике. Ферриты изготовляют спеканием оксидов. Удельное электрическое сопротивление их достигает 1012 Ом · м, что определяет возможность использования их в области высоких радиочастот и сверхвысоких частот. Ферриты имеют доменную структуру с нескомпенсированными антипараллельными магнитными моментами ионов металла (ферримагнетики). В двойном оксиде FeO · Fe2O3 в октаи тетраэдрических порах решетки располагаются катионы трех- и двухвалентного железа. Между катионами, находящимися в разных порах, образуется антипараллельная ориентация магнитных моментов. Ферримагнетизм появляется тогда, когда сумма магнитных моментов ионов, расположенных в различных порах, неодинакова. Установлено, что у большинства шпинельных ферритов в октаэдрических порах расположено восемь ионов трехвалентного железа, а в тетраэдрических порах остальные восемь ионов трехвалентного железа и восемь ионов двухвалентного металла:

В результате магнитные моменты трехвалентных катионов железа, находящихся в разных порах, компенсируют друг друга и, если двухвалентный катион металла обладает собственным магнитным моментом, то возникает нескомпенсированный магнитный момент. Ферриты имеют сложный состав, их изготовляют из четырех и более оксидов. Разнообразие сочетаний исходных компонентов предоставляет неограниченные возможности для создания материалов с различными магнитными свойствами.

В плоскости тонкой пластины, которая перпендикулярна намагничивающему полю и векторам легкого намагничивания, возникает лабиринтовая структура доменов (рис. 15.15). Темные и светлые домены намагничены антипараллельно. С ростом внешнего поля Н меняется доменная структура.

В таких устройствах ферриты оценивают подвижностью доменов, которая повышает скорость обращения информации, и размером доменов, определяющим плотность информации на пластинах. Подвижность лучше у ортоферритов, а плотность больше у ферритов-гранатов.

Применение ферритов.

Магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400 - 20000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы - пермаллой и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.

Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры.

Наиболее часто применяют ферритовые сердечники с замкнутой магнитной цепью. Такие магнитопроводы бывают либо монолитными, в виде единого тела (например, кольцевой сердечник), либо составными - из двух хорошо пришлифованных друг к другу частей, зазор между которыми по возможности мал. Составные магнитопроводы распространены шире монолитных, так как намотка проволоки на последние вызывает определенные трудности.

Монокристаллы магнитомягких ферритов находят довольно широкое применение при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения звукового и видеодиапазонов в магнитофонах. По сравнению с металлическими ферритовые головки обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью. Из-за высокой скорости движения магнитной ленты при видеозаписи к материалу головки предъявляются повышенные требования в отношении износоустойчивости.

Ферритовые сердечники. Современные устройства связи используют много деталей с ферритовыми сердечниками. Ферриты удовлетворяют серьезным требованиям, предъявляемым к современным элементам устройств связи, а также находят себе другие применения. Это, например, ферритовые антенны, однонаправленные изоляторы волноводов, модуляторы микроволн и т.д. Возможность изготовления ферритов различного состава увеличивает возможности их применения, благодаря чему ферриты перешагнули границы области применения, для которой они были первоначально разработаны, и стали применяться в технике ЭВМ, в технике регулирования измерений, а также в атомной технике.

Материалы со специальными магнитными свойствами.

Сплавы с большим коэффициентом магнитострикции. Эти сплавы применяют для сердечников преобразователей магнитных колебаний в ультразвуковые, для изготовления звукозаписывающих головок, в установках для обработки твердых материалов и др. Кроме большого коэффициента магнитострикции эти сплавы должны обладать малой коэрцитивной силой и высоким удельным электрическим сопротивлением. Наибольшей магнитострикцией обладает никель л= -- 37·10-6. Благодаря высокой пластичности он применяется в виде гонких листов (толщиной 0,1 мм и менее); характеризуется малым электрическим сопротивлением (0,08 мкОм·м), а следовательно, применим для низких частот. Высокой магнитострикцией обладает сплав железа с 13% Л1 (лв = 45· Ю-6). Он имеет значительно более высокое электрическое сопротивление (0,96 мкОм-м), и поэтому при тех же потерях пластины его могут быть в 2-3 раза толще, чем пластины никеля. Более высокими коэффициентами магнитострикции обладают сплавы железа, содержащие 50% Со (лs = 70·10-6), которые используют для преобразователей большой мощности. Сплав железа с платиной обладает наиболее высоким коэффициентом магнитострикции (лs = +204·10-6), но он весьма дорог.

Термомагнитные сплавы.

Интенсивность намагничивания уменьшается с повышением температуры, поэтому, чтобы компенсировать ошибки приборов, обусловленные изменением магнитного потока при изменении температуры, в магнитную цель вводят шунты. Магнитная индукция ферромагнетиков очень резко изменяется вблизи точки Кюри, поэтому материал шунта должен иметь темпера гуру точки Кюри в интервале рабочих температур. Этим условиям удовлетворяет сплав железа с никелем (30-35%), который перестает быть ферромагнитным при 100°C. Введение хрома или алюминия дополнительно снижает температуру точки Кюри.

Низкокоэрцитивные сплавы.

Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой.

Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.

Диапазон изменения магнитных свойств и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.

Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.

Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводятся добавки. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность к деформациям. К сожалению, одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство µг в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.

Применение пермаллоев. Сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Из сплава 50НХС выполняют сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов; при толщине 0,02 мм--сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле. Тонкие ленты из пермаллоев различных марок используют в качестве материала для ячеек памяти в устройствах вычислительной техники (стр. 288).

Альсиферы -- сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5% Si, 5,6% А1, остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но из него могут быть изготовлены фасонные отливки. Основные свойства альсифера: µrН = 35 500, µrмакс = 120 000, Нс = 1,8 А/м, с = 0,8 мкОм·м, т. е. не уступают свойствам высоконикелевых пермаллоев. Магнитные экраны, корпуса приборов и другие изделия из альсифера изготовляются методами литья с толщиной стенок не менее 2--3 мм из-за хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

Область применения магнитомягких материалов.

Основной параметр, который определяет применение магнитомягкого материала - относительная магнитная проницаемость, показывающая то, насколько легко материал реагирует на приложенное магнитное поле. К другим важным параметрам относятся:

1. Удельная электропроводность.

2. Коэрцитивная сила.

3. Намагниченность насыщения.

Магнитомягкие материалы делятся на:

1. Низкочастотные материалы. Данные материалы, в свою очередь, делятся на материалы для работы в статических магнитных полях - железо и нелегированные электротехнические стали, и материалы для работы в низкочастотных магнитных полях - низкокоэрцетивные магнитомягкие сплавы, кремнистые электротехнические стали, аморфные и нанокристаллические сплавы.

2. Высокочастотные материалы. Данные материалы, в свою очередь, делятся на ферриты - никель-цинковые и марганец-цинковые материалы, и магнитодиэлектрики - порошковые ферриты, карбонильное железо, альсифер, порошковые пермаллои.

Область применения магнитомягких материалов Сфера применения магнитомягких материалов делится на две области: постоянного и переменного электрического тока. В приборах и устройствах с магнитной системой, которые работают от постоянного тока, во время включения магнитомягкий материал намагничивается и остается в данном состоянии, передавая магнитный поток для выполнения какой-либо задача, а при выключении переходит в состояние остаточной намагниченности, которая стремится к нулю или ничтожно мала. В устройствах которые работают от переменного тока, магнитомягкий материал циклически непрерывно перемагничивается в течении всего периода работы устройства, например, трансформатора.

Областью применения магнитомягких материалов определяется значимость их основных параметров. При использовании магнитомягкого материала в магнитном поле, созданного постоянным током, основным параметром, определяющим выбор того или иного материала, является магнитная проницаемость. Например, при экранировании устройств от проникновения магнитного поля или его ослабления в магнитомягком материале локализуется магнитная энергия в границах определенного пространства. Намагниченность насыщения влияет на выбор магнитомягкого материала в том случае, если он применяется для создания магнитного поля в рабочем зазоре.

Если необходимо использовать магнитомягкий материал в системах, которые работают от переменного тока, необходимо учитывать, какой обьем энергии будет им поглощаться при циклическом перемагничивании по петле гистерезиса. Из-за движения доменных границ и вращения намагниченности изменяются размеры доменов и ориентация вектора намагниченности соответственно. Данные процессы сопровождаются вихревыми токами, релаксацией намагниченности, переходом некоторой части энергии атомов в теплоту и упругой деформацией. Стоит отметить, что в металлических материалах преобладают магнитные потери на вихревые токи, а в диэлектрических материалах магнитные, связанные со спиновой релаксацией. По способу измерения потери при работе магнитомягкого материала можно разделить на следующие виды:

1. Потери, связанные с изменением размеров доменов из-за вращение вектора намагниченности и движения границ доменов

2. Потери на гистерезис, появляющиеся при периодическом перемагничивании.

3. Потери на вихревые токи, связанные с их генерацией

Потери на гистерезис могут быть сокращены благодаря уменьшению внутренней коэрцитивности магнитомягкого материала, что уменьшает площадь петли гистерезиса. От отношения ширины домена к толщине пластины зависят потери на вихревые токи, потому что изменение магнитной индукции в магнитном материале происходит из-за проводимости магнитомягкого материала и движения границ доменов. Снижение потерь на вихревые токи достигается благодаря использованию магнитомягкого материала с более низкой проводимостью и при помощи нанесения изоляционного покрытия. Данное покрытие значительное влияет на величину потерь с увеличением частоты перемагничивания. Потери из-за изменение размеров доменов уменьшаются за счет использования абсолютно однородного материала, у которого внутри отсутствуют помехи для движения доменных стенок.

Разное применение приводит к различию требований к магнитомягким материалам:

Многокомпонентные сплавы для изготовления прочных и пластичных магнитных материалов. Изменения в 2021 году.

Международная группа исследователей, включившая специалистов из Германии и КНР, разработала новую стратегию проектирования, которая увеличивает долговечность и эффективность магнитомягких материалов, применяемых в передовых высокотехнологичных изделиях.

Исследователи из Института Общества Макса Планка в Дюссельдорфе (MPIE), Технического университета Дармштадта и Центрального южного университета Китая в Чанша (провинция Хунань) разработали новую стратегию моделирования многокомпонентных сплавов, которая увеличивает характеристики и срок службы магнитомягких материалов.

«Текущая проблема, с которой мы сталкиваемся в обычных магнитомягких материалах, - это компромисс между его специфическими свойствами, с одной стороны, и механической прочностью, с другой», - отметил Люлиу Хань, один из авторов исследования.

Более высокая прочность материалов обычно достигается за счет оптимизации его микроструктурных особенностей, таких как вкрапления и дефекты. При современном уровне технологий введение в магнитомягкие материалы наночастиц может стать решением как для механической прочности и пластичности магнитов, так и для их магнетизма. Но ученые обнаружили, что размер наночастиц при этом играет решающую роль.

«До сих пор предполагалось, что более мелкие наночастицы меньше взаимодействуют с внешними стенками и поэтому являются предпочтительными. Однако верно как раз обратное. Мы внедрили частицы, которые лишь немного меньше ширины доменной стенки, и смогли обеспечить такой уровень внутреннего напряжения материала, чтобы его магнитные свойства не пострадали», - пояснил Хань.

Группа исследователей реализовала эту идею в многокомпонентной системе сплавов, основанной на концепции «сплава с высокой энтропией», содержащем железо, никель, кобальт, тантал и алюминий с многофункциональными свойствами, которые позволили повысить комплексные характеристики обычных мягких магнитов. Кроме прочего, материалы на основе новой системы сплавов проще в производстве и имеют более высокий срок службы, чем традиционные материалы.

«Сейчас мы пытаемся найти способы снижения стоимости предлагаемого сплава за счет уменьшения количества содержащихся в нем дорогостоящих элементов, таких как кобальт, и поиска заменителей с аналогичными свойствами», - сообщил доктор Фернандо Маккари, научный сотрудник группы функциональных материалов Технического университета Дармштадта и один из авторов исследования.

Полученный состав сплава, по оценке исследователей, служит модельной системой для других типов многокомпонентных сплавов. Концепция их использования вполне применима для разработки различных перспективных сплавов с новыми и необычными сочетаниями функциональных и механических свойств.

Заключение

Создавая новые сплавы, специалисты разных стран пытаются снизить потери электроэнергии при ее передаче и трансформации. Это позволяет не только уменьшить размеры электронных устройств, но и повысить их КПД, а также снизить выбросы опасных веществ, образующихся при производстве энергоносителей.

В основном в производстве сплавов используются такие металлы, как железо, кремний, бор, ниобий и медь. Для придания им высоких магнитных и прочностных свойств обычно в сплав добавляются легирующие элементы: ниобий и молибден. По словам инженера «МИСиС» Андрея Белова, в этот раз для снижения стоимости производства они отказались их использовать. Вместо этого все сплавы были получены благодаря применению метода закалки из жидкого состояния.

С помощью данной промышленной технологии были получены самые разнообразные сплавы. Проанализировав химический состав каждого материала, ученым удалось получить несколько видов аморфных магнитомягих сплавов с ультравысокой прочностью и технологической пластичностью. Одним из важнейших плюсов данной технологии является ее низкая стоимость.

Список используемой литературы

1. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов; - 2-е изд., исправ. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 c.

2. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы/ А.А. Преображенский, Е.Г. Бишард; - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986. - 352 с.

3. Карабасов Ю. С. Новые материалы М: МИСИС - 2002 - 736 с.

4. В.В.Пасынков, В.С.Сорокин. Материалы электронной техники, М.: Высшая школа, 1986 -- 367 с.

Размещено на Allbest.ru