Пермаллои – железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и малой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко-(72 – 80 % никеля) и низконикелевые(40 – 50 %).
Магнитные свойства пермаллоев чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия примесей, а также изменяются в зависимости от режимов термообработки материала. Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.
Магнитные проницаемости высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и намного превосходят проницаемости электротехнических сталей. 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 снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных
вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.
Для придания необходимых свойств в пермаллои вводят ряд добавок. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость и уменьшают чувствительность к механическим деформациям. Однако при этом снижается индукциянасыщения. Медь увеличивает постоянство μ в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.
Зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников. 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 эластичным веществом.
Альсиферы – тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5% Si, 5,6% Аl, остальное – Fе. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок. Изделия из альсифера – магнитные экраны, корпуса приборов и т. п. – изготавливают методом литья с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм ввиду 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.
Магнито-мягкие высокочастотные материалы. Классификация, основные свойства, получение, применение.
Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые выполняют функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.
По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30 – 25 мкм, а пермаллой, как механически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 3 – 2 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких материалов близки к свойствам материалов больших толщин, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.
Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Большое удельное сопротивление и незначительные потери энергии в области высоких частот наряду с высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.
Получение ферритов.
Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья часто используют оксиды соответствующих металлов. При получении материалов с заданными магнитными свойствами предъявляют жесткие требования в отношении химической чистоты, степени дисперсности и химической активности. Исходные оксиды подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительный обжиг с целью образования феррита из оксидов. Ферритизованный продукт вновь измельчают, и полученный ферритовый порошок идет на формовку изделий.
Предварительно его пластифицируют, используя водный раствор поливинилового спирта. Формование изделий делают методом прессования в пресс-формах или горячим литьем под давлением. Тогда в качестве пластифицирующего и связующего вещества применяют парафин.
Отформованные изделия спекают при температуре 1100 – 1400°С в контролируемой газовой среде, что необходимо для предотвращения выделения побочных фаз. Ферриты - твердый и хрупкий материал, не позволяющий производить обработку резанием и допускающий только шлифовку и полировку.
Магнитные свойства.
Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь (tgδ). Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала, и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительны и потери на гистерезис. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты fкр. Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tgδ достигает значения 0,1.
Инерционность смещения доменных границ, проявляющихся на высоких частотах, приводит не только к росту магнитных потерь, но и к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту fгр, при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле, называют граничной. Как правило, fкр < fгр.
Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам.
Электрические свойства. По электрическим свойствам ферриты относят к классу полупроводников или диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности. Электроны, участвующие в обмене, рассматривают как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры. Вместе с тем, при повышении температуры экспоненциально увеличивается вероятность перехода электронов между ионами переменной валентности, т. е. возрастает подвижность носителей заряда.
Среди факторов, влияющих на электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа. Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe2+ к ионам Fe3+ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала и одновременно уменьшается энергия активации. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fе3О4 (феррит железа), у которого ρ = 5·10-5 Ом∙м.
Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, зависящая от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает.
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 применяют 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.
Магнитодиэлектрики
Магнитодиэлектрики получают путем прессования порошкообразного ферромагнетика с изолирующей органической или неорганической связкой. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер и молибденовый пермаллой. Связкой служат феноло-формальдегидные смолы, полистирол, стекло и др. Основа обладает высокими магнитными свойствами, а связка – способностью образовывать между зернами сплошную электроизоляционную пленку.
Магнитодиэлектрики характеризуются относительно невысокой магнитной проницаемостью (10 – 250), которая меньше магнитной проницаемости монолитных ферромагнетиков. Во-первых, из-за разобщенности ферромагнитных частиц на их концах при намагничивании образца возникают свободные полюсы, создающие внутреннее поле, направленное навстречу внешнему полю. Во-вторых, в пределах малой частицы энергетически невыгодно образование многодоменной структуры. Поэтому слабо выражен механизм намагничивания за счет смещения доменных границ, определяющий значение магнитной проницаемости.
Применяют в индуктивных катушках фильтров, генераторов, частотомеров, контуров радиоприемников и т. д. Такие катушки имеют малый объем высокую индуктивность и большую добротность. Индуктивные катушки с сердечником из магнитодиэлектрика могут обладать переменной индуктивностью, обеспечивающей возможность настройки контуров посредством перемещения подвижных сердечников.
Сердечники из карбонильного железа отличаются высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и могут быть использованы в широком диапазоне частот.
Альеифер, помимо хороших магнитных свойств, отличается невысокой стоимостью. Особенность его заключается в том, что в зависимости от содержания кремния и алюминия его температурный коэффициент магнитной проницаемости может быть положительным, отрицательным или равным нулю.
Магнитодиэлектрики на основе молибденового пермаллоя имеют наибольшую начальную магнитную проницаемость; потери на гистерезис и вихревые токи для них меньше, чем у альсиферовых сердечников, а стабильность параметров выше.