Магнитные материалы специального назначения

Однако ферриты могут относиться и к материалам специального назначения.Диапазон СВЧ соответствует дли­нам волн от 1 м до 1 мм. В аппаратуре и приборах, где используют­ся электромагнитные волны диапазона СВЧ, необходимо управ­лять этими колебаниями: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебаний, поворачивать плоскость поляризации волны, частично или полностью погло­щать мощность потока, изменять скорость распространения вол­ны.

Электромагнитные волны могут распространяться в простран­стве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти пол­ностью отражаются. Поэтому металлические поверхности исполь­зуются для направления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия СВЧ чаще всего передается по волно­водам, представляющим собой полые или частично заполненные твердыми материалами металлические трубы. В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах исполь­зуются ферриты СВЧ и некоторые немагнитные активные диэ­лектрики. Магнитными характеристиками первых можно управ­лять с помощью внешнего магнитного поля, электрическими свой­ствами вторых — действием внешнего электрического поля.

Практическое применение ферритов СВЧ основано:

• на магнитооптическом эффекте Фарадея;

• эффекте ферромагнитного резонанса;

• изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

Помимо достижения узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд специфических требований. Основными из них являются:

• высокая чувствительность материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым внешним полем);

• высокое удельное объемное сопротивление (1О⁶...1О⁸ Ом-м) и возможно меньший тангенс угла диэлектрических потерь (10^-3...10^-4), а также возможно меньшее значение магнитных потерь вне области резонанса, обеспечивающее малое затухание в феррите;

• температурная стабильность свойств и возможно более высо­кое значение температуры Кюри.

В отдельных случаях к ферриту предъявляют и другие требова­ния, которые могут быть даже противоречивыми. Большинство требований удается удовлетворить при использовании магний-марганцевых ферритов с высоким содержанием оксида магния. Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинко­вые ферриты.

Конфигурация и габаритные размеры ферритового изделия, с одной стороны, определяются принципом действия прибора, а с другой, зависят от свойств самого материала. В различных прибо­рах СВЧ применяемые ферритовые вкладыши имеют форму пря­моугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. При определенной геометрии вкладыша обеспе­чивается наилучшее согласование его с волноводом, т.е. получа­ется минимальное отражение электромагнитной волны от ферри­та. Для изготовления вкладышей используют как поликристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние ха­рактеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного ре­зонанса.

Особое место среди материалов для СВЧ занимают ферриты-гранаты иттрия с частичным замещением ионов иттрия и железа другими ионами. Они характеризуются весьма низкими диэлект­рическими и магнитными потерями, слабой анизотропией, наибо­лее узкой резонансной кривой. Монокристаллы Y₃Fe₅0₁₂ с малой концентрацией примесей и структурных дефектов имеют АН-, ле­жащую в пределах 10... 100 А/м. Среди ферритов, применяемых в низкочастотной части диапазона СВЧ, ферриты-гранаты иттрия является наиболее распространенным.

Монокристаллы ферритов-гранатов обычно получают кристал­лизацией из раствора-расплава с использованием оксифторида свинца (РЬО + PbF₂) в качестве растворителя.

Следующая группа материалов специального назначения, которые можно выделить - магнитострикционные материалы - магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. из­менении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. Яв­ление магнитострикции было открыто английским ученым Дж. Джоулем в 1842 г.

Среди магнитострикционных материалов можно отметить как чистые металлы, так и сплавы и различные ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких час­тот.

До начала 1960-х гг. наиболее широко применяемым магнитострикционным материалом являлся никель; он частично сохра­няет свое лидирующее место и в настоящее время, хотя постепен­но вытесняется другими магнитострикционными материалами и пьезоэлектрической керамикой. Ценными свойствами никеля яв­ляются высокая механическая прочность, стойкость к коррозии (даже по отношению к морской воде) и малый температурный коэффициент модуля упругости. Основной недостаток заключает­ся в низком удельном сопротивлении, препятствующим его ис­пользованию на частотах свыше 10 кГц из-за возрастающих по­терь на вихревые токи.

Кроме чистого никеля используют железокобальтовые сплавы типа пермендюр 49К2Ф, железоалюминиевые типа альфер 12Ю, а также сплавы платины с железом (Fe + Pt).

Сплав платины с железом обладает большой константой маг­нитострикции, однако он очень дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Пермендюр отличается высокими ди­намическими магнитострикционными параметрами. Предельная интенсивность излучения у преобразователей из пермендюра в четыре раза больше, чем у никелевых. Достоинствами альфера следует считать недефицитность исходных компонентов и повы­шенное удельное сопротивление. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность (или даже хрупкость), затрудняющая механическую обработку, и низ­кая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использо­ванию таких преобразователей в водной среде. Широкое применение в магнитострикционных устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и метал­лическими сплавами магнитострикционные ферриты (МСФ) имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопро­тивлению в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдель­ные пластины. Частотный диапазон их использования расширяет­ся до 10⁷ Гц при сохранении высокой магнитомеханической доб­ротности (10³... 10⁷). В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помо­щью керамической технологии можно изготовить преобразовате­ли практически любых форм и размеров.

По составу магнитострикционная керамика представляет со­бой либо чистый феррит никеля NiFe₂O₄, либо твердые растворы на его основе. Наиболее важную роль играют добавки кобальта, которые существенно улучшают динамические параметры магни­тострикционных преобразователей.

По своим механическим свойствам ферриты тверды и хрупки. Их механическая прочность при продольных колебаниях пример­но в 7— 10 раз меньше прочности металлических материалов. При работе в режиме излучения с большими амплитудами колебаний МСФ проявляют эффект усталости, т. е. постепенное ухудшение динамических параметров преобразователей.

Из магнитострикционных материалов изготовляют сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемни­ков) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резо­наторов, линий задержки. Их используют также в качестве чув­ствительных элементов магнитоупругих преобразователей, при­меняемых в устройствах автоматики и измерительной техники.