Магнитные материалы специализированного назначения

Магнитные материалы специализированного назначения. Ферриты и металлические сплавы с ППГ. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса ППГ находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи.

Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля. Двоичные элементы на магнитных сердечниках с ППГ характеризуются высокой надежностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, относительной стабильностью характеристик.

Они обладают практически неограниченным сроком службы, сохраняют записанную информацию при отключенных источниках питания. К материалам и изделиям этого типа предъявляют ряд специфических требований, а для их характеристики привлекают некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Кпу, представляющий собой отношение остаточной индукции Вr к максимальной индукции Вmax Кпу Вr Вmax Для определенности Вmax измеряют при Hmax 5Hc. Желательно, чтобы Кпу был возможно ближе к единице.

Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения Sq, численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции.

Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а следовательно, иметь высокую температуру Кюри и некоторые другие свойства. Ферриты с ППГ в практике распространены шире, чем металлические тонкие ленты. Это объясняется тем, что технология изготовления сердечников наиболее проста и экономична. Свойства ферритовых сердечников приведены в табл.2. Материал или сердечник Hc, A м Br, Тл Кпу, не менее Sq, мкКл м Тк, С Примечание Ферриты различных марок 10-1200 0,15-0,25 0,9 25-55 110-630 Имеется свыше 25 различных марок Микронные сердечники из пермаллоев толщины ленты от 2 до 10 мкм 8-50 0,6-1,5 0,85-0,9 25-100 300-630 Сплавы 50НП, 65Н, 79НМ, 34НКПМ Табл.3 Свойства сердечников и материалов с ППГ. Ферритам свойственна спонтанная прямоугольность петли гистерезиса, т.е. специфическая форма петли реализуется при выборе определенного химического состава и условий спекания феррита, а не является результатом какой-либо специальной обработки материала, приводящей к образованию текстуры например, механических воздействий или обработки в сильном магнитном поле. Из ферритов с ППГ наиболее широкое применение находят магний-марганцевые и литиевые феррошпинели.

Установлено, что прямокгольная петля гистерезиса характерна для материалов с достаточно сильной магнитной кристаллографической анизотропией и слабо выраженной магнитострикцией. В этом случае процессы перемагничивания происходят главным образом за счет необратимого смещения доменных границ.

Сохранение большой остаточной намагниченности после снятия внешнего поля объясняется локализацией доменных границ на микронеоднородностях структуры.

Такими неоднородностями могут быть области с разной степенью обращенности шпинели, вакансии и связанные с ними комплексы, междуузельные атомы и др. Например, в магний-марганцевых ферритах спонтанная прямоугольность петли гистерезиса обусловлена тетрагональными искажениями кристаллической решетки за счет ионов Mn3 , образующихся при определенных условиях синтеза.

При использовании ферритов следует учитывать изменение их свойств от температуры. Так, при возрастании температуры от -20 до 60С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5-2 раза, остаточная индукция - на 15-30 , коэффициент прямоугольности - на 5-35 . В зависимости от особенности устройств, в которых применяются ферриты с ППГ, требования, предъявляемые к ним, могут существенно различаться.

Так, ферриты, предназначенные для коммутационных и логических элемнтов схем автоматического управления, должны иметь малую коэрцитивную силу 10-20 А м. Наоборот, материалы, используемые в устройствах хранения дискретной информвции, должны иметь повышенное значение коэрцитивной силы 100-300 А м. В запоминающих устройствах ЭВМ применяют либо кольцевые ферритовые сердечники малого размера имеются сердечники с наружным диаметром 0,3-0,4 мм, либо многоотверстные ферритовые платы в которых область вокруг каждого отверстия выполняет функции отдельного сердечника.

При использовании сердечников достигается более высокое быстродействие, однако возникают технологические трудности при прошивке таких сердечников проводниками и сборке матриц. Ферриты для устройств СВЧ. Диапазон СВЧ соответствует длинам волн от 1м до 1мм. 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 полоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока.

Электромагнитные волны могут распространяться в пространстве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти полностью отражаются. Поэтому металлические поверхности используют для напрвления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия СВЧ чаще всего передается по волноводам, представляющим собой трубы.

В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты СВЧ и некоторые немагнитные активные диэлектрики. Магнитными характеристиками первых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, электрическими свойствами вторых - за счет внешнего электрического поля. Практическое применение ферритов СВЧ основано на а магнитооптическом эффекте Фарадея б эффекте ферромагнитного резонанса в изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены различные углы поворота плоскости поляризации, а следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы. Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спинов электронов. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего управляющего поля Н . При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим.

В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряженности переменного возбуждающего поля и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.

Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н , то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля Н , называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение Н , тем сильнее поглощение электромагнитной энергии, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств антенные переключатели и циркуляторы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами фазовращатели фильтры модуляторы ограничители мощности и др Помимо достижения узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд специфических требований.

Основными из них являются 1 высокая чувствительность материала к управляющему полю возможность управления относительно слабым внешним полем 2 высокое удельное объемное сопротивление 106-108 Омм 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 3 температурная стабильность свойств и возможно более высокое значение точки Кюри. В отдельных случаях к ферриту предъявляют и другие требования, которые могут быть даже противоречивыми.

Большинство требований удовлетворяется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния. Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинковые ферриты и ферриты сложного состава полиферриты. Конфигурация и 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 используются как поликристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса. Магнитострикционные ферриты. Магнитострикционными называют 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.

Среди магнитострикциооных материалов можно отметить как чистые металлы, так сплавы и различные ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот. В эксплуатационных условиях в большинстве случаев магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного подмагнич, вающих полей. Если Выполняется соотношение Bm B , то между амплитудами переменного магнитного поля и механических колебаний существует линейная зависимость.

Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в намагниченной магнитно-поляризованной среде по своему внешнему проявлению аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому их иногда называют пьезомагнитными. Широкое применение в магнитострикционных устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами, магнитострикционные свойства которых также выражены довольно сильно, магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ.

Благодаря высокому удельному сопротивлению в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. 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.

Из магнитострикционных материалов изготавливают 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. 3. 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. В табл.4 дана характеристика некоторых распространенных марок ферритов, выпускаемых в промышленном масштабе. 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.

В качестве примера на рис.4 показана конструкция составного сердечника закрытого броневого типа. Он состоит из двух одинаковых чашек и стержня-подстроечника, входящего в центральное отверстие. Перемещением подстроечника можно регулировать индуктивность катушки. Марка н tg н 106 при f, МГц max Hc, A м Br, Тл fкр, МГц fгр, МГц Тк, С не ниже , Омм Примечание 20000НМ 15000 25 0,01 35000 0,24 0,11 0,01 0,1 110 0,001 6000НМ 4800-8000 40 0,02 10000 8 0,11 0,02 0,5 130 0,1 Общее 1000НМ 800-1200 15 0,1 1800 28 0,11 1,0 5 200 0.5 1000НН 800-1200 85 0,1 3000 24 0,1 0,4 3 110 10 600НН 500-800 25 0,1 1500 40 0,12 1,2 5 110 100 2000НМ1 1700-2500 15 0,1 3500 25 0,12 0,5 1,5 200 5 Термостабильн. 700НМ1 550-850 8 3 1800 25 0,05 5 8 200 4 для аппаратуры 100ВЧ 80-120 135 18 280 300 0,15 35 80 400 105 с повыш. требо- 20ВЧ2 16-24 280 30 45 1000 0,1 120 300 450 106 ваниями 300НН 280-350 170 4 600 80 0,13 5 20 120 106 Для конт. перес. 9ВЧ 9-13 850 150 30 1500 0,06 250 600 500 107 подмагничиван. 200ВЧ 180-220 90 10 360 70 0,11 20 - 360 103 Для широкопо- 50ВЧ3 45-65 120 30 200 100 0,14 85 - 480 104 лосных трансф.

Табл.4 Свойства некоторых ферритов.

Рис.5 Конструкция броневого ферритового сердечника.

Рис.6 Общий вид магнитной видеоголовки указаны приблизительные размеры в мм Монокристаллы магнитомягких ферритов находят довольно широкое применение при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения звукового и видеодиапазонов в магнитофонах. По сравнениюс 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. Конструкция головки для магнитной записи показана на рис.5. Сердечник головки состоит из двух половин, склеенных стеклом, между которыми создается рабочий зазор 0,5-0,7 мкм. Такие сердечники изготавливают из монокристаллов марганец-цинковых ферритов, выращиваемых газоплазменным методом Вернейля. 3.1 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 первоначаль.