МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАГИИТОДИЭЛЕКТРИКИ

Магиитодиэлектрики 15—20 лет тому назад были единствен­ными высокочастотными магнитными материалами. В связи с по­явлением ферритов их значение уменьшилось, однако они нахо­дят применение и сейчас. Это объясняется некоторыми их преиму­ществами перед ферритами в первую очередь более высокой стабильностью свойств. Кроме того, особенности технологии про­изводства магнитодиэлектриков, соответствующей технологии пластмасс, позволяют получать изделия значительно более высо­ких классов точности и чистоты, чем при керамической техноло­гии получения ферритов.

Ранее было сказано, что магиитодиэлектрики представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой їв электрическом отношении изо­лирующими пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Магнитные свойства магнитодиэлектриков в значительной сте­пени определяются особенностями намагничивания совокупности отдельных ферромагнитных частиц, следовательно, их размеров и формы, взаимного расположения, соотношения между коли­чествами ферромагнетика и диэлектрика. Магнитные свойства исходного вещества влияют на параметры магнитодиэлектрика сравнительно мало.

Магнитную проницаемость магнитодиэлектрика р/ можно вы­числить по формуле * [Л. 8]:

Где р — проницаемость исходного вещества;

V — относительный объем, занимаемый изолирующей мас­сой [45].

Из формулы следует, что, чем больше ц и V, тем в меньшей степени сказываются магнитные свойства исходного вещества на величине проницаемости магнитодиэлектрика. Для промышлен­ных типов магнитодиэлектриков изменение проницаемости ис­ходного ферромагнетика в десятки раз вызывает незначительное изменение ц'. Отсюда также видно, что 'нестабильность величи­ны р лишь в малой степени влияет :на р', т. е. магнитодиэлектри - кам свойственна значительно большая стабильность свойств, чем •исходным ферромагнитным вещества4м.

Обычно матнитодиэлектрики работают в сравнительно не­больших внешних полях Не. Поле же Hit действующее в каждой частице ферромагнетика, меньше Не, так как

НІ = Не — Но,

Где Но—напряженность размагничивающего поля (см. форму­лу 33). Следовательно, при формулировании требований, предъ­являемых к магнитодиэлектрикам, и анализе их работы можно ограничиться рассмотрением действия слабых полей (областью Релея).

Для начальной части кривой намагничивания закон Релея вы­глядит следующим образом:

Я = ^tf+vtf2, (48)

Где ра' — начальная магнитная проницаемость магнитодиэлект­рика; v — постоянная. Из выражения (48) следует линейная зависимость магнитной проницаемости р' магнитодиэлектрика от поля:

[/=[.;+ vtf, (49)

Или

(і' = [Аа (1 —|— а-Н), (50)

А =

Где

(51)

Ра

Коэффициент, являющийся постоянной магнитодиэлектрика и ха­рактеризующий стабильность проницаемости при изменении на­пряженности поля. Желательно, чтобы коэффициент а был как можно ближе к нулю (чтобы разница между ц' и ц/ была наи­меньшей) .

Зависимость магнитной проницаемости магнитодиэлектрика в небольшом интервале изменения температуры также выражает­ся линейным законом

K^Ml + P^-ML (52)

Где Рц' (ТКу.1)—температурный 'коэффициент магнитной прони­цаемости магнитодиэлектрика (см. формулу 44). Желательно р р/ иметь как можно меньше.

Потери в магнитодиэлектриках, так же как и потери в ферри­тах (см. § 13), оценивают величиной общего тангенса угла по­терь tg б (или приведенного тангенса угла потерь tg8/n'a). Как было показано в § 13, в области Релея

TgS = 8ft//+S// + 8n.

Коэффициенты потерь 6ft, б/, бп определяют по сопротивлени­ям потерь /ft, гf, гп эквивалентной схемы катушки с сердечником, включенной в цепь переменного тока.

Эквивалентная схема представляет собой последовательное соединение индуктивности L с сопротивлением г, равным сумме сопротивлений /"л, rf, гп, и сопротивления постоянному току г0. Сумму (rh+rf+rn) называют сопротивлением потерь в сердеч­нике гс.

Общий тангенс угла потерь и его составляющие можно выра­зить через сопротивления потерь следующим образом:

Bf~ 2 *pL

Ъ Гп

(54)

[11гц]; (55)

(56)

2nfL

Экспериментально можно определить только суммарные по­тери б (гс). Однако, измерив их для нескольких частот и напря - женностей поля, можно произвести разделение потерь, т. е. вычис­лить величины бн (г/i), б/ (rf) и бц (Гц) (см. § 32). Знание величин составляющих потерь позволяет найти способы уменьшения сум­марных потерь.

Особое значение для некоторых видов аппаратуры имеет уменьшение потерь на гистерезис, которые определяют величину нелинейных искажений, вносимых - магнитодиэлектриком. Зави­симость клирфактора

Js Vut+ul+...

От бh имеет следующий вид:

Л'ф ~ 0,628ft//. (57)

Основными требованиями, предъявляемыми к исходному фер­ромагнетику для производства магнитодиэлектриков, являются:

Возможность получения малых частиц, желательно опре­деленной (сферической или чешуйчатой) формы;

Большое удельное электросопротивление;

Малые потери, прежде ївсего на гистерезис, для отдельных частиц в слабых полях.

В настоящее время наибольшее применение имеют магнито- диэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа.

Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Основные свойст­ва альсифера были рассмотрены в § 11. Для магнитодиэлектри­ков применяют сплавы с содержанием 9—11% кремния и 6—8% алюминия. В данном случае, как было указано выше, нет необ­ходимости путем строгого выдерживания состава стремиться к получению наибольшего значения магнитной проницаемости. Значения коэффициентов потерь на гистерезис и последействие минимальны при содержании кремния в пределах 9,4—10,2% (при 7,5% А1) и алюминия в пределах 7,2—8,0% (при 10% Si).

Важная особенность альсифера состоит в том, что его темпе­ратурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимо­сти от содержания кремния и алюминия может быть меньше, больше или равен нулю. Альсифер является дешевым и недефи­цитным материалом. Все это обеспечило ему широкое примене­ние в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Технологический процесс производства магнитодиэлектриков на основе альсифера в основном состоит в следующем:

Литье сплава в высокочастотной печи, охлаждение отли­вок в воде для придания сплаву большей хрупкости, размол в шаровых или вибромельницах, раосев и отжиг для снятия накле­па при температуре 950—980° С в вакууме.

Приготовление изолирующего состава. В настоящее вре­мя для этой цели применяют как органические изоляционные ма­териалы (бакелит, полистирол, шеллак), так и неорганические (жидкое стекло, стеклоэмали и др.). Используются также изоли­рующие свойства оксидных пленок, образующиеся на поверхно­сти ферромагнитных частиц. Изоляция между частицами должна обладать высокими диэлектрическими свойствами и плотно свя­зываться с частицами ферромагнетика, образуя сплошную без разрывов пленку. Для выполнения последнего условия необходи­мо, чтобы поверхность изоляционной пленки на частицах обеспе­чивала бы максимальную подвижность порошка при прессовании. С этой целью в порошок часто вводят тальк, парафин или неко­торые другие вещества.

Часто применяется связка в виде механической смеси жид­кого стекла, талька и хромового ангидрида. Связка вводится в порошок альсифера, и смесь перемешивается и подогревается для удаления воды, содержащейся в связке.

3. Прессовка сердечников в прессформах из высококачествен­ной стали на гидравлических прессах при сравнительно высоких давлениях, равных 14—20 Т/см2 (формование ферритовых изде­лий производят обычно при давлениях в 1—2 Т/см2). Чем больше давление, тем выше начальная проницаемость.

Спрессованные детали для снятия наклепа от прессования подвергают отжигу в камерной печи при температуре 780° С с выдержкой около 40 мин и охлаждением на воздухе.

После термической обработки сердечники кипятят в воде для удаления жидкого стекла и остатков хромового ангидрида, пос­ле чего их высушивают в термостате и производят старение для стабилизации свойств во времени в течение 48 ч при 140— 160° С.

Изготовленные таким образом сердечники гигроскопичны, по­этому их пропитывают бакелитовым лаком и смолу полимеризу - ют при 120° С в течение 2—3 ч.

Описанный процесс производства альсиферовых сердечников является только одним из возможных. В зависимости от марки магнитодиэлектрика меняется количество вводимой связки (4— 8% по объему для магнитодиэлектриков с начальной проницае­мостью свыше 40 и до 50% для. низкопроницаемых магнитоди­электриков), состав связки, крупность зерен (Ю-1—10~4 см в по­перечнике), давление при прессовании.

Основные параметры колец из альсифера различных марок для аппаратуры проводной связи и для радиоаппаратуры (ГОСТ 8763—58) приведены соответственно в табл. 16 и 17.

Буквы в названии типа кольца обозначают: ТЧ — тональная частота; ТЧК— тональная частота с компенсированным темпе­ратурным коэффициентом магнитной проницаемости; ВЧ — вы­сокая частота; ВЧК—высокая частота с компенсированным тем­пературным коэффициентом магнитной проницаемости; П и Р — определяет соответственно назначение колец: для «проводной» или «радиоаппаратуры».

Кольца имеют размеры: наружный диаметр от 15 до 75 мм, внутренний диаметр от 7 до 46 мм\ высоту от 4,8 до 16,8 мм.

Отметим особенности технологии производства магнитоди­электриков с компенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости. Сплавы с близким к нулю Г/С^ полу­чают в результате смешивания в определенной пропорции альси - феров двух составов: с положительным (сплав А-11) и отрица­тельным (сплав А-10,2) температурным коэффициентом магнит-

Таблица 16

Основные параметры колец из альсифера для аппаратуры проводной связи (ГОСТ 8763—58)

Ных требований к температурной стабильности сердечника, что объясняется повышенной стоимостью и дефицитностью таких сердечников.

Магиитодиэлектрики на основе карбонильного железа, В § 9

Было указано, что карбонильное железо может быть получено в виде порошка с частицами сфероидальной формы. Тонина по­рошка зависит от условий термического разложения пентакарбо - нила железа и увеличивается с возрастанием температуры. Для изготовления магнитодиэлектриков обычно применяются порош­ки с частицами 1—25 мк.

Чем выше рабочая частота, тем меньшие по размеру частицы карбонильного железа должен иметь магнитодиэлектрик и тем меньше будет его магнитная проницаемость. Карбонильное же­лезо содержит большое количество примесей (до 1 —1,5% угле­рода и 0,2—0,8% кислорода), которые также снижают магнит-

Таблица 17

Основные параметры колец из альсифера для радиоаппаратуры (ГОСТ 8763—58)

Ную проницаемость. Уменьшение проницаемости сопровождает­ся уменьшением потерь на гистерезис и повышением стабильно­сти магнитодиэлектрика.

JI. И. Рабкин дает - следующее объяснение этому явлению {Л. 7]. Чем ниже проницаемость, тем большее значение в процес­се намагничивания играют процессы вращения, которые требуют в слабых полях, по сравнению с процессом смещения границ, меньших затрат энергии.

Дальнейшее снижение проницаемости и уменьшение потерь сердечников из карбонильного железа достигается тем, что про­цесс разложения пентакарбонила железа ведут - в среде азота. Полученное таким образом азотированное железо содержит не­сколько десятых процентов азота.

Для магнитодиэлектриков с низкой ра и малыми коэффициен­тами потерь целесообразно применение именно азотированного железа. Сердечники из азотированного железа имеют на высоких частотах значительно меньшие потери, чем сердечники из альси - фера. Некоторые параметры магнитодиэлектриков на основе азо­тированного карбонильного железа приведены в табл. 18.

Таблица 18

Параметры магнитодиэлектриков на основе карбонильного железа [Л. 1]

Технологический процесс производства сердечников из по­рошка карбонильного железа состоит в изолировании порошка, прессовании деталей и их низкотемпературной термической обра­ботке для придания механической прочности и стабилизации свойств. Подробно эти вопросы рассмотрены, например, в [JI. 7].

Из карбонильного железа изготовляют кольцевые, броневые и цилиндрические сердечники.

Кроме имеющих наибольшее применение групп магнитоди­электриков на основе альсифер а и карбонильного железа, извест­ны и некоторые другие магиитодиэлектрики, например на основе нелегированных и легированных пермаллоев.

Для производства магнитодиэлектриков на основе пермалло­ев в основном используются порошки из молибденового пермал­лоя. Эта группа магнитодиэлектриков отличается значительно более высокой проницаемостью (особенно с частичками чешуй­чатой формы), одновременно и большими потерями, чем магии­тодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа. В СССР магиитодиэлектрики на основе порошков из пермаллоя в промышленном масштабе не производятся, поэтому они здесь не рассматриваются [46].