С изобретения телефона, а точнее с практического применения переменного электрического тока начинается история современных магнитомягких материалов. Изучались способы ограничения возрастающего затухания телефонных токов при увеличении дальности телефонной связи.

Использовать катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска предложил Хевисайд в 1893 году. Они должны были ограничить возрастающее затухание на линии.

Основные требования к магнитомягким материалам для техники связи были определены в течение 1893-1900 гг. - малые потери, высокая магнитная проницаемость, малое искажение передаваемых токов и напряжений. Требования к магнитомягким материалам еще более возросли в связи с изобретением асинхронной машины и развитием однофазной и многофазной систем переменного тока. Требования стали заключаться в больших значениях индукции насыщения, малых потерях на гистерезис и вихревых токов, а также меньших старений, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали.

Хорошее воздействие присадки кремния на магнитные свойства чистого железа было обнаружено в конце прошлого века. При этом примерно в 3 раза сократились удельные потери листовой стали. В следствие этого, низкоуглеродистая сталь в производстве магнитных материалов для электротехники стала заменяться на кремнистую.

Новым трамплином к поискам легирующих элементов, которые, наоборот, увеличивали бы индукцию насыщения послужило снижение индукции насыщения при введении кремния. В 1921 г Elmen, открыл и описал магнитные материалы, которые образуют большую группу пермаллойных сплавов на железо-никелевой основе. Ему хотелось обнаружить сплав с высокой магнитной индукцией, но обойдясь без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение индукции насыщения он сам же и открыл.

Первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле также относится к этому периоду. Следующий пермаллойный сплав - му-металл, был создан в 1927 г. в Германии. Он долго являлся материалом с самой большой проницаемостью. С этого периода начинается довольно успешная и интенсивная работа над повышением качества металлических магнитных материалов. Долгое время для высокочастотных цепей в сердечниках применялся феррокарт (сочетание из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки). Позднее был изготовлен железный порошок с величиной частиц от 1 до 10 мкм из пентакарбонила железа в 1928 г в Германии. Он применялся для изготовления карбонильных сердечников, часто применяемых в виде колец и стержней. В 1930 г, в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя. По свойствам он превосходил карбонильные сердечники. Но из-за дефицитности сырья такие сердечники могла производить не каждая страна. Из-за этого в других странах усиленно разрабатывались из доступного сырья материалы для сердечников.

В Японии в 1935 году Х.Масумото нашел такой материал, который стал известен под названием альсифер. Это сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Чтобы выполнить новые высокие требования электротехники нужны новые виды магнитных материалов. Практически исчерпали свои возможности экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 50-60 лет назад. Были использованы самые лучшие из простых, двойных и более сложных сплавов. В связи с развитием технологических процессов, вошли в применение плавка и обжиг. При термомагнитной обработке материалы получили новые свойства, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения индукции насыщения кремнистой стали.

Большое внимание на данный момент уделяется ферритам. Лаборатория фирмы Philips в 1936 году начала научные исследования. Полученные в прошлые 70 лет практический опыт и теоретические знания в области ферромагнетизма, дали возможность вести работу по исследованию ферритов и технологии их производства совершенно по-другому.

Свое происхождение ферриты ведут от магнитного железняка - естественного постоянного магнита, который был известен на протяжении всей культурной истории человечества. Магнитный железняк благодаря своей малой электропроводности, а следовательно, малым потерям в переменных магнитных полях и казался пригодным для применения, несмотря на это, в начале развития техники связи отыскивали новые виды магнитных материалов искусственного состава. Однако совсем не пригодны для технического применения его магнитные свойства в природном виде.

Идея применения магнитного железняка была отодвинута почти на 30 лет,, чтобы понять, почему это было сделано рассмотрим прежние взгляды и их использование при разработке новых видов магнитных материалов. Практически все природные явления, которые не могли объяснить в т.ч. и ферромагнетизм, объясняли раньше проявлением "флюидов". В начале XVII в. такое объяснение магнитных явлений давал В.Гильберт.

А.Ампер в 1822 г под влиянием открытия магнитного действия электрического тока, сделанного в 1820 г Эрстедом, для объяснения причины магнетизма предложил теорию молекулярных токов. Но он не мог объяснить, почему не происходит нагревания магнитного материала молекулярными токами и где возникает напряжение, вызывающее эти токи. В результате теория потеряла значение. Ewing подтверждает представления Вебера о молекулярных магнитах в конце XIX в., о том, что каждая отдельная молекула и каждый атом имеют собственные магнитные поля. Он построил модель из большого числа магнитных стрелок, размещенных в пространстве и легко вращающихся вокруг своей оси, на ней можно было снять данные кривой намагничивания. Это послужило подтверждением связи молекулярных магнитов с магнетизмом. Взаимное влияние магнитных стрелок наблюдалось при намагничивании модели. Также он высказывал возможность взаимодействия молекулярных магнитов.

Теорию Вебера продолжили развивать F.Bitter и P.Weiss. По их мнению группы большого числа атомов образуют домены (области), согласно ориентированным атомам, размером нескольких микронов. Это прямая аналогия магнитных стрелок Ewing'а. Домены полностью самопроизвольно намагничены до полного насыщения. Оно стационарно.. Самопроизвольная намагниченность и напряженность магнитного поля для каждого вида магнитного материала разные. При такой намагниченности домены взаимодействуют между собой так, что изменяется направление вектора спонтанной намагниченности, т. е., чем больше спонтанная намагниченность, тем больше индукция насыщения материала. Для перевода векторов намагничивания доменов из хаотического неупорядоченного состояния в положение, когда они совпадают с направлением этого поля необходима тем меньшая напряженность поля, чем легче осуществляется действие внешнего поля на домены, в итоге, тем больше будет магнитная проницаемость материала, величина, служащая выражением пропорциональности между индукцией и напряженностью поля.

Основываясь на этом, можно хорошо понять современные взгляды на процесс намагничивания магнитных материалов, изображенный на рис. 1. Домены ориентированы полностью хаотически в ненамагниченном материале. Вне материала не ощущается магнитного эффекта, по причине того, что отдельные домены образуют друг с другом замкнутые магнитные цепи. За счет доменов с менее выгодной ориентацией, при воздействии небольшого внешнего поля, домены с более выгодной ориентацией относительно направления внешнего магнитного поля увеличивают свои размеры. Направление, при котором ориентированные домены имеют минимальную энергию называется выгодным, легким направлением намагничивания. Т. е., это направление, при котором домены под влиянием внутреннего размещения атомов в кристаллах, внешних и внутренних механических сил и направляющего действия внешнего магнитного поля имеют минимальное взаимодействие. На этой стадии намагничивания домены меняют свои размеры, это происходит смещением их взаимных границ. Название граничной зоны - стенка Блоха, по имени открывшего это явление F.Bloch. При исчезновении внешнего магнитного поля наступает обратное распадение доменов, т. е. эти изменения обратимы.

Рост доменов путем смещения стенок при дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля до определенного значения происходит скачком. У поликристаллических материалов в этой фазе при изменении магнитного поля

Рис.1 Стадии цикла намагничивания ( Формы петель гистерезиса при различных напряженностях максимального поля). Справа показаны границы доменов и направление векторов их спонтанного намагничивания в том же месте образца в различных стадиях намагничивания.

1-направление внешнего поля; 2-область вращения стенок; 3-область необратимых смещений стенок; 4-область обратимых смещений стенок; 5-размагниченный образец.

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников ( кремний, германий, соединения А3В5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10 ⁶ ), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие .В отдельную группу выделяют материалы специального назначения .

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Н _с . Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов , магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Н _с < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н _с > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства.

Рис.2 Классификация магнитных материалов

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

Основными компонентами монолитных металлических магнитомягких материалов является железо с низким содержанием углерода, никель или кобальт. Для цепей техники связи важнейшими из этой группы материалов являются:

а) сплавы и стали с гарантированной малой коэрцитивной силой;

б) листовая сталь с гарантированными потерями при высоких значениях магнитной

индукции;

в) сплавы с гарантированной индукцией насыщения;

г) сплавы и стали с гарантированной высокой проницаемостью;

д) материалы со специальнымы свойствами.

Материалы первой подгруппы предназначены, например, для реле. К ним относятся сталь с минимальным содержанием углерода, низколегированная кремнистая сталь и сплавы железа с никелем.

Вторую подгруппу материалов образует кремнистая сталь, применяемая для сердечников сетевых трансформаторов.

Материалы третьей подгруппы включают в себя сплавы железа с кобальтом.

Материалами с гарантированной проницаемостью являются низкоуглеродистые стали с присадкой 3-4,5% кремния и сплавы на основе никеля.

К подгруппе специальных материалов относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, магнитострикционные материалы и т.п.

2.Порошковые металлические материалы .

Применение порошковых материалов, т.е. так называемых магнитодиэлектриков, основывается на технических и экономических соображениях. Магнитодиэлектрические сердечники имеют некоторые свойства, которых нельзя достичь у материалов первой группы. Они пригодны для высокочастотной техники. Прокатка листовых материалов толщиной менее 0,05 мм обходится очень дорого, а при толщине 0,03 мм цена таких материалов превышает цену золота.

Для уменьшения потерь на вихревые токи и увеличения стабильности магнитных свойств применяются порошковые магнитные материалы. Увеличение удельного электрического сопротивления достигается здесь изоляцией магнитных зерен друг от друга. Окончательная форма придается изделию прессованием. К этой группе относятся:

а) магнитодиэлектрические сердечники;

б) материалы со специальными свойствами.

В зависимости от исходного сырья магнитодиэлектрические сердечники делятся на сердечники из железных порошковых материалов и сердечники из легированного железа. Основу железных порошковых материалов составляет железо, получаемое обычно карбонильным способом. Легированные материалы представляют собой сплавы железа, и алюминия (альсифер) и сплавы железа и никеля или железа, никеля и молибдена (пермаллой и молибденовый пермаллой).

К специальным порошковым металлическим материалам относятся, например, магнитный порошок для магнитофоной ленты и других магнитных носителей информации.

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe ₂ O ₄ , где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl ₂ O ₄ . Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO*ZnO x 2Fe ₂ O ₃ - марганцево-цинковый феррит;

Nio*ZnO x 2Fe ₂ O ₃ - никель-цинковый феррит;

MgO*MnO*2Fe ₂ O ₃ - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-10 ⁹ Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле,сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe ₂ O ₃ с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe ₂ O ₄ , где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа МеFe ₂ O ₄ , т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междуузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междуузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест ( позиции типа В).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междуузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междуузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде:

(Мe ²⁺ )[Fe ³⁺ Fe ³⁺ ]O ₄

где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных - ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (ZnFe ₂ O ₄ ) и кадмия (CdFe ₂ O ₄ ). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели немагнитны.

Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междуузлиям. Структура, в которой катионы Ме ²⁺ находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде:

(Fe ³⁺ )[Me ²⁺ Fe ³⁺ ]O ₄

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых других элементов.

Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распределением катионов, когда и ионы Ме ²⁺ , и ионы трехвалентного железа Fe ³⁺ занимают позиции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточному распределению катионов соответствует структурная формула

(Me ²⁺ _1-x Fe ³⁺ _x )[Me ²⁺ _x Fe ³⁺ _1-x ]O ₄

где параметр х характеризует степень обращенности шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения х, равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся достаточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказывается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не перекрываются.

Основные требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.

Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабыз полях) и коэрцитивная сила.

Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения ( около 2,2 Тл).

Особо чистое железо (электролитическое, карбонильное), содержащее малое количество примесей (менее 0,05%), получают двумя сложными способами.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом - пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению

Fe(CO) ₅ = Fe + 5CO

Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200 ° С 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.

Табл.1 Некоторые свойства магнитомягких ферромагнитных материалов.

Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Обычное техническичистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08-0,1%

Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO ₂ . Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.

При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000 ° С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.

2.2. Магнитомягкие высокочастотные материалы

Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их 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 холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30-25 мкм, а пермаллой, как мееханически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2-3 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких магнитных 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.

2.3. Ферриты.

Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10 ³ -10 ¹³ раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Табл. 2 Группы и марки магнитомягких ферритов.

Высокопроницаемые ферриты. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe ₂ O ₄ или MnFe2O4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe ₂ O ₄ ) - немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств от состава в подобных системах представлены на рис.2 и 3. Чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междуузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Состав твердого раствора с учетом распределения

(Zn ²⁺ _x Fe ³⁺ _1-x )[Ni ²⁺ _1-x Fe ³⁺ _1+x ]O ₄

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках. Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические позиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации магнитных моментов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возникает очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и В _s ) твердого раствора (рис.2). Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Т _к ) при увеличении мольной доли ZnFe ₂ O ₄ в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.

Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т.е. возрастает начальная магнитная проницаемость. Наглядное представление о зависимости начальной магнитной проницаемости от состава твердой фазы дает рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe ₂ O ₃ , 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ с х » 0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 можно сделать вывод, что ферриты с высокой начальной магнитной проницаемостью должны обладать невысокой температурой Кюри. Аналогичные закономерности наблюдаются для марганец-цинковых ферритов.

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 Mn ³⁺ , образующихся при определенных условиях синтеза.

При использовании ферритов следует учитывать изменение их свойств от температуры. Так, при возрастании температуры от -20 до +60 ° С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5-2 раза, остаточная индукция - на 15-30%, коэффициент прямоугольности - на 5-35%.

Табл.4 Свойства некоторых ферритов.

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.

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.

Табл.5 Применение ферритовых сердечников, обеспечивающих достижение добротности не менее 100.

1 - телеграф 2 - телефон 3 - телефонная несущая 4 - звукозапись

Радио, радиолокация: 5 - ДВ 6 - СВ 7 - КВ1 8 - КВ2 9 - УКВ 10 - СВЧ .

Успехи в развитии магнитомягких материалов в 60-е годы содействовали быстрому развитию математических машин и позволили осуществить новые конструкции электронных телефонных станций. Элементы, в которых эти материалы используются совместно с полупроводниковыми диодами или транзисторами, почти вытеснили менее надежные, имеющие большие габариты и менее экономичные детали, какими являются электронные лампы и реле. При проектированиикрупных машин для обработки информации нельзя обойтись без этих элементов.

Для указанных устройств обычно применяются металлические и ферритовые магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. В некоторых запоминающих цепях, кроме этих материалов, применяются и другие.

Толчок развитию запоминающих устройств на основе магнитных материалов дали постоянно повышающиеся к ЭВМ. По принципу действия элементы запоминающих устройств делятся на две группы. Первые требуют постоянного обновления поступающей информации. Так работают запоминающие устройства, основанные на принципе линии задержки. Вторые длительно сохраняют записанную информацию. У магнитных запоминающих устройств этой группы носителем информации является остаточная индукция магнитного материала. Эти устройства также делятся на два типа. У первого магнитный материал перемещается относительно катушки, применяемой для записи или чтения. Информацию можно получить только в определенный момент, а именно тогда, когда запись проходит как раз под считывающей катушкой. У второго типа, т.е. статических устройств магнитной памяти и других подобных им усройств, запись и чтение производятся перемагничиванием неподвижного ферромагнитного материала. Информацию можно получить в любой момент времени. Запоминающие устройства осуществляют запись информации с помощью двух возможных состояний запоминающего элемента, чаще всего обозначаемых индексами 0 и 1.

Магнитные переключающиеся цепи всегда имеют электрический выход, т.е. обмотку из провода с определенным сопротивлением. Переключение осуществляется изменением индуктивности или же изменением взаимосвязи у трансформатора, а поэтому может применяться только при переменном или импульсном напряжении и непригодно для постоянного тока.

Чтобы обосновать требования к магнитным материалам этих цепей, опишем кратко работу матричного магнитного запоминающего устройства, матричного переключающего устройства и устройства магнитной памяти, основанного на принципе односердечникового магнитного усилителя, где чаще всего применяются ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

Запись информации в статические устролйства магнитной памяти заключается в перемагничивании тороидального сердечника из одного состояния в обратное. Два возможных состояния запоминающего элемента требуют представления информвции в бинарном (двоичном) виде, а поэтому необходимо значительное количество сердечников. Металлические сердечники дороги и имеют большие размеры, а поэтому развитие запоминающих устройств большой емкости стало возможно лишь после появления ферритов с ППГ. Рассмотрим принцип действия устройства на одном сердечнике (рис. 6). Через записывающую обмотку А проходит положительный токовый импульс, который намагничивает сердечник до насыщения. После исчезновения импульса сердечник будет находиться в состоянии индукции В _r , что соответствует записи 1. Состоянию 0 соответствует намагничивание в обратном направлении. Если теперь через обмотку В пройдет другой импульс отрицательной полярности, то сердечник перемагничивается из состояния 1 в состояние 0 и в выходной обмотке С индуцируется импульс напряжения. Если сердечник намагничен в отрицательном направлении, т.е. находится в состоянии 0, то считывающий импульс в обмотке В не вызовет перемагничивания сердечника.

Рис.7 Чтение и запись на магнитный сердечник

Рис.8 Матричное запоминающее устройство

Рис.9 Магнитный матричный переключатель

Ее выгоды особенно отчетливы при большом числе переключающихся цепей. Такая переключающаяся схема заменяет большое число электронных ламп и требует меньше места и энергии. Пример переключающейся схемы приведен на рис.9. Сердечники, образующие матрицу, имеют обмотки Х и Y с несколькими витками. Кроме того, на каждом из них есть выходная обмотка. В исходном состоянии через обмотки одной линии проходит ток, в 2 раза больший тока, необходимого для насыщения. В поперечной обмотке тока нет. Если выбранный сердечник должен дать на выходе импульс, то ток в проводе Y прерывается, а в провод Х подается достаточно сильный токовый импульс. В результате происходит перемагничивание сердечника, находящегося на пересечении проводов Х и Y. Другие схемы переключающихся устройств используют постоянное подмагничивание всех сердечников другой обмотки; выходной импульс вызывается совпадением токов в проводах Х и Y. Выходы переключающейся схемы подходят к отдельным обмоткам матричного запоминающего устройства. Как и у запоминающих устройств, здесь необходимо ограничить влияние

Рис.10 Схема магнитного усилителя с одним сердечником.

Рис.11 Схема цепи логического перемножения

Логические цепи могут быть составлены также из обычных магнитных усилителей с обратной связью. Такая схема при данной частоте питающего напряжения более медленная. Для цепей управления приводами в промышленности в большинстве случаев применяется частота 50 или 400 Гц, а в счетных машинах - до 1 МГц. Для увеличения скорости применяются логические цепи с ферритовыми сердечниками, основанные на принципе совпадения.

Требования к свойствам магнитных сердечников с ППГ, вытекающие из рассмотрения описанных устройств с их применением, можно сформулировать следующим образом:

1. Высокая индукция насыщения B _s , которая должна достигаться при малой напряженности магнитного поля. Это требование особенно важно для мощных устройств.

2. Малая коэрцитивная сила H _c , а следовательно, малая энергия, необходимая для перемагничивания сердечника.

3. Относительная остаточная индукция, выражаемая формулой b = B _r /B _m должна быть как можно ближе к единице. Эта величина непостоянна и достигает максимума при определенном значении напряженности магнитного поля, которое также должно быть как можно меньше.

4. Коэффициент прямоугольности R _s = B _{(-0,5 Hm)} /B _m должен быть как можно ближе к единице. Он определяется измерением индукции при напряженности H _m и -0,5H _m (рис). Коэффициент R _s также зависит от H _m и выражает прямоугольность точнее, чем относительная остаточная индукция, т.к. зависит от формы петли гистерезиса во II координатной четверти. Этот коэффициент применяется при использовании сердечников запоминающих устройств с записью по принципу совпадения. Типичная зависимость коэффициента прямоугольности R _s от напряженности поля H _m показана на рис.12

Рис.12 Типичная зависимость R _s от H _m

5. Малое время перемагничивания - это время, в течение которого наведенное напряжение уменьшается до 10% максимального значения.

6. Как можно большее удельное электрическое сопротивление. У металлических сердечников, кроме того, необходима достаточно малая толщина пластин. Величина удельного сопротивления и толщина пластин определяют потери на вихревые токи, а следовательно6 и максимальную рабочую частоту. Кроме того, они влияют на время перемагничивания.

Важность отдельных критериев сильно зависит от применения сердечников и различна для различных случаев. Необходимо отметить, что параметры пп 1-5 зависят как от формы токовых импульсов, так и от формы сердечника.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных

магнетиков.

При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Общая технологическая схема производства ферритов во многом аналогична схеме производства радиокерамики. Однако при получении материалов с заданными магнитными свойствами предъявляются более жесткие требования к исходному сырью в отношении его химической чистоты, степени дисперсности и химической активности. В отличие от электрорадиокерамики ферритовая керамика совершенно не содержит стекловидной фазы; все процессы массопереноса при синтезе соединения и спекания изделий происходят лишь за счет диффузии в твердой фазе.

Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительный обжиг с целью ферритизации продукта, т.е. образования феррита из окислов. Ферритизованный продукт вновь измельчают и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий. Предварительно его пластифицируют, причем в качестве пластификатора обычно используют водный раствор поливинилового спирта.

Формование изделий наиболее часто осуществляют методом прессования в стальных пресс-формах. Высокой производительностью формовки отличается также метод горячего литья под давлением. В этом случае в качестве пластифицирующего и связующего веществ применяют парафин.

Отформованные изделия подвергают спеканию при температуре 1100-1400 ° С в контролируемой газовой среде. Контроль газовой среды особенно необходим на стадии охлаждения, чтобы предотвратить выделение побочных фаз. Наибольшей чувствительностью к изменению давления кислорода характеризуются ферриты марганца и твердые растворы на их основе. В процессе спекания завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зеренную структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства керамики.

Ферритовые изделия должны строго соответствовать требуемым магнитным и электрическим свойствам, геометрической форме и размерам. При этом должны быть использованы наиболее простые технологические схемы при минимальных затратах сырья, оборудования и энергии. Выход годных изделий должен быть максимальным для выбранной технологической схемы.

В основе технологии изготовления ферритов лежат технологические приемы, свойственные производству керамических изделий и изделий порошковой металлургии. Поэтому большая часть отдельных операций технологической схемы изготовления ферритов заимствована из технологической схемы изготовления керамических изделий и изделий порошковой металлургии.

Можно выделить три наиболее распространенные технологические схемы изготовления изготовления ферритов, основанных на:

1) механическом смешивании исходных веществ в виде окислов и солей металлов в количествах, соответствующих химическому составу получаемого феррита;

2) термическом разложении соответствующих солей металлов;

3) совместном осаждении соответствующих солей металлов или их гидратов

окислов.

Технологическая схема получения ферритов на основе механического смешивания окислов и солей. Исходными веществами для изготовления ферритов по этой технологической схеме являются окислы металлов, взятые в соотношении, отвечающем химической формуле получаемого феррита. Иногда часть окислов может быть заменена углекислыми солями одноименного с окислом металла. Такая замена не оказывает влияния на характер отдельных операций и общая схема процесса остается неизменной. Иногда эту технологическую схему называют окисной или керамической.

Кратко охарактеризуем каждую из операций технологической схемы. Анализ исходных окислов и солей производится для определения их физико-химических характеристик: качественного и количественного содержания примесей, величины и формы частиц порошкообразных окислов и солей, активности компонентов.

Рис.13 Основные технологические схемы изготовления ферритов.

Для получения заданного феррита исходная смесь должна содержать определенные количества составляющих ее окислов и солей. Для этого производят расчет весовых значений окислов и солей и их взвешивание.

Для получения однородной по химическому составу и размеру частиц смеси взвешенные в необходимых пропорциях исходные окислы и соли перемешивают и размалывают механическим путем. Помол и перемешивание смеси производят в виде сухих порошков (сухой помол), либо в какой-нибудь жидкости (мокрый помол).

При мокром помоле после окончания операции полученную смесь подвергают сушке до полного удаления влаги.

После перемешивания и помола смесь (иногда ее называют шихтой) брикетируют и гранулируют. Цель этих операций - придать шихте более компактную форму ( в виде цилиндрических брикетов, сферических гранул, таблеток) и обеспечить более полное, качественное протекание реакций, которые происходят на последующей стадии технологического процесса - стадии предварительного обжига.

Брикеты, гранулы или просто порошок, прошедшие операцию предварительного обжига, поступают на вторичный помол и перемешивание. Цель этой операции в общем та же, что и первого перемешивания и помола. Однако в этом случае процесс помола должен преобладать над процессом перемешивания, т.к. плотность и размер шихты после предварительного обжига значительно больше, чем в случае исходных окислов и солей.

Сушка шихты после вторичного помола и перемешивания (если эта технологическая операция производилась в какой-либо жидкости) аналогична сушке смеси после смешивания и помола исходных порошков.

Операция формования служит для придания полуфабрикату изделия необходимой формы. Для улучшения формования приготовляют пресспорошок (для шликерного литья - шликеры) - смесь порошка ферритовой шихты и связующих веществ, способствующих получению пластических свойств. Для этого в порошок вводят различные связки, способствующие сцеплению отдельных частиц и позволяющие формовать изделия достаточно прочные для проведения последующих операций.

Отформованные изделия проходят высокотемпературное спекание. Цель этой операции - получение ферритовых элементов с определенными магнитными и электрическими параметрами.

Спеченые изделия (ферриты) подвергают контролю , в т.ч. по внешнему виду (на отсутствие трещин, раковин, и т.д.); по геометрическим размерам (на соответствие чертежу); определению магнитных, электрических и физико-механических характеристик (на соответствие техническим условиям). По результатам контроля изделия разделяют на годные и бракованные.

Технологическая схема, основанная на термическом разложении солей. Эта технологическая схема имеет много общих операций с предыдущей. Отметим лишь те операции, которые ее отличают.

Термическое разложение солей связано с тем, что в качестве исходных веществ применяют растворимые сернокислые, азотнокислые, солянокислые соли металлов, соответствующих составу ферритов. Каждую соль грубо измельчают до размера частиц 1-2 мм и перемешивают. Затем соли помещают в соответствующий сосуд вместе с водой (в соответствии 1л воды на каждые 5 кг соли), нагревают смесь до кипения и после полного испарения воды подвергают окончательному обезвоживанию с целью удаления кристаллизационной воды путем дальнейшего нагрева смеси солей до 300 ° С. Процесс обезвоживания достаточно продолжителен (до 24 ч в зависимости от природы используемых солей). Следующей операцией является термическое разложение солей - прокаливание смеси при 900-1000 ° С в керамических сосудах (тиглях) до полного удаления газов - продуктов разложения. Длительность этой операции - 3-5 ч.

Ферриты получают при высокотемпературной обработке смеси окислов, вступающих между собой в реакцию в твердой фазе. Происходящая при этом взаимная диффузия ионов металлов приводит к образованию соединений типа МеFe ₂ O ₄ или боле сложных типов в зависимости от природы феррита. Для взаимной диффузии ионов необходим контакт между отдельными частицами окислов (именно окислов, т.к. при разложении солей образуются также окислы, которые участвуют непосредственно в образовании феррита). Все факторы, приводящие к увеличению скорости взаимной диффузии ионов при нагревании смеси порошков, способствуют ускорению образования ферритов. К числу таких факторов относятся, например, величина частиц реагирующих веществ, взаимный контакт, и т.п.

Выпускаемые промышленностью окислы и соли, используемые для производства ферритов, различаются по их квалификации, например "Ч" - чистые, "ЧДА" - чистые для анализа, "ХЧ" - химически чистые и др. Эти окислы отличаются по степени частоты, т.е. количественному содержанию примесей. Например, никель углекислый (NiCO3), квалификации "ЧДА", выпускаемый промышленностью по ГОСТ 4466-48 содержит следующие примеси (в %): вещества, нерастворимые в соляной кислоте - 0,01; хлориды - 0,005; сульфиты - 0,01; железо - 0,001; кобальт - 0,05; цинк - 0,05; щелочные и щелочноземельные металлы (в виде сульфатов) - 0,4. В той же соли, но квалификации "Ч" содержание примесей больше. Кроме того, может измениться и качественный состав примесей.

Исходные вещества различаются также по размеру и форме частиц, удельной поверхности, активности. При этом сырье отличается по качественному содержанию примесей и содержанию влаги (влажности) как в различных партиях, так и в различных упаковках одной партии. Поэтому при производстве ферритов исходные материалы усредняют: перемешивают разные партии сырья и разные упаковки одной партии. Содержание основного вещества определяют на усредненных партиях сырья.

Реакция в твердой фазе (при нагреве порошков) протекает неодинаково в окислах, очищенных от примесей, и содержащих примеси. Установлено, что наличие некоторых примесей, как правило, способствует процессам, протекающим при реакции в твеердой фазе. Однако очень важно для каждого вида феррита определить допустимый качественный и количественный состав примесей, который позволит полусать одинаковые по характеристикам ферриты на различных партиях исходного сырья. От этого в большой степени зависят повторяемость и воспроизводимость технологического процесса получения ферритов.

Критерии оценки качества исходного сырья для производства ферритов должны быть установлены и по другим физико-химическим параметрам. До сих пор, однако, такие критерии для исходных веществ не выработаны. Поэтому возникает необходимость в подборе исходного сырья экспериментальным путем: изготовлением пробных партий ферритов из различных партий сырья и соответствующей корректировки технологических процессов.

Окись железа является основной составляющей частью всех ферритов. Ее физико-химические характеристики оказывают определяющее влияние на характеристики ферритовых элементов. Окись железа имеет три модификации: a - Fe ₂ O ₃ - парамагнитная, g и d - Fe ₂ O ₃ - обе ферромагнитные. Из них d - Fe ₂ O ₃ сохраняется лишь при низкой температуре и при нагреве до 110 ° С переходит в a - Fe ₂ O ₃ . Температурный интервал g - Fe ₂ O ₃ различен для разного состояния g - Fe ₂ O ₃ и свойств примесей. Обычно промышленная окись железа содержит смесь a - Fe ₂ O ₃ и g - Fe ₂ O ₃ , при этом наиболее активной составляющей является g - Fe ₂ O ₃ . Чем выше ее содержание, тем активнее ферритовая шихта. Поэтому при производстве ферритов важно знать соотношение этих модификаций Fe ₂ O ₃ в исходной окиси железа.

Процентное содержание их можно регулировать с помощью магнитного разделения g и a модификаций, учитывая, что g - Fe ₂ O ₃ - магнитна, а a - Fe ₂ O ₃ - немагнитна.

Активность исходной порошкообразной окиси железа зависит от формы и размера ее частиц. Наибольшей активностью обладает окись железа с "игольчатой" формой частиц, наименьшей - с "кубической". Чем мельче размер частиц порошка окиси железа, тем, как правило, выше активность. Т.к. удельная поверхность порошка обратно пропорциональна размеру его частиц, то активность окиси железа растет с увеличением удельной поверхности.

Физико-химические характеристики окиси железа (и других окислов) существенно зависят от способа получения ее из различных солей и других химических соединений.

Так, активность окиси железа, полученной из различных солей (сульфата, карбоната, оксалата, соли Мора), наибольшая у оксалата и наименьшая у сульфата.

Температура разложения солей, из которых получают исходные материалы для производства ферритов, также оказывают значительное влияние на физико-химические характеристики порошков. Так, например, разложение карбоната железа квалификации "ЧДА" при различных температурах (200, 400, 600, 800 и 100 ° С) в течение 4 часов снижает значение удельной поверхности (увеличивает средний размер частиц), получаемой Fe ₂ O ₃ . Окись железа с оптимальными свойствами, пригодными для производства ферритов получается при прокалке в интервале 400-650 ° С.

Окислы других металлов, используемые для получения ферритов, тоже имеют разлиные физико-химические характеристики, а также количественное и качественное содержание примесей. Характер влияния этих различий на свойства ферритов аналогичен влиянию окиси железа. Однако степень этого влияния меньше и зависит от относительного содержания окисла в феррите.

Таким образом, для получения ферритов с повторяющимися свойствами необходимо при выборе сырья осуществлять контроль по количественному содержанию основного вещества, качественному и количественному содержанию примесей и физико-химическим характеристикам порошков.

Многие вопросы конкретной стандартизации тех или иных параметров исходных веществ для производства ферритов еще не ясны и находятся в стадии экспериментального и теоретического изучения.

5.1. Механические испытания ферритов.

Целью механических испытаний ферритов является изучение деформаций образцов материалов при механических воздействиях и определение величины механических напряжений, вызывающих разрушение образцов . Механические свойства материалов - способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго и пластически деформироваться под действием внешних механических сил.

Измерение механических характеристик различных материалов, в т.ч. и ферритов, имеет большое практическое значение, т.к. при конструировании, сборке и эксплуатации различных аппаратов, приборов, волноводов и других устройств, детали, изготовленные из феррита, могут подвергаться механическим усилиям, хотя иногда и кратковременным, но значительным по величине.

Создание напряженного состояния во время испытаний должно по возможности соответствовать тем условиям, в которых находятся детали или образцы при эксплуатации. Поэтому испытания материалов подразделяются сообразно видам нагружения, которым подвергаются образцы в процессе использования.

Основные виды испытаний ферритов следующие: 1) статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение; 2) динамические испытания нп ударную прочность (вязкость); 3) испытания на твердость; 4) определение упругих постоянных динамическим способом.

Необходимо отметить, что при испытаниях образцов из ферритов наблюдается большой разброс результатов. Этот разброс в первую очередь объясняется различными технологическими факторами (различным давлением при прессовании, различием температуры обжига, наличием микротрещин, неоднородной зернистостью и т.п.)

Табл.6 Сводная таблица механических характеристик некоторых марок ферритов

Все возрастающее разнообразие применяемых в автоматике, телемеханике и вычислительной технике ферритовых элементов вызывают необходимость усовершенствования старых и изыскания новых методов измерений их магнитных и механических свойств. Некоторые методы являются общими для большинства ферромагнитных материалов; к ним относятся большая часть испытаний на постоянном токе. По мере же появления новых областей использования магнитных элементов увеличивается разновидность самих элементов и методов их испытаний, разрабатываются специфические измерительные устройства. Причем методы испытаний приближены к условиям работы элемента в конкретном устройстве, а параметры отражают специфику поведения ферритовых материалов в каких-либо особых условиях.

Статические характеристики ферритовых элементов определяются в постоянных и близких к постоянным полях. При испытании ферритового образца на постоянном токе происходит очень медленный переход сердечника из одного магнитного состояния в другое, и перемагничивание протекает по статической петле гистерезиса. Параметры статической петли гистерезиса определяются баллистическим, магнитометрическим методами, методом осциллографирования петли гистерезиса и импульсного считывания.

Баллистический метод. Баллистический метод успешно применяется для определения статических петель гистерезиса любых магнитных материалов. Блок-схема баллистической установки приведена на рис.14. Процесс изменения индукции при изменении внешнего намагничивающего поля (т.е. снятие петли гистерезиса) определяется по отклонению рамки баллистического гальванометра. Угол отклонения пропорционален количеству электричества, протекающего через рамку гальванометра. Зная этот угол, можно определить изменение индукции образца при данном значении напряженности, или изменение напряженности поля пи изменении коэрцитивной силы.

Рис.14 Блок-схема баллистической установки

А-амперметр, R-реостат, Р-переключатель БГ-баллистический гальванометр

W1 и W2 - намагничивающая и измерительная обмотки измеряемого образца.

Баллистический метод позволяет строить по отдельным точкам петлю гистерезиса ферромагнитных материалов при различных напряженностях внешнего магнитного поля и определять соответствующие статические параметры образцов с точностью до 1-3 %. Основными недостатками этого метода являются большая трудоемкость, невозможность непрерывного произведения измерений и автоматизации этого процесса.

Магнитометрический метод. Для определения магнитых характеристик на постоянном токе в технике широко применяется также магнитометрический метод. В его основу положен эффект воздействия исследуемого образца на стрелку магнитометра. По углу отклонения магнитной стрелки прибора измеряется магнитный момент образца. Магнитометрический метод позволяет определить основную кривую намагничивания, петлю гистерезиса, магнитный момент, магнитную восприимчивость исследуемых образцов.

Метод осциллографирования петли гистерезиса. Этот метод основан на непосредственном визуальном наблюдении петли гистерезиса на экране осциллографа. Подобного рода приборы условно разделены на ферротестеры (проводят грубую качественную оценку параметров путем сопоставления на экране петли гистерезиса испытуемого образца с эталонной) и феррографы, гистерографы, петлескопы (для количественной оценки).

Рис.15 Блок-схема установки для осциллографического наблюдения петли

гистерезиса ферритов.

R - реостат, W1 и W2 - намагничивающая и измерительная обмотки образца,

С - емкость.

При таком методе измерения статических параметров ферромагнтных образцов внешнее магнитное поле не является постоянным. Однако частота изменения поля такова, что с некоторой погрешностью создаваемое поле можно приравнивать к постоянному.

К достоинствам метода осциллографирования можно отнести оперативность оценки свойств отдельных малогабаритных сердечников путем наблюдения как частных, так и предельных петель гистерезиса.

На рис.15 приведена блок-схема установки с использованием электронного осциллографа.

Метод импульсного считывания. Метод заключается в том, что в испытываемом образце создается поочередно поток от напряженности поля постоянного тока и поток "считывания" от импульсного тока, направленный навстречу. При этом поле импульса должно быть достаточным для перемагничивания по предельной петле гистерезиса. С измерительной обмотки сигнал подается на импульсный милливольтметр.

Рис.16 Блок-схема установки для определения статических характеристик ферритов

импульсным методом.

А - амперметр, R1 - реостат, ГИТ - генератор импульсного тока, МВ -

милливольтметр, R2 - сопротивление.

ГОСТ 12635-67 "Методы испытаний в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц" и ГОСТ 12636-67 "Методы испытаний в диапазоне частот от 1 до 200 МГц" определены методы испытаний магнитомягких ферритов в импульсных полях. Также в диапазоне частот от 1 до 200 МГц измеряют, как правило, в слабых полях, следующие параметры: начальную магнитную проницаемость m _н , температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости ТК m , тангенс угла диэлектрических потерь d , а в диапазоне выше 200 МГц - параметры СВЧ, т.е. напряженность резонансного поля и ширину резонансной кривой.

Наиболее широкое применение ферриты и их изделия начиная с момента их изобретения нашли в радиоэлектронике и вычислительной технике среди других магнитомягких материалов. Более того, в большинстве случаев ферритовые изделия в большинстве случаев могут эффективно заменить изделия из других материалов, они обладают рядом уникальных физико-химических, магнитных и электрических свойств, не присущих ни одному другому материалу.

Благодаря возможности миниатюризации запоминающих устройств и устройств переключения, применение ферритовых изделий в вычислительной технике позволило значительно ускорить процесс вычислений. Хотя в области производства интегральных схем высокой степени миниатюризации был достигнут значительный прогресс и возникло связанное с этим некоторое падение интереса к ферритовым сердечникам как к устройствам памяти. Но изделия подобного рода все еще находят довольно широкое применение в устройствах управления различными процессами и контроля выпускаемых изделий в промышленности.

Но и также значительно улучшился контроль качества при производстве ферритов, благодаря прогрессу в области производства интегральных схем и производстве автоматов на их основе, что в свою очередь позволило выпускать ферритовые изделия с более точными характеристиками.

На данный момент применение ферритовых сердечников в радиоэлектронной аппаратуре в качестве сердечников катушек и основ для магнитных головок воспроизводящей и записывающей аппаратуры является широко распространенным. По своим характеристикам ферритовые сердечники не имеют аналогов. Сфера их применения находится в очень широком диапазоне приборов: от высокоточных промышленных аппаратов до любительской техники.