Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.5.8.1.

ферромагнетики (НФМ), неупорядоченные ферримагнетики (НФИМ). Послед-

ние два типа аморфных магнетиков называются также асперомагнитными и

сперимагнитными соответственно. Теория допускает также возможность не-

упорядоченного антиферромагнитного состояния. На рис. 5.8.1 схематически

представлены указанные структуры аморфных магнетиков и примеры магне-

тиков соответствующих типов. Во всех магнитных структурах аморфного

магнетика (кроме СС) существует дальний магнитный порядок.

Структуры ФМ и НФМ (рис. 5.8.1, а, г) имеют ненулевой макроскопичес-

кий спонтанный магнитный момент (МО). Их различие связано со стохастич-

ностыо и существенной неколлинеарностью структуры НФМ. Состояние СС

(рис.5.8.1,6) представляет собой систему хаотически "замороженных" в про-

странстве магнитных моментов с общим моментом М=0. Наконец, состояния

ФИМ и НФИМ (рис. 5.8.1, е, д) характерны для двухкомпонентных систем типа

сплавов переходных 3d- и 4f-металлов. НФИМ отличается неупорядоченнос-

тью и неколлинеарностью магнитнитных моментов.

301

Физические свойства аморфных магнетиков специфичны, например, пере-

вод магнетика в аморфное состояние вызывает, как правило, снижение темпе-

ратуры магнитного фазового перехода в парамагнитное состояние. Флуктуа-

ции обменных взаимодействий в случае аморфного ФМ увеличивают скорость

снижения спонтанной намагниченности при увеличении температуры. Энер-

гетический спектр элементарных магнитных возбуждений аморфного ФМ

имеет "ротонный" характер (см. Квазичастица), т. е. существует минимум

энергии при значении волнового числа, определяемом характерным размером

неоднородности структуры. Низкотемпературная "магнитная" часть теплоем-

кости некоторых редкоземельных аморфных магнетиков линейно зависит от

температуры. При идеальной изотропии аморфного вещества макроскопичес-

кая магнитная анизотропия в нем отсутствует. Однако локальная магнитная

анизотропия, возникающая, например, от анизотропии локального внутри-

кристаллического поля, оказывает важное влияние на магнитные свойства

аморфного магнетика. Так, коэрцитивная сила аморфного ФМ увеличивается

очень резко, когда энергия одноионной локальной анизотропии становится

сравнимой с энергией обменного взаимодействия. Это явление используют для

создания магнитно-жестких аморфных магнетиков. Реальные аморфные маг-

нетики не являются макроскопически изотропными из-за различных, главным

образом технологических, причин и обычно обладают макроскопической маг-

нитной анизотропией.

Сравнение магнитных свойств некоторых кристаллических

Сплавы

Кристал

лические

Аморф-

ные

и аморфных сплавов (300 К)

Состав

Ni(80%)Fe(16%)Mo

(4%)

Ni(80%)Fe(20%)

Ni(50%)Fe(50%)

Fe(96,8%)Si(3,3%)

Магнит-

ная

индукция

Тл

0,78

0,82

1,60

2,03

0,63

1,36

1,49

1,60

Точка

Кюри С

460

400

480

730

260

344

292

374

Коэрци-

тивная

сила Н

А/м

0,4

1,2

3,2

Магнито-

стрикция

насыще-

ния

302

В аморфных ФМ и ФИМ наблюдаются различные типы доменных струк-

тур, включая цилиндрические магнитные домены. Магнитострикции аморф-

ных ФМ и их кристаллических аналогов сравнимы.

Методы получения аморфных магнетиков основываются на том или ином

способе фиксации неупорядоченного атомного состояния вещества. Наиболь-

шее распространение получили методы закалки расплавов со скоростями 10

К/с. Например, для получения аморфных металлических ферромагнитных

лент и нитей используют метод "спиннингования" расплава на вращающийся

металлический барабан (рис. 5.8.2, а) либо метод "экстракции" — выбрасыва-

ния расплава вращающимся диском (рис. 5.8.2, б). Для получения аморфных

порошков вещество распыляют электрическим полем, взрывной волной и т. п.

Массивные аморфные магнетики формируют из порошков методом прессова-

ния или взрыва. Используют также метод ионно-плазменного напыления. В

тонкопленочном виде аморфные магнетики получают методами конденсации

паров на охлажденную подложку, электро- и химического осаждения, ионно-

плазменного напыления, ионной имплантации и др.

Перспективность технологического использования аморфных магнетиков

из металлических стекол связана с относительной простотой их получения,

высокой магнитной проницаемостью (~10

), малыми магнитными потерями

(0,5 Вт/кг), высокой антикоррозийной стойкостью, относительно большим

электрическим сопротивлением, возможностью получения магнитно-жестких

материалов с большой магнитной энергией. Недостатки аморфных магнетиков

обусловлены принципиальной нестабильностью аморфного состояния. Со вре-

менем происходят перестройка атомной структуры аморфного магнетика и

соответствующие изменения магнитных свойств. Кроме того, введение амор-

физующих добавок (неметаллов) снижает намагниченность аморфного магне-

тика, а снижение температуры магнитного фазового перехода делает их менее

термостабильными. Магнитно-мягкие аморфные магнетики получают на ос-

нове сплавов 3d-металл — неметалл [см. табл., типичный пример — метгласс

(металлическое стекло) Fe

]. В качестве магнитно-жестких материалов

используют сплавы 3d- и 4f-металлов, напр. TbFe

. Аморфные магнетики

применяют для создания трансформаторов, магнитных экранов, постоянных

магнитов, головок магнитофонов, систем магнитной памяти и других уст-

ройств электро- и радиотехники.

5.9. Современное состояние производства магнитных материалов

5.9.1. Краткая историческая справка

В двадцатом столетии первый технологический рывок в синтезе магнит-

ных материалов, произошедший в 1921 г. был связан с производством кобаль-

тохромовой стали. Последующие исследования сплавов никеля, алюминия,

меди и платины привели в 1935 г. к появлению новых магнитных материалов

— так называемых альнико (Al-Ni-Co — алюминий, никель, кобальт) и кунифе

303

(Cu-Ni-Fe — медь, никель, железо), а также платинокобальтового сплава (1936

г.). Впоследствии свойства магнитов типа альнико были усовершенствованы и

был получен материал с ориентированными доменами — альнико V, который

широко используется и по сей день. Первые неметаллические магниты -

ферриты - - были синтезированы исследователями из корпорации Philips в

1950-х годах. Эти материалы имели в своем составе стронциевый или барие-

вый ферриты, а также оксид железа. Ферритовые магниты получили широкое

распространение (приблизительные оценки показывают, что на ферриты сей-

час приходится около 80 % мирового производства магнитных материалов).

В 1970-х и 1980-х годах на основе редкоземельных элементов (самарий и

неодим) были получены материалы, обладавшие улучшенными магнитными

свойствами, так называемые редкоземельные магниты. Применение редкозе-

мельных магнитов позволило сделать устройства, использующие постоянные

магниты более миниатюрными и мощными.

Рассмотрим преимущества и недостатки указанных видов магнитных ма-

териалов. К основным преимуществам материалов альнико можно отнести

высокую механическую прочность, стабильность магнитных свойств в широ-

кой области температур, высокие значения намагниченности насыщения, од-

нако магниты альнико обладают низким значением коэрцитивной силы. Фер-

ритовые магнитные материалы отличаются высоким значением коэрцитивной

силы, к недостаткам же их следует отнести механическую хрупкость, слож-

ность в обработке, сильную зависимость магнитных свойств от температуры.

Рассмотрим более подробно свойства редкоземельных магнитов, а также их

достоинства и недостатки по сравнению с другими типами магнитных матери-

алов.

Редкоземельные магниты, приготовленные на основе сплава Sm-Co, обла-

дают хорошими магнитными характеристиками (высокие значения намагни-

ченности насыщения, коэрцитивной силы), термической стабильностью, а

также устойчивостью по отношению к процессам коррозии. Основной недо-

статок этого типа магнитов — высокая цена на Sm и Со, из-за которой широкое

применение Sm-Co магнитов в настоящее время затруднено. Тем не менее,

магнитные материалы на основе Sm-Co применяются в жестких дисках ком-

пьютеров и электрических моторах постоянного тока (в том случае, если

стабильность свойств по температуре имеет большое значение, в частности в

изделиях космической и оборонной промышленности). В настоящее время

предпринимается попытка заменить Со на Fe. Ведутся работы по разработке

постоянных магнитов на базе составов Sm

с добавлением азота и углеро-

да.

Наиболее перспективными в настоящее время представляются спеченные

магниты Nd-Fe-B. Отметим их основные преимущества. Во-первых, достигну-

тое значение энергетического произведения ВНМАХ у магнитов Nd-Fe-B —

наибольшее из всех известных материалов (до 50 МГсЭ и выше), однако это

ещё не предел — из теоретических вычислений следует, что для этого мате-

риала максимально возможное значение (ВН)

тах

= 64 МГсЭ. Во-вторых, они

304

характеризуются высокой температурой Кюри ТС, составляющей около 160-

170°С для марок с рабочей температурой 80°С. Однако, в настоящее время

выпускаются марки Nd-Fe-B с рабочей температурой даже до 200°С, что

открывает широкую перспективу их применения в электромоторах, использу-

ющих постоянные магниты. Одним из важнейших и по сути дела определяю-

щих в экономическом плане достоинств Nd-Fe-B является его относительно

низкая цена по сравнению с другими типами магнитных материалов (см.

табл.1).

Таблица 1.

Основные характеристики наиболее известных

магнитных материалов

Материал

Гибкие магнитные

материалы

Керамика

Альнико

Sm-Co

Спеченные

Nd-Fe-D

(ВН)тах,

МГс*Э

1.6

Вr,Гс

1725

4000

13500

10500

14200

,Э

1325

2400

1400

9200

12500

Цена, $ за 1 кг

на Российском

рынке

5-10

1-2.5

44.1

250-500

70-150

Цена,

$на

единицу

3.1-6.2

0.3-0.85

4.3

12.5

1.4-3.7

Обсудим последний фактор подробнее. Как уже говорилось, появление

магнитов Sm-Co было настоящим научным достижением в области постоян-

ных магнитных материалов, но они все же не смогли выдержать конкуренции

и уступили место ферритам и альнико из-за высокой стоимости. Как известно,

чтобы промышленность начала выпускать новый продукт, он должен превос-

ходить своих предшественников по целому ряду параметров, и цена — один

из первых в этом ряду. В этом отношении спеченные Nd-Fe-B выгодно отли-

чаются от магнитов из Sm-Co — они относительно недороги по сравнению с

ферритами и альнико. В настоящее время во многих лабораториях мира осу-

ществляется поиск новых, более дешевых методов изготовления спеченных

магнитов Nd-Fe-B, так что цена на них постоянно снижается. На аналогичных

соображениях основаны прогнозы аналитиков о росте продаж на мировом

рынке спеченных магнитов Nd-Fe-B в текущем году на 4 % по сравнению с

продажами в прошлом году на фоне снижения продаж ферритов и альнико на

1-2% по сравнению с прошлым годом.

305

Рис. 5.9.1. Изготовление высокоанизотропных спеченных магнитов Nd-Fe-B

К недостаткам материала относятся частичная потеря его магнитных

свойств при эксплуатации при температурах выше 150-200°С (в зависимости

от марки), несмотря на довольно высокую точку Кюри, а также его подвержен-

ность коррозии.

5.9.2. Получение спеченных магнитов Nd-Fe-B

В настоящее время ведется активный поиск наиболее эффективного соста-

ва для магнитного материала на основе сплава Nd-Fe-B и уже известно доволь-

но много модификаций магнитов этого типа с добавлением Dy, Al и ряда других

химических элементов. Основным методом получения порошка Nd-Fe-B явля-

ется восстановительная диффузная химическая реакция. Реакция должна осу-

ществляться в вакууме во избежание окисления сильноактивных металлов.

Затем полученные слитки дробят ( как правило это многоступенчатый про-

цесс) а измельченный порошок Nd-Fe-B прессуют в постоянном магнитном

поле так чтобы ориентировать магнитные моменты зёрен в образце в одном

направлении. После этого полученные образцы спекают до окончательного

уплотнения. Для получения материала с повышенной анизотропией его необ-

ходимо подвергнуть дополнительной обработке. А именно, полученный по

описанному выше способу образец (рис. 5.9.1, а) помещают в специальный

пресс (рис. 5.9.1, б) и прессуют под нагревом (рис. 5.9.1, в), при этом высота

образца уменьшается примерно на 50%. Механизм упорядочения при таком

прессовании (и последующем быстром охлаждении) имеет кристаллографи-

ческий характер, поэтому наличия внешнего поля не требуется. После такой

обработки материал будет иметь большее значение намагниченности насыще-

ния, что приведет к росту магнитной энергии (ВН)

тах

Одной из самых трудных стадий при изготовлении спеченных магнитов

Nd-Fe-B является процесс изготовления порошка с частицами размером 5-10

306

мкм из вещества, полученного в результате химической реакции. Во время

этой операции в материал могут попасть кислород и водород, которые очень

хорошо поглощаются и приводят к заметному снижению магнитных и меха-

нических характеристик магнитов. Для предотвращения попадания в материал

нежелательных веществ синтез и первичную обработку проводят в вакууме.

5.9.3. Перспективы развития современных магнитных

технологий в России

Коротко рассмотрим основные тенденции в развитии магнитных техноло-

гий, которые, на наш взгляд, в долгосрочной перспективе будут доминировать

в отечественном высокотехнологичном производстве.

Начнем с одной из важных и имеющих потенциал роста отрасли хозяйства

— автомобилестроения. В настоящее время одной из проблем отечественного

автомобилестроения является относительно слабое внедрение в производство

новых технологий и материалов. Мы считаем, что одним из приоритетных

направлений в решении этой задачи является использование в производстве

современных магнитных материалов и технологий. В первую очередь это

связано с тем, что каждое современное транспортное средство имеет от 50 до

100 электромагнитных устройств (до 30 электродвигателей, исполнительные

электромагнитные устройства, магнитные датчики и т.п.), использующих маг-

нитные материалы. Именно эти устройства во многом определяют функцио-

нальность, степень управляемости, экономичность, комфорт и многие другие

параметры машины. Во-вторых, общая тенденция в автомобилестроении -

переход от 2 кВт к 20-50 кВт платформам, допускающим использование новых

мощных устройств в управляющем и контрольном оборудовании автомобиля.

Именно поэтому мировые производители близки к переходу на двухуровневое

напряжение (14 и 42 В или 12 и 36 В). Дальнейшее увеличение мощности и

эффективности электрооборудования автомобилей невозможно без примене-

ния новых магнитных материалов и новых конструкций электромагнитных

устройств (например, комбинированного стартера, генератора и т.д.)

Так, по оценкам компании Toyota, использование известных уже более 50

лет ферритов вряд ли превысит 2 кг на одну машину (1.6 кг. в настоящее время).

В то же время уже сейчас недавно вышедшие на рынок машины, такие как

Honda Inside, используют несколько килограммов высокоэффективных посто-

янных магнитов Nd-Fe-B. Использование магнитов Nd-Fe-B в электромоторах

и генераторах в Японии возросло в пять раз за последние несколько лет.

Поскольку в российском автомобилестроении применялись и применяются в

основном ферритовые магниты для электродвигателей различного примене-

ния и литые магниты типа ЮНД (альни) — для улавливания примесей в масле,

то на повестку дня встаёт вопрос о тщательном анализе возможности исполь-

307

зования новых магнитных материалов и технологии в отечественном автомо-

билестроении.

Литература:

Rollin J. Parker, Advances in Permanent Magnetism, Wiley, 1989

Peter Campbell, Permanent Magnet Materials and Their Application, Cam-

bridge Univ Press, 1994

5.10. Редкоземельные постоянные магниты

Главное преимущество

Главное преимущество магнитов Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) и SmCo

(самарий кобальт) по сравнению с традиционно используемыми ферритами,

альнико и др. материалами — высокие магнитные свойства при существен-

но меньших размерах и весе. Т.е. механические усилия, которые могут созда-

ваться постоянными магнитами уже не являются силами игрушечными или

приборными, а вполне соответствуют усилиям, характерным для обычных

машин и механизмов, т.е - - десятки и сотни килограмм. Магнит Nd-Fe-B

массой 1 г поднимает груз Fe массой 1000 г.

Спрос со стороны российских предприятий на магниты Nd-Fe-B (не-

одим-железо-бор) растет ежегодно на 25-30%.

308

Магнитная энергия самариевых магнитов в 6 раз выше, а неодимовых в 10

раз выше , чем у привычных нам ферритовых( керамических) изделий.

Магниты нового типа при сохранении своих размеров становятся значи-

тельно сильнее. Т.е. пропорционально увеличению величины магнитной ин-

дукции возрастает крутящий момент или тяговое усилие. Или же, при сохра-

нении мощности устройства соответственно уменьшаются его габариты и вес.

В некоторых случаях, применение мощных магнитов позволяет существенно

снизить расход электроэнергии.

Сферы применения магнитов ООО "Эрга":

• серийные производства оборонной промышленности;

• автомобильная промышленность (датчики, электродвигатели, генерато-

ры, стартеры и др. изделия);

• акустическая, теле- и радиоаппаратура

• область вычислительной техники, измерительные приборы, магнитные

медицинские устройства;

• спец. техника (тралы, подъемные системы). Магнетронные устройства,

динамические малогабаритные громкоговорители, магнитные муфты, датчики

перемещения, электромеханические приборы;

• мототехника.

Технология

Слитки магнитных сплавов с заданными свойствами получают прямым

сплавлением исходных компонентов в вакуумной индукционной печи в инерт-

ной атмосфере. Слитки подвергают дроблению и размалывают на шаровых

мельницах. Размер частиц порошка обычно составляет около 1-3 мкм.

Из полученного порошка прессуются изделия в пресс-формах методами

изостатического или линейного прессования в магнитном поле. Полученные

заготовки спекаются при температурах 1000-1200°С. После спекания изделия

проходят механическую обработку-шлифовку. Итоговая операция — отжиг с

целью повышения коэрцитивной силы материала. На готовые изделия могут

быть нанесены антикоррозийные покрытия по стандартной технологии.

Характеристики:

Спеченные постоянные магниты на основе сплава Nd-Fe-B

Сплав Nd-Fe-B (в табл. Е-28,30,33,38,42) стал коммерчески доступен с

1984 года. Отличается мощнейшими энергетическими показателями: остаточ-

ной индукции (до 1,35 Т) и значением энергетического произведения, ВН

тах

- наибольшее из всех известных материалов (до 320 кДж/м

и выше). Плот-

ность спеченных магнитов — до 7,4 г/см . Температурный коэффициент обра-

тимых изменений индукции в диапазоне рабочих температур — не более 5%.

Температурный коэффициент необратимых потерь индукции в диапазоне ра-

бочих температур — 0,12%/град. Точка Кюри 420 °С.

Определяющим в экономическом плане из достоинств Nd-Fe-B является

оптимальное соотношение цены и качества.

309

Магнитные

свойства

Остаточная индукция,Вr(Т)

Коэрцитивная сила

Нс,

(кА/м)

Эн. произвел. (ВH)тах,

(кДж/м

)

Мах рабочая температура,

(°С)

Е-28

1,0-1,1

640-960

200-240

100

Е-30

1,1-1,16

960-1280

240-256

120

Е-33

1,15-1,2

1440-

2000

256-288

150

Е-38

1,2-1,28

960-1280

288-320

100

Е-42

1,28-1,35

500-1000

320-350

100

Спеченные постоянные магниты на основе сплава SmCo

Магнитные свойства

Остаточная индукция, Вr(Т)

Коэрцитивная сила

Нс, (kА/м)

Эн.произвед.(BH)mах, (kДж/м

)

Мах рабочая температура, (°С)

ES-1

<= 0,82

1200

120

180

ES-2

0,72

1200

110

180

Сплав SmCo ( в табл. ES-1, ES-2) стал доступен для широкого использова-

ния в 1970-ых годах. На сегодняшний день, обладает комбинацией чрезвычай-

но высоких магнитных свойств: высокие значения намагниченности насыще-

ния, коэрцитивной силы, высокая термическая стабильность (до 200°С) и

устойчивость по отношению к процессам коррозии. Плотность спеченных

магнитов — до 8,5 г/см . Точка Кюри 700°С.

Эти характеристики делают SmCo идеальным материалом там, где требу-

ется магнит для работы в высоких температурных режимах или в коррозийной

окружающей среде.

5.11. Получение и применение полимерных магнитов

Полимерные магниты появились в пятидесятых годах и, несмотря на

очевидные преимущества, имели ограниченное применение, так их магнитные

свойства были невысоки. Получают такие магниты, называемые также магни-

топластпами или, в зависимости от типа полимерного связующего, магнитоэ-

ластами, из композиционных материалов, содержащих магнитный наполни-

310