Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

тель (магнитный порошок) и полимерное связующее. Низкие магнитные свой-

ства полимерных магнитов первого поколения были связаны с тем, что маг-

нитный наполнитель, используемый для их получения, требовал дополнитель-

ной высокотемпературной обработки изделий, (так называемой "вторичной

ферритизации"). Невозможность такой операции для магнитов на полимерном

связующем существенно снижали их магнитные характеристики.

Появление второго поколения полимерных магнитов связано с разработ-

кой технологии получения магнитных наполнителей, высокотемпературного

обжига изделий не требующей. Как следствие, производство магнитопластов

и магнитоэластов стало развиваться опережающими темпами.

В отличие от традиционных магнитов, изделия из них легко обрабатыва-

ются, обладают высокой ударной прочностью, могут быть гибкими, эластич-

ными. Только из таких материалов могут быть изготовлены магнитные профи-

ли с сечением сложной конфигурации, листовые магниты. Несомненное досто-

инство полимерных магнитов — возможность получения изделий высокопро-

изводительными методами, характерными для переработки пластмасс -

литьём под давлением, экструзией, каландрованием. Благодаря этому их про-

изводство более экономично по сравнению с обычными керамическими или

металлическими магнитами. Можно также отметить коррозионную устойчи-

вость, возможность получать изделия сложной формы, например, типа зубча-

тых колес, изделия с резьбовыми отверстиями и т.д. При этом изделия отлича-

ются высокой точностью и стабильностью размеров и магнитных параметров

и не требуют дополнительной обработки.

В соответствии с типом магнитного наполнителя композиционные маг-

нитные полимерные материалы делятся на магнитотвердые (КМТПМ) и маг-

нитомягкие (КММПМ).

Наполнители для КМТПМ (постоянных магнитов) — порошки из барие-

вого или стронциевого ферритов, сплавов на основе редкоземельных элемен-

тов (неодим-железо-бор, самарий-кобальт, самарий-железо, алнико); исполь-

зуются также смеси этих материалов. Для магнитомягких магнитных матери-

алов применяют карбонильное железо, никель-цинковые и другие ферриты.

Изделия из магнитомягких материалов используются в СВЧ приборах, в

качестве компонентов электронной техники, для защиты от разного типа из-

лучений, поглотителей и т.п.

Наибольшее распространение получили полимерные композиционные

магнитотвердые материалы (КМТПМ), к которым, как правило, и применяют

термин магнитопласты. Для КМТПМ на эластичном связующем используют

также термин магнитоэласты или магнитные резины (наиболее известная

область применения последних — магнитные вставки уплотнителей холодиль-

ников).

Дальнейший прогресс в производстве полимерных магнитов связан с по-

явлением так называемых анизотропных магнитопластов. (Полимерные маг-

ниты третьего поколения). В таких материалах повышение магнитных свойств

обеспечивается созданием анизотропной текстуры. Изменение магнитных

311

параметров изделий связано, прежде всего, с ориентацией наполнителя в про-

цессе переработки. Ориентация наполнителя обеспечивается наложением

внешнего магнитного поля на композиционный материал, находящийся в

вязко-текучем состоянии (магнитное текстурирование). Уровень магнитных

свойств анизотропных изделий выше, чем у изотропных в 2-3 раза. Однако и

для таких магнитов характерны более низкие по сравнению с цельными маг-

нитами магнитные свойства; в целом ряде случаев требуются более высокие

значения показателя магнитные свойства / цена изделия.

Появление магнитотвердых полимерных магнитов следующего, четверто-

го поколения, связано с, прежде всего, с решением проблем реологии полимер-

ных магнитов в магнитном поле. Наличие сдвигового течения композиции в

формующем инструменте приводит к тому, что частицы магнитного наполни-

теля, ориентируемые магнитным полем в нужном направлении, разориентиру-

ются, вращаясь под действием приложенного напряжения сдвига. Магнитные

свойства изделий получаются вследствие этого заниженными по сравнению с

теоретически возможными. По этой же причине анизотропные полимерные

магниты, производимые непрерывным способом — экструзией и каландрова-

нием, имеют более низкие магнитные свойства по сравнению, например, с

изделиями, полученными методами литья или прессования в магнитном поле.

Указанные обстоятельства характерны для всех ведущих производителей

полимерных магнитов мира. Отметим, что именно погонажные изделия (про-

фили различного сечения, трубы) получаемые экструзией и листовые материа-

лы (экструзионно — каландровый метод) представляют наибольшую практи-

ческую ценность. Такие изделия невозможно получить иначе, чем на основе

КМТПМ, поэтому повышение магнитных свойств в данном случае особенно

актуально.

Нейтрализация негативного влияния неизбежного при переработке маг-

нитопластов и магнитоэластов сдвигового течения, и более того — получение

позитивного эффекта от механической ориентации при течении КМПМ в

магнитном поле потребовала решения двух задач.

Во-первых, нетривиального решения конструктивного оформления фор-

мующего инструмента, во-вторых, специальной подготовки и обработки маг-

нитного наполнителя.

В последнем случае частицы наполнителя должны обладать анизометрич-

ной формой (игольчатой или пластинчатой), а направление оси легкого намаг-

ничивания частицы должно быть однозначно связано с ее формой.

Только при таком подходе появилась возможность избежать негативного

для формирования анизотропной структуры сдвигового течения и сформиро-

вать в месте действия магнитного поля только течения растяжении — сжатия.

Изометричные частицы наполнителя, окруженные жидкой фазой полимера,

перемещаясь во внешнем магнитном поле, свободно разворачивались в задан-

ном направлении, сохраняя полученную ориентацию в готовом изделии. Ани-

зометричные частицы, если их форма и направление оси легкого намагничи-

312

вания было взаимосвязано, получали дополнительно механическую ориента-

цию.

Для максимального эффекта магнитный и механический методы ориента-

ции должны быть реализованы в комбинации - - в наиболее рациональных

технических решениях уровень магнитных свойств анизотропных изделий при

этом выше, чем у изотропных в 3-3,5 раза. В идеальном случае предельные

магнитные свойства данного магнитотвердого материала могут быть достиг-

нуты при точной ориентации вектора намагниченности в данной точке в

заданном направлении, поэтому для получения изделий с высокими магнит-

ными свойствами важны все стадии техпроцесса.

1. Получение и обработка наполнителя. Поскольку лучшими магнитными

свойствами обладают магнитопласты, состоящие из однодоменных феррито-

вых частиц, технологический процесс включает необходимые для ферритиза-

ции операции отжига; операции размола наполнителя в шаровых и вибромель-

ницах с использованием технологических добавок, обеспечивающих необхо-

димый гранулометрический состав и другие требования к наполнителю; про-

сеивания, и т.д.. Для получения наиболее высоких магнитных свойств порошки

подвергаются химической обработке с целью удаления немагнитной фракции

(ферритовой пыли) и сфероллитизации частиц наполнителя.

2. Приготовление композиции. С точки зрения реологического поведения

магнитопластов в процессе переработки большое значение имеют как макро-

реологические свойства (возможность переработки на современном высокоп-

роизводительном оборудовании), так и микрореологические эффекты, связан-

ные с условиями вращения частиц наполнителя в полимерной матрице.

Поэтому в состав композиции вводят технологические добавки, подбор

которых определятся природой полимера и наполнителя.

Существенным технологическим приемом, обеспечивающим улучшение

реологических свойств композиций, является приготовление составов на ос-

нове смесей порошков с размерами частиц, обеспечивающими максимальный

коэффициент объемного заполнения. При этом концентрацию наполнителя

можно повысить до 91-94 % масс. (65-70% объемных) без снижения степени

ориентации наполнителя. Для получения композиционных магнитотвердых

материалов в промышленных объемах требуются специальные смесители тя-

желого типа, способные осуществлять равномерное смешение с объемным

коэффициентом заполнения 0,6 к тому же выполненные из абразивностойких

материалов.

3. Получение изделий. В процессе экструзии нагретая смесь исходных

компонентов продавливается через головку с профилирующим каналом задан-

ной формы. В результате получаются магнитные полимерные профили нужно-

го сечения. Условия для магнитной ориентации обеспечиваются наложением

внешнего магнитного поля на материал, находящийся в вязкотекучем состоя-

нии. Механический ориентационный эффект достигается за счет соответству-

ющего конструктивного оформления формующего инструмента

313

Переработка магнитопластов литьем под давлением осуществляется на

оборудовании, с устройствами наложения магнитного поля на формуемые

изделия.

Листовые изделия производятся на экструзионно — или валково-каланд-

ровых линиях с последующим намагничиванием. В дальнейшем лист может

быть разрезан на полосы нужной ширины.

В качестве связующего используются самые разные полимеры, обеспечи-

вающие требуемые эксплуатационные характеристики. Для листовых матери-

алов, получаемых методом каландрования, это, как правило, различные виды

термоэластопластов, пластифицированный поливинилхлорид, сульфохлори-

рованный полиэтилен, нитрильный и другие каучуки. Для экструзии и литья

под давлением используют полиамиды, полистиролы, полиолефины, сэвилен

и другие виды термопластов с достаточной текучестью. При получении изде-

лий из магнитопластов методом прессования используют термореактивные

связующие: эпоксидные фенольные, полиэфирные смолы.

Необходимо отметить, что эластичные полимерные связующие, отличаю-

щиеся, как правило, большей вязкостью, менее удобны для достижения ори-

ентации наполнителя в магнитном поле. Жесткие магнитопласты характеризу-

ются, поэтому более высокими, чем у гибких магнитов, значениями коэрци-

тивной силы Hci, остаточной индукции Вr и энергетического произведения

(ВН)тах. Типичные значения магнитных параметров полимерных магнитов

даны в приводимой ниже таблице.

Вид магнита, способ

получения

Жёсткие магниты; литьё

под давлением, экстру-

зия, прессование.

Гибкие магниты;

каландрование,

экструзия

Магнит-

ная компо-

нента

Феррит

Sm — Со

NdFeB

Феррит

NdFeB

Hci, Э

2700 - 5000

16000

4300-16000

2100-3600

10000

Вr,Гс

2100-2800

6100

4900-7000

2100-2700

5300

(ВН)таx,

МГсЭ

1.4-2.0

8.5

4.8-10.3

1-1.8

Некоторые области применения полимерных маг-

нитов:

• Акустические системы, реле и бесконтактные дат-

чики, электромашины, магнитные сепараторы, холо-

дильники:

314

• магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации;

• тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы.

• медицина (магнитотерапия, магнитные матрасы);

• автоматизированное шоссе, где в США предусматривается разместить

до полутонны ферритовых магнитопластов на одну милю шоссе для автомати-

ческого управления движением автомобиля, оснащенного специальным ком-

пьютером и системой слежения;

• магнитное покрытие для полов офисов и промышленных помещений;

• магнитная компонента для глушителей автомобилей (в Европе на эти

цели уходит 23000 тонн магнитопластов);

• периферийные устройства компьютеров, мобильные телефоны, фотоап-

параты, кинокамеры;

• магнитные устройства для обработки воды, углеводородного топлива,

масел; магнитные фильтры;

• магниты для учебных заведений (магнитная азбука, символы и знаки на

магнитной фиксации, наглядный и демонстрационный материал), магнитные

фиксаторы разных типов; магнитные устройства для использования в рекламе,

торговле, при оснащении выставок, конференций, спортивных мероприятий и т.д.

Магнитопласты

Полимерные постоянные магниты или магнитопласты изготавливаются

из смеси магнитного порошка и связующей полимерной компоненты. Этот вид

магнитных материалов имеет существенные преимущества по сравнению с

обычными металлическими или керамическими магнитами, получаемыми спе-

канием, среди которых можно отметить высокую воспроизводимость и ста-

бильность магнитных свойств, большой срок службы, меньшие издержки при

изготовлении, возможность получать изделия сложной формы с высокой точ-

ностью соблюдения заданных размеров, хорошую механическую прочность и

пластичность; устойчивость к коррозии, меньший, чем у обычных магнитов,

вес. Необходимо отметить, что технология полимерных магнитов даёт возмож-

ность достаточно легко создавать разнообразные сложные конфигурации маг-

нитных полюсов.

Различают гибкие и жесткие (негибкие) полимерные магниты. В жестких

полимерных магнитах в качестве полимерной связки используются реакто-

пласты и термопласты. Первые затвердевают в результате происходящей в них

химической реакции и, как правило, не могут в последствии быть размягчены

воздействием повышенной температуры; в качестве примера можно привести

эпоксидные смолы. Термопласты (термопластичные пластмассы) — это плас-

тические массы, способные размягчаться при нагревании и затвердевать при

охлаждении. Наиболее распространены термопласты на основе поливинил-

хлорида, полистирола, полиамида и т.д.

315

При изготовлении гибких полимерных магнитов используются термо-

пласты и эластомеры. К эластомерам относятся полимеры и материалы на их

основе, характеризуемые высокоэластичными свойствами в рабочем диапазо-

не температур. Примерами эластомеров, применяемых при изготовлении гиб-

ких полимерных магнитов являются винил, нитриловая резина, хайпалон

(сульфахлорированный полиэтилен).

Магнитные порошки в настоящее время изготавливаются из бариевого

или стронциевого ферритов, сплавов на основе редкоземельных элементов

(неодим-железо-бор, самарий-кобальт, самарий-железо), алнико; используют-

ся также смеси этих материалов. От того, какая магнитная компонента исполь-

зована в данном продукте, зависят его магнитные характеристики.

Полимерные магниты изготавливаются литьём под давлением, экстру-

зией, прессованием и каландрированием. На начальном этапе готовится исход-

ная смесь, включающая в себя магнитный порошок, соответствующий поли-

мерный материал, антиокислители и пластификаторы (при необходимости),

Магнитный порошок может составлять до 78 % от полного объёма исходной

смеси. В процессе экструзии нагретая смесь исходных компонентов продавли-

вается через головку с профилирующим каналом заданной формы. В резуль-

тате получаются магнитные полимерные профили нужного сечения. Литье под

давлением производится путем выдавливания нагретой смеси в заданную

форму. При прессовании исходная смесь из магнитного порошка и эпоксидной

смолы, помещенная в заданную форму, подвергается отвердению под дейст-

вием механического одноосного напряжения, прикладываемого прессом. Сле-

дует отметить, что прессование позволяет получать полимерные магниты с

более высоким содержанием магнитной компоненты, чем метод экструзии

(78 объёмных процентов против 75). Каландрирование представляет собой

многоступенчатую прокатку нагретой смеси исходных компонентов через

систему металлических валиков круглого поперечного сечения. В результате

получается гибкий полимерный магнитный лист, толщина которого определя-

ется расстоянием между валиками, а ширина — их длиной. В дальнейшем лист

может быть разрезан на полосы нужной ширины. Магнитные полимерные

полосы могут быть также получены с помощью экструзии при использовании

профилирующего канала прямоугольной формы. В качестве полимерной ком-

поненты при каландрировании используются эластомеры, а при экструзии и

литье под давлением — эластомеры и термопласты.

Жесткие магнитопласты характеризуются более высокими, чем у гибких

магнитов, значениями внутренней коэрцитивной силы Hci, остаточной индук-

ции Вr и энергетического произведения (ВН)тах. Типичные значения магнит-

ных параметров полимерных магнитов даны в приводимой ниже таблице:

316

Вид магнита, способ по-

лучения

Жёсткие магниты; литьё

под давлением,прессова-

ние

Гибкие магниты; каланд-

рирование, экструзия

Магнитная

компонента

бариевый феррит

Sm — Со

NdFeB

бариевый феррит

NdFeB

Нсi,Э

2700-5000

16000

4300-

16000

2100-3600

10000

Вr, Гс

2100-2800

6100

4900-7000

2100-2700

5300

(ВН)mах,

МГсЭ

1.4-1.9

8.5

4.8-10.3

1-1.8

Магнитопласты находят широкое применение в электродвигателях, гене-

раторах, различного рода исполнительных устройствах и сенсорах.

Магнитная пена

Различного рода пены, как жидкие, так и твёрдые, находят широкое при-

менение в промышленности и в повседневной жизни. Требования, предъявляе-

мые к пене, зависят от ее технического назначения. Для решения ряда задач

актуальным является воздействие на пену внешним магнитным полем. При

этом появляется возможность её перемещения как в вертикальном, так и в

горизонтальном направлениях без потери устойчивости. При том же составе и

соотношении компонентов пены резко увеличиваются её сорбционные воз-

можности, появляются радиопоглощающие свойства и т.п. Одной из задач, при

решении которых магнитная пена может найти наиболее широкое применение

является очистка, например, водной поверхности от загрязнения нефтепродук-

тами.

Проблема создания магнитной пены с высокой и контролируемой ста-

бильностью заключается в том, что необходимо стабилизировать дисперсный

магнитный носитель, имеющий высокие магнитные характеристики, непо-

средственно в стенках пенных пузырьков, толщина которых, как правило, не

превышает 300 нм. Дисперсные материалы для которых размеры дисперсной

фазы равны или больше указанной величины не могут удерживаться в пене

достаточно долго. Кроме того, процедура введения дисперсных материалов в

пены затруднена тем обстоятельством, что как известно, материалы с высоко-

развитой поверхностью являются эффективным пеногасителям т.е. они актив-

но разрушают пены.

В роли магнитных материалов вводимых в пену могут быть использованы

частицы магнитных металлов, их сплавов а также других магнитных составов.

Размер этих частиц должен быть в пределах от 1 -2 до 30-100 нм (наночастицы).

Наночастицы являлют собой особое состояние материала, отличающееся тем,

что доля поверхностных атомов сравнима с числом атомов внутри частицы.

317

Это обуславливает значительную химическую активность таких частиц и их

специфические физические свойства. В частности, наночастицы магнитных

металлов и сплавов обладают высокой намагниченностью и магнитной анизо-

тропией и в ряде случаев могут обладать большой коэрцитивной силой и

сохранять магнитные свойства при высоких температурах. Методы создания

таких частиц и их стабилизации хорошо известны.

Занимая промежуточное положение между молекулами и обычными дис-

персными системами (с размером частиц от нескольких микрон до долей

микрон), наночастицы могут легко стабилизироваться как в жидкой, так и в

газовой фазах. Для их поддержания в этих фазах в качестве потенциальных

лигандов используют вещества, являющиеся одновременно активными пено-

образователями и стабилизаторами. Содержащие магнитные наночастицы

пены в зависимости от природы жидкой фазы могут оставаться жидкими

(жидкая магнитная пена) в течение нескольких минут или нескольких часов

или затвердевать (твёрдая магнитная пена).

По своей структуре магнитные пены представляют собой ячеистые обра-

зования, в стенках которых присутствуют магнитные наночастицы, стабили-

зированные молекулами поверхностно активных веществ. В пену могут быть

введены как магнитомягкие, так и магнитотвердые материалы. Для ввода в

пену могут быть пригодны следующие материалы: переходные металлы (такие

как Fe, Co, Ni), их сплавы и соединения различного состава, ферриты, в том

числе легированные, редкоземельные металлы и их сплавы, магнитотвердые

составы типа Nd-Fe-B, Sm-Co, Sm-Fe (например, Nd

B, SmCo

, Sm

)

в различных соотношениях. При действии внешнего магнитного поля магнит-

ные моменты, находящихся в пене наночастиц ориентируются в направлении

поля и благодаря этому пена притягивается к источнику магнитного поля.

Жидкая или твёрдая магнитная пена может быть использована для очист-

ки водной поверхности от гидрофобных

загрязнений. При расположении источни-

ка магнитного поля у поверхности пена

легко перемещается по ней в определяе-

мую градиентом магнитного поля сторо-

ну, увлекая за собой все, что находится на

поверхности или в ячейках пены. Если ис-

точник магнитного поля расположен над

поверхностью раздела сред вода - - воз-

дух, то его магнитное поле может вызы-

вать отрыв пены от поверхности и ее "при-

липание" к источнику поля вместе со

своим содержимым. И в том, и в другом

случае достигается отделение пены от

очищаемой поверхности вместе с содер-

жащимися в ней поглощаемыми компо-

нентами и её последующее перемещение в

318

нужном направлении. Для освобождения от поглощенных вредных примесей

магнитная пена может быть разрушена обычными методами. Дорогостоящие

магнитные материалы могут быть выделены из образовавшегося продукта

стандартными приемами магнитной сепарации. Десорбция из неразрушаемых

твердых магнитных пен может быть проведена стандартными приемами про-

мывки растворителями.

Можно отметить еще одно полезное свойство твердых магнитных пен.

Являясь эффективными теплоизолирующими материалами твердые магнит-

ные пены одновременно обладают радиопоглощающими свойствами в широ-

ком диапазоне частот (105 — 1012 Гц). Спектр поглощения может изменяться

за счет подбора оптимального состава и размера наночастиц.

Дебют магнитного полимера

Прежде связываемые лишь с материалами, содержащими ионы металлов,

однако недавно сильномагнитные свойства были обнаружены в чисто углерод-

ном полимере. И вот теперь группа Анджея Райки (Andrezej Rajca) из универ-

ситета штата Небраска разработала полимер, обладающий одновременно фер-

ромагнитными и антиферромагнитными свойствами. Мало того, магнитная

восприимчивость его на два порядка (в 100 раз) превосходит восприимчивость

фуллеренового полимера, героя недавней научной сенсации (A Rajca et al 2001

Science 294 1503).

Звенья (мономеры) полимерной цепочки, созданной учеными в Небраске,

содержат 14 бензольных колец. Электроны в бензольном кольце "коллективи-

зируются" ("диссоциируют") и туннелируют между связанными состояниями

кольца (атомами углерода), т.е. кольцо является связанной системой.

В каждом мономере бензольные кольца собраны в две группы (два "моду-

ля"). Одна из них представляет собой кольцо (макроцикл) из восьми молекул

бензола, а другая связывает оставшиеся шесть бензольных колец в двух ветвях,

образующих связи с другими мономерами. Необычные магнитные свойства

полимера объясняются тем, что электроны в разных "модулях" ведут себя по

разному.

Коллективизированные (в указанном выше смыс-

ле) электроны могут перемещаться и между элемен-

тами макроцикла мономера, причем их спины сильно

связаны между собой, что придает макроциклу боль-

шой магнитный момент. В "усах" мономера — наобо-

рот, движение электронов затруднено, в результате

чего магнитный момент модуля оказывается малым

по величине.

При полимеризации эти большие и малые маг-

нитные моменты чередуются в цепочке таким обра-

зом, что все магнитные моменты макроциклов на-

319

правлены "вверх", а слабые магнитные моменты "усов" могут быть направлены

как "вверх", так и "вниз". В результате

полимер обладает как ферромагнитны-

ми, так и антиферромагнитными свой-

ствами.

Ввиду слабости связи между моду-

лями, в полимере эти магнитные свой-

ства наблюдаются только при темпера-

турах ниже 10 К. При более высоких

температурах тепловые флуктуации

разрушают эту связь.

По словам А.Райки, намагничен-

ность насыщения этого полимера примерно в 20 раз уступает аналогичной

величине для железа при комнатной температуре, однако на два порядка

превосходит это значение для недавно открытого "ферромагнитного углеро-

да".

Полимер, полученный группой А.Райки достаточно мягок (эластичен).

Полимерные проводники уже сейчас применяются в качестве светодиодов в

широкоэкранных дисплеях, отмечает он, однако исследователи, открывшие их

двадцать лет назад не могли предсказать для них такого применения. "Важ-

ность нашего открытия состоит в том, что оно показывает возможность созда-

ния сложных органических полимеров, обладающих сильными магнитными

свойствами," - — сообщил он в интервью научному ресурсу PhysicsWeb.

Магнитный винил

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО ВИНИЛА:

Информационные технологии

Общеобразовательные цели

Предлагаем Вам материал — магнитный винил, для изготовления рек-

ламной и сувенирной продукции (наклейки на холодильник, визитки, брелки,

лейблы фирм, транзитная реклама на автотранспорте и др.); для изготовления

наглядных учебных пособий и развивающих игр; для оформления выставок и

мест продаж (информационные стенды, разного рода информационные знаки,

панели, указатели и таблички, магнитные наклейки и стикеры). Приведенными

примерами возможности винила в современных технологиях далеко не исчер-

320