Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука OCR
Подождите немного. Документ загружается.
ЧАСТЬ
II
млrПИТОСТРИRЦИОПDЫЕ
иаЛУЧЛТЕЛИ
иа
ФЕРРИТОВ
и.
п.
Гол.яJvtuuа
Часть
11
,ОГ.JIАВ.JIЕПIIЕ
Введение
113
Глава
1.
Химический
состав
и
технология
изготовления
ферритов
для
магнитост-
рикционных
излучателей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . "
115
§ 1.
Выбор
химического
состава
. . . . . . . . . . . . . . . .
..
115
§ 2.
Особенности
технологии
изготовления
ферритов
для
электро-
акустических
преобразователей
. . . . . . . . . . . . . .
..
117
Глава
2.
Основные
свойства
ферритов,
применяемых
для
изготовления
излуча-
телей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
120
§ 1.
Характеристики
магнитострикционных
ферритов
при
комнатной
температуре
. . . . . .
..................
120
§ 2.
Влияние
температуры
на
свойства
магнитострикционных
фер-
ритов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
§ 3.
Свойства
ферритов
при
больших
амплитудах
пндукцип
и
меха-
нического
напряжеНJJЯ
. . . .
125
Глава
3.
Излучатели
из
ферритов.
. . . . . .
131
§ 1.
Сердечники
излучателей
. . . .
131
§ 2.
Коэффициент
полезного
действия
ферритовых
пзлучателей
133
§ 3.
Предельная
амплитуда
колебаний
и
интенсивность
излучения
феррптовых
преобразователей
. . . . . . . . . . . . . . .
..
137
['лаВIl
4.
Практичсские
применения
ультразвуковых
излучателей
из
ферритов
140
§ 1.
Мпнпатюрные
установки
очистки
. . . . . . 140
§ 2.
Установки
ультразвукового
резания
. . . . .
142
§ 3.
ИнтенсификаЦIIЯ
гальванических
процессов
144
§ 4.
Ультразвуковые
сварочные
устройства
145
3aIшюченпе
.
JI
итература
....
147
147
ВВЕДЕНИЕ
в
ультразвуковой
технике
широко
применяются
магнитострикцион
ные
электроакустические
преобразователи
[1, 2).
Особенно
большое
распространение
они
получили
как
излучатели
в
установках
активного
технологического
применения
ультразвука,
работающих
на
частотах
15-
60
кгц.
Материалами
для
таких
преобразователей
служат
обычно
металлы
и сплавы
с
магнитострикционными
свойствами:
никель,
железо-кобальто
вые
сплавы
(из
которых
наиболее
известен
пермендюр),
железо-никелевые
сплавы,
железо-алюминиевые
сплавы
(последние
известны
под
названием
альфер,
альфеноль).
Поиски
новых
материалов
для
преобразователей
при
вели
к
разработке
керамики
с
магнитострикционными
свойствами
специальных
типов
ферритов.
Близкие
по
механическим
свойствам
и по
технологии
изготовления
к
пьезоэлектрическим
керамикам
типа
титаната
бария
или
титаната-цирконата
свинца,
магнитострикционные
ферриты,
как
и
эти
последние,
экономичны,
дешевы,
относительно
просты
в
изготов
лении,
не
требуют
дефицитных
исходных
материалов.
Все
эти
факторы
приобретают
весьма
важное
значение
в
связи
с
массовым
внедрением
уль
тразвуковых
методов
в
народное
хозяйство.
Среди
пьезоэлектрических
материалов
для
ультразвуковых
преобра
зователей
пьезокерамика
заняла
в
настоящее
время
господствующее
поло
жение.
Но
и
магнитострикционные
керамические
материалы
приобретают
все
большее
значение
в
ультразвуковой
технике.
По
сравнению
с
преоб
разователями
из
пьезоэлектрической
керамики
ферритовые
преобразователи
обладают
рядом
достоинств:
они
не
требуют
(как
и
все
магнитострикторы)
для
работы
на
большой
мощности
высокого
электрического
напряжения,
что
упрощает
задачи,
связанные
с
подведением
питания
к
излучателю,
и
выгодно
с
точки
зрения
техники
безопасности;
конструкция
их
проста,
нет
необходимости
создавать
специальные
приспособления
для
защиты
электродов,
как
это
приходится
делать
с
пьезоэлектрическими
элемента
ми;
они
не
чувствительны
к
воздействию
внешней
среды,
могут
работать,
даже
будучи
погруженными
в
агрессивные
жидкости.
Основным
преимуществом
ферритов,
по
сравнению
с
металлическими
магнитострикционными
материалами,
является
отсутствие
потерь
на
токи
Фуко.
Сердечники
преобразователей
из
металлических
материалов
для
уменьшения
этих
потерь
обычно
набирают
из
пластин
толщиной
0,1-
0,3
м.м;
процессы
тонкого
проката
материала,
а
также
изоляции
пластин
и
сборки
пакетов
весьма
трудоемки.
Но
даже
при
такой
технологии
изго
товления
сердечников
не
удается
полностью
избежать
потерь
на токи
Фуко,
из-за
которых
снижается
К.п.Д.
излучателя
и
ограничивается
све
рху
диапазон
его
рабочих
частот.
Ферриты
же
обладают
электрическим
сопротивлением
в
108-1010
раз
большим,
чем
металлы,
поэтому
потери
на
тони
Фуко
в
них
практически
отсутствуют.
Высокий
электроакустиче
ский
К.П.Д.
ферритовых
преобразователей
сохраняется
в
широком
диапа
зоне
частот,
верхний
частотный
предел
их
применимости
определяется
конструктивными
соображениями.
Сердечники
ферритовых
преобразова-
8
ИСТОЧНИl(И
улътраЗВУl(а
:1.:1.3
телей
монолитны,
и
это
дает
целый
ряд
преимуществ:
заметно
упрощается
и
удешевляется
сам
технологический
процесс;
механическая
добротность
монолитных
сердечников
(даже
если
оставить
в
стороне
вопрос
о
вноси
мых
потерях
за
счет
токов
Фуко
и
магнитного
гистерезиса)
всегда
выше
добротности
сборных
пакетов;
значительно
расширяются
возможности
конструктивных
решений
при
создании
новых
преобразователей,
так
как
выбор
формы
сердечников
не
ограничивается
необходимостью
набирать
их
из
штампованных
пластин,
обладающих,
помимо
всего,
и
определенной
текстурой
за
счет
механической
обработки.
Для
подмагничивания
излучателей
из
ферритов
удобно
применять
пластины
ферритовых
же
постоянных
магнитов,
вклеиваемых
или
встав
ляемых
в
магнитопровод;
соединение
в
единый
сердечник
деталей
из
одно
родных
по
механическим
свойствам
материалов
технологически
доста
точно
просто.
Благодаря
такому
способу
подмагничивания
проблема
пи·
тания
излучателей
заметно
упрощается,
а
их
общий
к.п.д.
повышается.
Ферриты
нашли
широкое
применение
в
технике
как
магнитные
мате
риалы
вскоре
после
второй
мировой
войны
[31.
В
течение
сравнительно
короткого
промежутка
времени
было
разработано
и
внедрено
в
промыm
ленность
большое
количество
разнообразных
типов
этих
материалов:
магнитомягкие
ферриты
для
радиотехнических
устройств,
специальные
СВЧ
ферриты,
ферриты
с
прямоугольной
петлей
гистерезиса
для
вычис
лительных
машин,
ферритовые
постоянные
магниты
и
т.
д.
Опубликовано
большое
количество
исследований,
посвященных
этим
материалам
(неко
торые
результаты
физических
исследований
обобщены
в
книге
Смита
и
Вэйна
[4]).
Первые
работы
по
динамическим
магнитострикционным
свой
ствам
ферритов
появились
в
1951-1953
гг.
[5-101.
В
них
исследовались
ферритовые
резонаторы
применительно
к
использованию
их
в
качестве
элементов
фильтров
или
в
качестве
стабилизирующих
устройств
для
элек
тронных
генераторов.
Здесь
уместно
напомнить,
что
первые
исследования,
посвященные
колебаниям
металлических
магнитострикторов,
также
были
направлены
на
применение
этих
колебаний
в
радиотехнических
устрой
ствах
[12-141.
Исследование
ферритов
как
материала
для
магнитострикционных
акустических
преобразователей
началось
приблизительно
в
середине
50-х
годов.
В
1954
г.
была
опубликована
работа
Тиде
[15],
впервые
погру
зившего
ферритовый
сердечник
в
водУ
для
исследования
его
электроаку
стического
к.п.д.,
а
предложения
об
использовании
ферритов
для
излу
чения
и
приема
звука
высказывались
и
немного
раньше
Брэдфилдом
и
Поппером
[16-181.
Исследования
ферритов
развивались
в
разных
стра
нах.
В
Швейцарии
была
опубликована
работа
Энца
[191,
в
которой
изу
чалась
возможность
применения
изготовленных
по
обычной
технологии
никель-цинковых
ферритов
для
излучения
звука.
В
Голландии,
в
фирме
Филиппс,
Ван
дер
Бургтом
были
выполнены
[20-24]
фундаментальные
исследования,
на
основе
которых
разработаны
специальные
типы
фер
ритов
для
электроакустических
преобразователей
7
А1
и
7
А2,
выпускае
мых
в
настоящее
время
фирмой.
В
Японии
большое
число
работ
было
вы
полнено
Rикучи
с
сотрудниками
(например,
[25-27]);
эти
работы
также
послужили,
по-видимому,
основой
для
промышленного
выпуска
магнито
стрикционных
ферритов,
так
как
в
настоящее
время
в
Японии
ферритовые
преобразователи
применяются
в
серийных
ультразвуковых
технологиче
ских
установках.
В
США
исследования
ферритов
для
преобразователей
проводились
во
второй
половине
50-х
годов
Рутом
и
Мак
Доналдом
[28]
и
Ферби
и
Дэвисом
[291.
Фирма
Rирфотт
сообщила
в
1958
г.
о
выпуске
ферритов
для
преобразователей
марки
N 50
и
51.
В
60-х
годах
начинаются
работы
по
магнитострикционным
ферритам
в
Польше
[30-321.
В
СССР
предположение
о
возможности
использования
ферритов
в
ка
честве
материала
для
электроакустических
преобразователей
было
вы-
:1.1.4
сказано
академиком
Н. Н.
Андреевым
в
1951
г.
В
1954
г.
в
руководимой
им
лаборатории
Акустического
института
АН
СССР
начались
исследова
тельские
работы,
в
ходе
которых,
помимо
всесторонних
исследований
важных
для
преобразователей
свойств
материалов,
производились
изы
скания
химических
составов
и
технологические
разработки,
касающиеся
изготовления
сердечников.
П
роводились
также
испытания
ферритовых
пре
образователей
в
условиях
их
практических
применениЙ.
Первые
резуль
..
таты
исследований
опубликованы
в
работах
[33-35J.
В
СССР
исследова
ниями
ферритов
как
материала
для
электроакустических
преобразовате
лей
занимался
также
л. Н.
Сыркин
С
сотрудниками.
Некоторые
резуль
...
таты
этих
исследований
приведены
в
работах
[36-38J.
В
данной
части
приводятся
сведения
о
составе,
технологии
изготовле
ния
и
основных
свойствах ферритов,
предназначенных
для
изготовления
излучателей
мощного
ультразвука,
рассматриваются
свойства
самих
из
лучателей
и
оцениваlQТСЯ
пределы
их
применимости.
Кроме
того,
описы
...
вается
работа
опытных
ультразвуковых
установок
с
ферритовыми
излу
чателями.
Возможность
использования
магнитострикционных
ферритов
для
приемников
звука,
фильтров
или
стабилизаторов
частоты
здесь
не
рассматривается.
Основным
материалом
при
написании
данной
части
по
служили
результаты
исследований,
выполненных
в
Акустическом
инсти
туте;
для
полноты
сообщаемых
сведений
приводятся
также
_некоторые
дан
...
ные других
авторов
по
литературным
источникам.
Глава
1
ХИМИЧЕскиii
СОСТ
АВ
П
ТЕХНОЛОГИИ
ПЗГОТОВ.JIЕНИИ
ФЕРРИТОВ
ДЛИ
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ
ИЗЛУЧАТЕЛЕii
§ 1..
Выбор
хпмпчеСltоl'О
состава
Искусственно
синтезируемые
ферриты
чрезвычайно
разнообразны
по
химическому
составу
и
свойствам.
В
большой
степени
эти
свойства
опре
деляются
кристаллографической
структурой.
Так,
магнитожесткие
фер':"
риты,
применяемые
в
качестве
постоянных
магнитов,
обладают
гексаго
...
нальной
структурой;
привлекающие
к
себе
в
последние
годы
большой
иIt"'
терес
и
используемые
в·
технике
сверхвысоких
частот
ферриты
с
очен:t
острой
кривой
ферромагнитного
резонанса
имеют
структуру
типа
гра
ната.
Наиболее
широко
распространенные
в
радиотехнике
магнитомягкие
ферриты
имеют
кубическую
структуру
и
кристаллизуются
в
форме
шпи~
нели.
Химический
состав
ферритов-шпинелей
в
общем
виде
описывается
формулой
МО·
Fе20з
(где
М
-
символ
двухвалентного
металла).
Ферри
ты,
в
которых
на
месте
М
стоит
Ni,
Со,
Fe,
Мn,
Mg,
Си,
имеют
структуру
обращенной
шпинели
и
обладают
ферромагнитными
свойствами,
ферриты
Zn
и
Cd
со
структурой
нормальной
шпинели
-
антиферромагнетики.
Ну
бические
ферриты
образуют
твердые
растворы
замещения.
Полезными
для
практических
применений
свойствами
характеризуются
твердые
pac~
творы
ферромагнитного
и
неферромагнитного
ферритов.
В
подавляющем
большинстве
случаев
ферриты-шпинели
применяют
в
виде
поликристал
...
лического
керамического
материала.
8*
:11..!;
Среди
шпинелей
были
найдены
ферриты,
обладающие
полезными
для
)lагнитострикционных
преобразователей
характеристиками,
т.
е.
с
замет
выми
магнитострикционными
свойствами
и
в
достаточной
степени
магнито
мягкие
(магнитострmщионные
свойства
в
первом
приближении
характе
ризуются
величиной
магнитострикции
насыщения
')..8'
магнитная
мягкость
материала
-
величиной
начальной
магнитной
проницаемости
f.to
и
коэр
цитивной
силы
Не).
При
выборе
материалов
для
преобразователей
можно
пользоваться
приближенными
соотношениями,
вытекающими
из
работ
Ван
дер
Бургта
[7]
и
Шура
с
сотрудниками
[39-40].
Эти
соотношения,
базирующиеся
на
исследованиях
Бозорта
и
Вильямса
[41, 11],
связывают
чувствительность
преобразователей
в
режиме
приема
(И/р)
и
коэффициент
их
магнитомеханической
связи
К
с
основными
статическими
характери
стиками
материала
-
')..8,
f.to
и
индукцией
насыщения
В
8
:
~
'2
(
~
)
--
f.to
в:;
К'
.~
l10
;l
·
Наибольшей
магнитострикцией
насыщения,
равной
приблизительно
-120·10-6,
обладает
феррит
кобальта.
Однако
его
нельзя
назвать
магнито
мягким:
насыщение
достигается
для
него
в
полях
порядка
5000-10000
Э,
проницаемость
очень
низка,
а
коэрцитивная
сила
составляет
несколько
сот
эрстед.
Из
простых
ферритов
наиболее
удачное
сочетание
свойств
:имеет
феррит
никеля,
для
которого
величина
А8
равна
-(25+30)
·10-6,
а
f.to
(в
зависимости
от
технологии)
-
от
15
до
45.
Феррит
никеля
состав
ляет
основу
всех
разработанных
до
настоящего
времени
магнитострик
ционных
ферритовых
ма'fериалов.
Он
применяется
как
в
чистом
виде,
так
и
в
виде
твердого
раствора
,с
другими
ферритами-шпинелями.
Таким
образом,
по
химическому
составу
ферриты,
рекомендуемые
раз
личными
авторами
для
целей
электроакустического
преобразования,
весь
ма
близки
друг
к
другу.
Этим
они
отличаются
от
пьезоэлектрических
ке
рамик,
которые
выпускаются
довольно
разнообразными
по
составу,
при
чем
каждый
отвечает
определенным
требованиям
[42].
Химический
состав
большинства
исследованных
и
разработанных
маг
IIПТОСТРИКЦИОННЫХ
ферритов
укладывается
в
формулу
[(NiO)l-V-Z
(СиО)у
(ZnO)z]l-Х'
СОО
х
'
Fе
2
Оз.
Некоторые
авторы
[23, 29]
сообщают
о
введении
в
состав
ферритов
не
больших
(порядка
1-2
мол.
%)
добавок
окиси
двухвалентного
железа.
Однако
такие
добавки,
по-видимому,
почти
неизбежно
появляются
в
ходе
технологического
процесса
и,
следовательно,
присутствуют
в
изготов
nенном
материале,
только
они
не
всегда
контролируются.
феррит
Rобальта
добавляется
в
твердый
раствор
в
небольших
количествах
(х
= 0,01; 0,02;
0,03)
для
компенсации
магнитокристаллической
анизотропии.
Известно,
что
феррит
кобальта
имеет
положительную
и
большую
константу
магни
токристаллической
анизотропии,
тогда
как
для
феррита
никеля
эта
кон
станта
отрицательна
и
значительно
меньше
по
величине.
О
возможности
Rомпенсации
магнитокристаЛЛИ1fеской
анизотропии
в
смешанных
ферри
тах
путем
подбора
соотвеТС.твующего
процентного
состава
компонент
с
анизотропией
противоположного
знака
сообщал
Гортер
[43];
впервые
lIрименил
ее
для
магнитострикционных
ферритов
Ван
дер
Бургт
[211.
'Уменьшение
анизотропии
за
счет
компенсации
ведет
к
«умягчению»
маг
нитного
материала
и
повышению
его
магнитной
проницаемости
и
динами
ческих
магнитострикционных
констант.
Компенсация
анизотропии
дости
rается
при
определенной
температуре
t
1юмп
,
величина
которой
зависит
от
содержания
феррита
кобальта.
Обычно
подбирают
t
комп
=
20-250,
при
этом
х
~
0,02-0,025.
С
увеличением
содержания
феррита
кобальта
t
комп
возрастает.
1.:1.8
Добавление
феррита
меди
в
Rоличестве
у
=
0,10-0,20
улучшает
Rаче·
ство
спеRания,
повышает
плотность
материала
и
снижает
температуру
спеRания.
ТаRие
добаВRИ
меди обычно
мало
влияют
на
величину
магнито
СТРИRЦИИ
насыщения
Ав
и
ИНДУRЦИИ
насыщения
Вв,
а
таRже
на
темпера
туру
Кюри
t
и
и
RОЭРЦИТИВНУЮ
силу
Не
материала.
Они
праRтически
не
влияют
и
на
величину
Д~нами-
ческих
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
Нс,эг-_--т
__
-.-
__
-т-_-----,г-_---,
Ро
лs·to
6
констант
материала,
т.
е.
не
улучшают
его
свойства.
Однано
возможность
снижения
темпера-
J
I-----+--+---+---I-----,,q
туры
обжига
на
100-2000
за
счет
присаДRИ
меди
может
иметь
весьма
существенное
значение
при
массовом
производстве
фер
ритов.
1~--+---~~~----+-~d·ЮО
Ю
ДобаВRиферрита
ЦИНRа
тан-
же
дают
увеличение
плотности,
Ро
1
.......
-
--
но
при
этом
заметно
изменяются
О
L--_--L.
__
-L
__
.l-_--I
__
.-J
И
другие
свойства
материала:
0,1
o,Z
0,3
o,lf
0,5
понижается
величина
Ав,
Но
СоiJержанuе
ZnD
увеличивается
начальная
про-
Рис.
1.
Зависимость
свойств
твердого
раствор&..
ницаемость
f..to
(рис.
1).
Заметно
нинельциннового
феррита
(NiO)1_Z(ZnO)
...
F
e
2
0
,
возрастает
и
ИНДУRЦИЯ
насыще-
от
содержания
феррита
цинна
ния.
Температура
Кюри
снижа-
ется
с
5900
при
z =
О
до
2600
при
z = 0,5.
Ферриты
с
ЦИНRОМ
могут
служить
материалом
для
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
приеМНИRОВ.
Для
излучателей
отрицательным
фаRТОМ
является
снижение
динамичеСRИХ
маГНИТОСТРИR·
ционных
нонстант
за
счет
ЦИНRа.
Однано
при
работе
с
большой
амплиту"
дой
положительное
значение
может
иметь
их
повышенная
ИНДУRЦИЯ
Ha~
сыщения.
Кан
будет
ПОRазано
далее,
нелинейность
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
хараRтеРИСТИR
ферритов,
приводящая
R
снижению
предельной
излучае
...
мой
преобразователями
мощности,
обусловливается
в
основном
величи·
ной
индуiщии
насыщения.
В
табл.
1
приведено
условное
обозначение
и
состав
маГНИТОСТРИRЦИОН
ных
ферритов,
ноторые
изготавливаются
в
АRустичеСRОМ
институте
нак
материал
для
излучателей.
Таблица
1
Состав
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
ферритов
Тип
феррита
21
41
42
М-20
МК-16
38
Состав
(NiO)
(Fе20з)
(NiO)o,99
(СОО)о,О1
Fе
2
0
з
(NiО)о,98(СОО)о,О2
Fе
20з
(NiO)о,80(СUО)о,20
Fе
2
0
з
(NiО)о,82(СUО)о,16СООо,О2Fе20з
NiОо,50ZПОо,50Fе20з
§
2.
Осо&енности
теХНОaJIОГИИ
ИЗГОТОВaJIения
ферритов
ДaJIЯ
~aJIеRтроаRустичеСRИХ
преобразоватеaJIей
Свойства
RерамичеСRИХ
ферритов,
определяемые
в
основном
их
хими'"
чеСRИМ
составом,
в
большой
степени
зависят
и
от
технологии
изготовле
ния.
ТехнологичеСRие
фаRТОРЫ,
в
частности,
сильно
влияют
на
плотностЬ
1.1.7
материала,
а
величина
плотности
d
или
пористости
r
имеет
принципиаль
ное
значение
для
аRустичеСRИХ
ферритов.
В
первую
очередь
это
связано
со
специфИRОЙ
работы
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
излучателей:
сердеЧНИRИ
излучателей
работают,
нан
правило,
на
частоте
механичеСRОГО
резонанса,
с
большой
амплитудой
возбуждающей
ИНДУRЦИИ
и
механичеСRОГО
напря
жения.
Для
обычных
радиотехничеСRИХ
ферритов
таRие
условия
работы
nе
харантерны.
Величина
пористости
ферритов
определяется
нан
do-d
r = d
o
'
где
d
o
-
RристаллографичеСRая
плотность,
RОl0рая
для
ферритов
УRазан
пого
в
§ 1
состава
равна
приблизительно
5,35 [4J.
Если
пористость
фер
ритов,
предназначенных
для
разнообразных
радиотехничеСRИХ
применс
пий,
может
достигать
10
и
даже
20%,
то
в
ферритах
для
преобразователей
она
обычно
не
превышает
3-5
%.
При
увеличении
плотности
уменьшается
анизотропия,
связанная
с
неоднородностью
материала,
и
он
делается
бо
лее
маГНИТОМЯГRИМ:
увеличиваются
магнитная
проницаемость
~ и
RОЭф
фициент
магнитомеханичеСRОЙ
связи
К, уменьшается
Rоэрцитивная
сила
Не,
хараRтеризующая
потери
на
гистерезис.
Это
видно
из
табл.
2,
где
:nриведены
свойства
серийных
радиотехничеСRИХ
и
аRустичеСRИХ
ферри
тов
одинаRОВОГО
состава
(значение
К
в
таблице
дано
для
остаточной
nамагниченности,
что
обозначено
индеRСОМ
r).
Таблица
2
Свойства
серийных
радиотехничеClШХ и
аRустичеСI~ИХ
ферритов
р
Состав
ферритов
d,
г/е,мЗ
Р'О
Не,
Э
КТ
...
NiOFе
2
Оз
(серийный)
4,00
17
14
0,05
NiOFе
2
Оз (аRустичесний)
5,20
44
2,8
0,15
(NiO)о,5(ZПО)о,5·Fе20з
(серийный)
4,50
250
1,4
0,05
(NiO)o,5(ZnO)O,5"
Fе20з
(анустичесний)
5,27
300
0,35
0,10
Особенно
важен
для
применения
ферритов
в
Rачестве
материала
для
излучателей
мощного
ультраЗВУRа
тот
фаRТ, что
с
увеличением
плотности
заметно
возрастает
их
механичеСRая
прочность"
Это
иллюстрируется
рис.
2,
где
приведена
динамичеСRая
прочность
феррита,
измеренная
на
ТОНRИХ
стержнях
диаметром
4-5
.м.м.
Для
аRустичеСRИХ
ферритов
важно
таRже,
чтобы
технологичеСRИЙ
процесс
обеспечивал
возможность
получе
ния
достаточно
Rрупногабаритных
деталей
(с
резонансными
частотами
20-30
кгц)
без
RаRИХ
бы
то
ни
было
изъянов
и
трещин.
Самые
незначитель
вые
внутренние
дефеRТЫ
(МИRРОСRопичеСRие
раRОВИНЫ,
волосяные
тре
щины),
не
играющие
заметной
роли
при
применении
ферритов
в
Rачестве
радиотехничеСRИХ
материалов,
существенно
понижают
их
механичеСRУЮ
:nрочность
в
режиме
интенсивных
RолебаниЙ.
Ферриты
получают
путем
реаRЦИИ
в
твердой
фазе,
осуществляемой
при
ВЫСОRОЙ
темпера
туре
[44
J.
:ТехнологичеСRИЙ
процесс
изготовления
содержит
следующие
этапы:
1)
смешение
и
помол
исходных
материалов
в
шаровых
или
вибрационных
мельницах;
2)
предварительный
синтез,
осуществляе
мый
при
температуре
900-950°;
3)
вторичный
помол;
4)
оформление
из
делий
из
синтезированного
ПОРОШRа
методом
прессования;
5)
обжиг
от
прессованных
изделий
при
ВЫСОRОЙ
температуре.
t~8
В
качестве
исходных
материалов
используются
окислы
никеля,
же
леза,
меди,
кобальта,
иногда
-
соответствующие
соли.
Желательно
при
менение
материалов
марки
«ч»
или
«чдю>.
Способ
изготовления
ферритов
из
окислов
менее
эффективен,
чем
способ
совместного
осаждения
гидрооки
сей
или
разложения
солей
соответствующих
металлов.
Однако
активные
условия
синтеза
могут
скомпенсировать
недостаточную
активность
ших
ты
из
окислов
[45];
в
то
же
время
способ
изготовления
ферритов
из
окис
лов
технологически
наиболее
прост.
Плотность
ферритов
может
быть
увеличена
улучшением
качества
по
мола,
увеличением
давления
прессования,
повышением
температуры
окон
чательного
обжига.
Последний
фактор
сказывается
наиболее
сильно,
что
ясно
видно
на
рис.
3.
По
технологии,
принятой
в
Акустическом
институте,
150
500
250
v
о
4,0
,
,
-----,
I
I
...
~
/
V
l
v
J
4,5
5,0
d,
zjCH3.'
Рис.
2.
Зависимость
динамиче
ской
прочности
на
разрыв
(Jпр
феррита
никеля
от
его
плотно
сти
d
"u-o
Не
d
J.
/
"
/
......
/
/
,у
~
---
~O
8
5,2
ЗО
8
5,1
..................
Н
с
L
-
г--
--
5,0
го
4
10
2
1250
1300
1350
Рис.
3.
Зависимость
плотностn
d,
началь·
ной
магнитной
провицаемости
f.Lo,
коэрци
тивной
силы
Не
феррита
никеля
от
темпе-
ратуры
окончательного
обжига
образцов
помол
производится
мокрым
способом
как
в
шаровой,
так
и
в
вибромель
нице.
Качество
помола
контролируется
прохождением
массы
через
сито
с
10000
отверстий
на
1
с,м2,
размер
частиц
после
помола
не
превышает
0,5
,м
11:.
Для
уменьшения
намола
железа
применяются
барабаны
из
отбе
ленного
чугуна
и
шары
из
твердой
стали.
Оформление
изделий
осуществ
ляется
в
стальных
прессформах,
предварительно
порошок
пластифици
руется
связующими
веществами.
При
изтотовлении
крупных
деталей
пластификатором
служит
парафин,
добавляемый
в
порошок
в
количестве
6
вес.
%.
Давление
прессования
составляет
2500
1I:?/CoМ2.
Для
такого
дав
ления
требуются
специальные
прессформы
высокого
качества;
они
изго
тавливаются
из
твердых
сортов
стали
с
тщательной
прошлифовкой
прес
сов
очных
поверхностей
и
имеют
разъемную
матрицу.
Образцы,
пластифи
цированные
парафином,
до
окончательного
обжига
подвергаются
опера
ции
выжигания
связки.
Температура
окончательного
обжига
ферритов
без
добавок
меди
составляет
14000,
для
ферритов
М-20
и
МН-16
она
пони
жается
до
1150-11000.
При
температуре
окончательного
обжига
делается
выдержка
2-3
часа.
Чтобы
избежать
появления
трещин
в
процессе
об
жига
крупных
деталей,
подъем
и
понижение
температуры
производятся
медленно,
со
СIШРОСТЬЮ
не более
500
в
час.
Изготовленные
по
такой технологии
образцы
имеют
пористость
меньше
2
%.
Однако
это
не
является
пределом.
Как
показали
Ван
дер
Бургт
и
Стуйтс
[24],
применение
для
тончайшего
измельчения
порошка
вибрацион
ного
способа,
тщательный
подбор
температуры
синтеза,
гидростатиче
ское
прессование
и
длительные
выдержки
в
процессе
обжига
позволяют
еще
больше
снизить
пористость.
На
образцах
в
виде
дисков
диаметром
:11
.•
2,5
см
этим
авторам
удалось
достигнуть
значений
r
<:
0,5
%.
Они
пока
зали,
что
технологический
путь
повышения
плотности
позволяет
достиг
нуть
лучших
результатов,
чем
В1Зедение
добавок
меди:
наименьшая
пори
стость
была
ими
получена
на
образце
из
никель-кобальтового
феррита,
без
присадки
феррита
меди.
Такие
плотные
образцы
обладают
очень
вы
соким
коэффициентом
магнитомеханической
СI'Jязи.
Следует
отметить,
что
для
массового
изготовления
ферритовых
сердечников
этот
способ,
по-ви
димому,
очень
сложен.
Во
всяком
случае
в
литературе
нет
никаких
све
дений
о
применении
его
на
образцах
более
сложной
формы
или
больших
габаритов,
чем
упомянутые
диски.
Глава
2
ОСНОВНЫЕ
СВОЙСТВА
ФЕРРИТОВ,
ПРИМЕНИЕМЫХ
Д~JIИ
ИЗГОТОВЛЕНИИ
ИЗЛУЧАТЕ.JIЕii
§
1.
Характеристики
иаl'ИИТОСТРИКЦИОННЫХ
ферритов
при
комнатной
теипературе
Опригодности
магнитострикционного
материала
для
целей
электро
акустического
преобразования
судят
по
величине
его
характеристик,
KO~
торые
определяют
важнейшие
свойства
преобразователя:
К.П.д.,
чувст
вительность
в
режиме
излучения
и
приема.
Связь
свойств
преобразова
теля
с
характеристиками
материала
получают
из
расчетов
колебаний
маг
нитострикционных
преобразователей
(см.,
например,
[14, 47, 48J).
Такие
расчеты
проводят
в
предположении
линейной
связи
между
величинами
Н,
В,
а
и
г,
где
В,
а,
г
-
амплитуды
переменной
индукции,
механическо
го
напряжения
и
деформации,
возникающие
в
магнитострикционном
ма
териале
при
наложении
переменного
магнитного
поля
с
амплитудой
Н,
меньшей
величины
постоянного
поля
подмагничивания
Но.
Важнейшие
динамические
магнитострикционН:ые
характеристики:
л
=
(а/В)!,
Л=(В/а)н
(индексы
при
скобках
означают
постоянство
соответствующего
параметра).
Величина
л
характеризует
чувствительность
магнитострик
ционных
излучателей
по
напряжению,
т.
е.
отношение
звукового
давления
на
оси
излучателя
к
амплитуде
напряжения
на
его
обмотке;
величина
Л
определяет
чувствительность
по
току
(она
же
характеризует
чувствитель
ность
магнитострикционных
приемников).
Важной
характеристикой
яв
ляется
коэффициент
магнитомеханической
связи
К,
определяющий
отно
шение
механической
энергии
к
энергии
магнитного
поля
в
сердечнике
при
работе
излучателя
на
частотах,
лежащих
значительно
ниже
резонанса
для
тех
случаев,
когда
потерями
можно
пренебречь.
Между
этими
ха
рактеристиками
существует
связь,
выражаемая
соотношением
где
fA.!
=
(В/Н)е,
а
ЕВ
=
(а/в)в.
Для
оценки
К.П.д.
излучателя
нужно
знать
как
величину
К,
так
и
потери
в
материале.
Магнитные
потери
могут
быть
охарактеризованы
ве
личиной
tg
р,
механические
потери
-
добротностью
Q.
Электромехани-
:1.20