Материалы с особыми свойствами

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

В технике нашли применение материалы с различными специальными физическим свойствами. В данном пособии мы рассмотрим материалы с особыми магнитными свойствами и материалы с эффектом памяти формы.

Магнитные материалы

Это материалы с особыми свойствами. Они намагничиваются в магнитном поле. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. При наложении внешнего магнитного поля магнитные векторы ориентируются по отношению к полю. Классификацию материалов можно провести по величине и знаку их магнитной восприимчивости c. Магнитная восприимчивость в магнитных полях равна c=M/H, где M – намагниченность вещества, H – намагниченность поля. Вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью называют диамагнетиками. Это металлы Cu, Ag, Au, He, Zn, полупроводники Ge и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении, противоположном направлению магнитного поля. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью называют парамагнетиками. Это Pt, Al, Mg, T, Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля. Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля (рис. 4.29). Ими являются металлы Fe, Ni, Co, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах.

Рис. 4.29. Ориентация магнитных моментов атомов различных материалов

Ферромагнетизм - результат обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией (рис. 4.30). Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен- это область кристалла размером 10^-4 - 10^-6 м, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению.

Рис. 4.30. Обменная энергия ферромагнитных металлов: I – антиферромагнетики; II –ферромагнетики; III – парамагнетики.

Существуют также антиферромагнетики,где магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен нулю (рис.16.1). Если же эти магнитные моменты не скомпенсированы, то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называется ферримагнетиком.

Для классификации материалов используют понятие магнитной индукции. Это - плотность магнитного потока - определяется как сумма внешнего Hи внутреннего Mмагнитных полей:

В= m₀(H+M)

(4.6)

где m₀ - магнитная постоянная, равная 4p×10^-7 Гн/м.

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость m. Она определяется как тангенс угла наклона касательной к первичной кривой намагничивания B= f(H)(рис. 4.31). Различают начальную магнитную проницаемость m_Нпри H» 0 и максимальную m_max. Кроме абсолютной магнитной проницаемости m₁, единица измерения которой Гн/м, используют безразмерную относительную магнитную проницаемость m'= m/m₀.

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до +H_s, уменьшать до нуля (рис. 4.31), То индукция сохранит определенное значение B_r, называемое остаточной индукцией. Намагничивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию В, и при напряженности поля Н_Синдукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная н_с, называется Коэрцитивной силой. При перемагничивании от +H_sдо -H_sи обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезисили перемагничивание.

Рис. 4.31. Петля гистерезиса ферромагнетика

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса - важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а, следовательно, и области применения.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание. При намагничивании в полях с напряженностью меньше H_s размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину l=Dl/l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Значение и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики M_s, B_s, A_s зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики m, н_с, B_т, H_sзависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Магнитомягкие материалы.

Они получилимаксимальное распространение получили. Намагничиваются в слабых магнитных полях (Н £ 5×10⁴ А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (m'_Н £ 70×10³ и m'_max £ 240×10³) и малых потерь на перемагничивание. Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов.

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничивание для магнитомягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко.

При заданной напряженности магнитного поля нтепловые потери растут пропорционально квадратам амплитуды магнитной продукции В_т, частоты магнитного поля f, толщины сердечника dи обратно пропорционально удельному электрическому сопротивлению r. в переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции ви напряженности поля Н. Тепловые потери определяют допустимые рабочие частоты, поэтому магнитомягкие материалы подразделяют на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные магнитомягкие материалы. Низкочастотные магнитомягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения B_sи низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью m.

Материалы с высокой индукцией насыщения. К этим материалам прежде всего относят железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции (B_S менее 2,15 Тл), малой коэрцитивной силе (Н_С £ 100 А/м),и хорошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 10² до 5×10⁴ А/м.

Наибольшее количество примесей содержит технически чистое железо. В процессе изготовления проката в нем возникают остаточные напряжения, а в решетке - большое количество дислокаций, что ухудшает магнитные свойства железа. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения. Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электролизом. Такое железо, особенно переплавленное в вакууме, имеет более высокую магнитную проницаемость, которая почти на порядок выше, чем в технически чистом железе. Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей в них допускается в тех же количествах. Первая цифра в марке стали указывает способ изготовления: 1 - горячекатаная сталь, 2 - холоднокатаная изотропная; вторая - тип по содержанию кремния (0 - 0,03 %); третья - определяет основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, например, сталь 10895, H_C – 95 А/м.

Электрическое сопротивление стали можно повысить легированием кремнием. Один процент кремния повышает удельное электросопротивление на 0,12 мкОм×м. При отжиге кремний способствует росту кристаллов и тем самым несколько уменьшает н_с. Маркировка таких сталей проводится следующим образом: первая цифра в марке определяет вид проката и структуру: 1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления [100]; вторая - процентное содержание Si; третья - потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении Bи f; четвертая - тип стали и уровень основной нормируемой характеристики: 1 - нормальный; 2 - повышенный; 3 - высокий и т.д. Таким образом маркировки: 1311, 2211, 3416.

Согласно гост 12119.0-98 магнитные свойства сталей характеризуются потерями на перемагничивание, магнитной индукцией при определенной напряженности магнитного поля, коэрцитивной силой, анизотропией (для холоднокатаной изотропной стали) и допустимым их изменением в процессе эксплуатации (из-за старения).

После технологических операций, необходимых для изготовления деталей магнитопровода (резка, штамповка и др.), магнитные свойства сталей ухудшаются, т.е. увеличивается коэрцитивная сила, а следовательно, и потери на гистерезис. Для восстановления магнитных свойств применяют отжиг при температуре ниже температуры фазового превращения (880 - 900^ОС) в среде, предохраняющей от окисления и науглероживания. Легированные электротехнические стали применяют в электротехнических изделиях, рассчитанных на работу при частотах до f £ 400 Гц. Стали с более низким содержанием кремния 2011, 2211 используют для сердечников, работающих при частотах до 100 Гц.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (Н_С £ 10² А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы систем Fe-Ni (пермаллои), Fe-Co, Fe-Al (альсиферы).

Для маркировки магнитомягких сплавов используют буквенно-цифровую систему. Буквами обозначают элементы так, как это принято для маркировки сталей. Дополнительно введены обозначения железа - Ж, рения - И, бериллия - Л, редкоземельных металлов - Ч. Марка сплава содержит число, указывающее среднее содержание в процентах основного элемента (кроме железа), и букву, обозначающую этот элемент. в отличие от сталей, массовые доли других легирующих элементов, как правило, не указывают, а приводят лишь их буквенные обозначения. в конце марки могут стоять буквы А или П, обозначающие повышенное качество сплава и прямоугольность петли гистерезиса соответственно, Например: 79НМ – пермаллой, содержащий 79% Ni, легированный молибденом; 8Ю - железоалюминиевый сплав, содержащий 8 % Al; 50НП – пермаллой, содержащий 50% Ni и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса.

Магнитомягкие сплавы являются прецизионными: концентрации легирующих элементов поддерживают в узких интервалах, содержание углерода и других примесей ограничено. Частицы карбидов, оксидов и других включений уменьшают mи повышают н_с. По качеству сплавы разделяют на три класса: I - с нормальными магнитными свойствами; II - с повышенными магнитными свойствами; III - с высокими магнитными свойствами. Соответственно нормальное качество обеспечивается выплавкой в открытых печах, повышенное - в вакууме; высокое - в вакуумных индукционных печах с последующими переплавами. Основное применение этих сплавов - сердечники магнитопроводов различного назначения, в том числе испытывающих нагрев и механические нагрузки при эксплуатации.

Пермаллои содержат от 45 до 83 % Ni, они характеризуются большой магнитной проницаемостью m'_Н £ 70×10³; m'_мах £ 247×10³, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях. Повышенное удельное электросопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni позволяет использовать эти сплавы в радиотехнике. По значению индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля уступают железу и стали, большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полуфабрикатов.

Термическую обработку пермаллоев проводят для удаления примесей, остаточных напряжений и укрупнения зерна. Она заключается в медленном нагреве их до 1100- 1150 ^ОС в среде, защищающей материал от окисления (вакууме, водороде), выдержке при этой температуре 3-6 ч в зависимости от размера и массы, медленном охлаждении до 600 ^ОС (100^ОС/ч) и дальнейшем быстром охлаждении (400^ОС/ч), при котором не происходит упорядочения твердого раствора.

Железокобальтовые сплавы (содержат 18-49 % Со) характеризуются большей, чем у железа, индукцией насыщения (B_s > 2 Тл). Их используют в роторах и ста торах электрических машин при температурах эксплуатации до 900 ^ОС. Для увеличения технологической пластичности железокобальтовых сплавов используют ванадий (1,5- 2,0 %) в сплавах, содержащих ~ 50% Со, и хром (0,5-0,7 %) в сплавах с 18-27% Со. Для получения максимальных значений магнитных характеристик сплавы отжигают. Для улучшения магнитных и технологических свойств эти сплавы дополнительно легируют Cr, Мо, Cu, Si, Mn и другими элементами.

Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса, которые широко используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Существуют два способа получения материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается посредством холодной пластической деформации при прокатке с большими степенями обжатия, магнитная - путем охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка).

Железоалюминиевые сплавы со структурой однофазного твердого раствора с ОЦК решеткой характеризуются аномалиями магнитных свойств. В сплаве Fe - 8 % Al после отжига холоднокатаных лент появляется магнитострикционная анизотропия: значения lвдоль и поперек направления прокатки различные. Альсиферы при содержании 5,4% Al и 9,6 % Si имеют нулевые значения lи отличаются высокой магнитной проницаемостью. Преимуществом альсиферов является отсутствие в их составе дорогих или дефицитных элементов. Они имеют высокую твердость (50 HRC) и сопротивлением изнашиванию. Практическому применению мешает природная хрупкость этих сплавов, что делает их абсолютно недеформируемыми и непригодными для обработки резанием. Изделия получают литьем или порошковой технологией.

Используют также аморфные металлические сплавы (АМС) по химическому составу разделяют на железные, железоникелевые и кобальтовые. Они содержат 20 - 25% (ат.) элементов-амортизаторов из числа В, Si, Р, С, а также добавки Cr, Мо, Nb, V, Mn. Основной технологией производства лент из АМС является быстрая закалка расплава. Ленты являются основным видом полуфабрикатов, из которых изделия получают гибкой, навивкой, вырубкой. Для получения устойчивого комплекса свойств ленты АМС отжигают ниже t_K с наложением магнитного поля и без него.

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях н> 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию B_r= 0,1...1 Тл и коэрцитивную силу Н_С£ 560 кА/м.

Важной характеристикой магнитотвердых материалов является максимальная удельная магнитная энергия w_max. удельная магнитная энергия при размагничивании изменяется от 0 до максимума, как это показано на рис. 4.32, и соответствует половине произведения определенных на кривой размагничивания значений индукции B_xи напряженности H_x. Более выпуклая форма кривой размагничивания соответствует большей магнитной энергии.

Рис. 4.32. Изменение магнитной индукции и удельной магнитной мощности w при размагничивании магнитотвердого материала

Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание смещением доменной стенки и вращением векторов намагничивания. Влияние анизотропии формы на H_Cвелико для всех ферромагнетиков, и оно более сильное, чем влияние остальных видов анизотропии. Большие значения H_Cимеют многофазные сплавы со структурой однодоменных неравноосных ферромагнитных включений в немагнитной основной фазе.

Преимущественное применение в качестве магнитотвердых материалов имеют сплавы, а не чистые металлы. Можно использовать однофазные сплавы с однодоменной неравноосной формой кристаллов либо многофазные сплавы с различной магнитностью основы и включений. Для ферромагнитных включений желательна однодоменная неравноосная форма кристаллов; для неферромагнитных включений важны их количество и размер. Ферромагнитная основа должна иметь различного рода искажения: структура - предпочтительно неравновесный пересыщенный твердый раствор внедрения; желательны остаточные напряжения. Перечисленные условия обеспечивают высокие значения Н_С, B_r, w_max.

Свойства магнитотвердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями, а также ударами и вибрацией.

Магнитотвердые материалы для постоянных магнитов по способу изготовления подразделяют на литые, порошковые и деформируемые.

Литые материалы.Обычно используются сплавы системы Fe-Ni-Al (12-35% Ni, 6,5-16% Al) при комнатной температуре содержат ферромагнитную фазу с большим содержанием железа, вкрапленную в слабоферритную фазу. Термическая обработка включает закалку 1200-1280 ⁰С и охлаждение с критической для каждого сплава скоростью, обеспечивающую наибольшую дисперсность фазы, богатой железом. При последующем отпуске (590-650 ⁰С) происходит дополнительный распад и, следовательно, улучшение магнитных свойств. Маркируют эти сплавы так же, как и стали (ЮНД4, ЮНДК18).

Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке проводить в сильном магнитном поле (Н > 120 кА/м). Дальнейшее улучшение магнитных свойств в литых сплавах получают на столбчатых кристаллах, выращивая: их при кристаллизации сплава с направленным теплоотводом и в магнитном поле. К недостаткам литых сплавов относятся их повышенная хрупкость и высокая твердость, что исключает все виды обработки, кроме шлифования.

Порошковые материалы.Сплавы системы Fe - Ni - Al получают спеканием порошков металлов при 1300 ^ОС в атмосфере аргона или иной защитной атмосфере. Для обеспечения высоких значений B_r и w_max сплавы не должны быть пористыми, поэтому используют мелкодисперсные порошки. По составу порошковые сплавы близки к литым, но по магнитным свойствам несколько уступают им. Маркируют ММК1, ММК6. Режимы термической и магнитной обработки сходны с литыми.

Магнитотвердые ферриты также получают спеканием порошков оксидов FeO, BаO, CoO. По своим магнитным свойствам они уступают литым сплавам, однако, будучи диэлектриками, могут использоваться как постоянные магниты в высокочастотных магнитных полях без тепловых потерь. Маркируют 6БИ240, 10КА165. Число, стоящее в марке на первом месте, определяет значение 2w_max;буквы Б (барий) и к(кобальт) указывают металл в оксиде; буквы и и А соответственно означают изотропный или анизотропный феррит. Трехзначное число в конце марки равно коэрцитивной силе Н_см, определенной по намагниченности М.

Магниты также изготовляют из кристаллов промежуточных фаз редкоземельных металлов с кобальтом, состав которых отвечает формулам RCo₅и RCo₁₇, где R - редкоземельный металл (самарий Sm, празеодим Pr, иттрий Y). Технология изготовления магнитов из соединений с редкоземельными металлами является сложной, но это единственный путь достижения исключительно больших значений магнитной энергии. Дляполучения таких порошков сплавы подвергают тонкому размолу. Прессование магнитов из порошков осуществляют в магнитном поле для получения магнитной текстуры. Последующее спекание прессовок в вакууме или инертном газе имеет целью повышение прочности и плотности. Спеченные прессовки отжигают по специальным режимам, чтобы окончательно завершить формирование комплекса магнитных свойств. Наиболее перспективным считается использование порошка Nd₂Fe₁₄B с использованием быстрой закалки расплава, что позволило получить частицы удлиненной формы длиной до 200 мкм. Дополнительно эти сплавы легируют такими элементами, как Dy, Gd, Со, Al, Mn, расширяющих диапазон магнитных характеристик и повышающих их стабильность.

Сверхпроводники

Особую группу материалов с высокой электрической проводимостью образуют сверхпроводники. с понижением температуры удельное электросопротивление всех металлов монотонно падает (рис. 4.33). Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение rрезко падает до нуля - материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и у около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства имеют многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (s-фаза, фаза Лавеса и т.д.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой и сверхпроводник превращается в диамагнетик.

Рис. 4.33. Изменение удельного электросопротивления в металлах (1) и сверхпроводниках (2) в области низких температур

Сверхпроводящее состояние разрушается не только в результате нагрева, но также в сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы (критические значения поля и тока).

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 к (-263,83 ^ОС). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (гост 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22-26% Ti; 63-68% Nb; 8,5-11,5% Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7 к. критические значения плотности тока и напряженности магнитного поля составляют 2,8.10⁶ А/м² и (6-7,2).10⁶ А/м соответственно при температуре 4,2 К. Проволоку из сплава 35БТ состава 60-64% Ti; 33,5-36,5% Nb; 1,7-4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу. Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на магнитной подушке), туннельных диодов. Так же нашали применение и диамагнитные свойства сверхпроводников.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1600; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!