Получение магнитных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Химия радиоматериалов»

на тему: «Получение магнитных материалов»

 

 

 

Выполнил:

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дата сдачи: «_____»________20___г.

Дата защиты: «____»_________20__г.

Оценка:__________________________           _________________________

                                                                                                                                                 (подпись руководителя)

 

 

Содержание:

 

Введение . . . . . . . . . . . . 3

Глава № 1: «Магнитотвердые материалы» . . . . . . 5

Глава №2: «Магнитомягкие материалы» . . . . . . . 10

Глава № 3: «Магнитострикционные материалы» . . . . . 13

Глава № 4: «Магнитооптические материалы» . . . . . . 16

Глава № 5 : «Термомагнитные материалы» . . . . . . 18

 

 

 

 

Введение.

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о еще более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.

К магнитным материалам с точки зрения техники относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.

В основном магнитные материалы относятся к группе ферромагнетиков и делятся на две большие группы — Магнитотвёрдые материалы и Магнитомягкие материалы. В то же время в связи с успехом в науках изучающих магнетизм и с развитием большой исследовательской работы в области изучения магнитных материалов, появились новые большие группы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы.

Виды  магнитных материалов:

• Магнитотвёрдые материалы:

• Магнитомягкие материалы:

• Магнитострикционные материалы:

• Магнитооптические материалы:

• Термомагнитные материалы:

 

 

 

Глава №1: «Магнитотвердые материалы.»

 

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются:

1. легированные стали, закаленные на мартенсит
2. литые высококоэрцитивные сплавы
3. порошковые магнитотвердые материалы
4. магнитотвердые ферриты
5. пластически деформируемые сплавы
6. сплавы для носителей магнитной информации
1. Легированные стали, закаленные на мартенсит. 
    По составу это высокоуглеродистые стали, легированные W, Mo, Cr или Co. Эти стали сравнительно дешевы и допускают обработку на металлорежущих станках. Но применение мартенситных сталей вследствие низких магнитных свойств ограничено. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки.
2. Литые высококоэрцитивные сплавы. 
    К этой группе относятся сплавы систем Fe—Ni—Al (ални) и Fe—Ni—Co—Al, модифицированные различными добавками. Литые высококоэрцитивные сплавы являются основными промышленными материалами для изготовления постоянных магнитов. Они являются активными элементами многих приборов и характеризуются благоприятным соотношением между магнитными свойствами и стоимостью производства. Их магнитные характеристики: Hc 30-110 кА/м, Wm 3-30 кДж/м3. 
   Магнитная текстура высококоэрцитивных сплавов создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле. При этом достигается упорядоченное расположение пластинчатых выделений сильномагнитной фазы, которые своими осями легкого намагничивания ориентируются в направлении поля. Такое магнитное текстурирование эффективно лишь для сплавов с высоким содержанием кобальта. Текстурированный материал магнитно анизотропен, наилучшие свойства у него обнаруживаются в том направлении, в котором при охлаждении на него действовало магнитное поле. Кристаллическую текстуру создают методом направленной кристаллизации сплава, залитого в форму, используя особые условия теплоотвода.  Сплавы, полученные направленной кристаллизацией, имеют специфическую столбчатую структуру. Сочетание кристаллической и магнитной текстур позволяет улучшать все параметры магнитотвердого материала. 
    Бескобальтовые сплавы наиболее дешевые. Сплавы, содержащие кобальт, применяются в тех случаях, когда требуются повышенные магнитные свойства и нужен изотропный магнитный материал. Сплавы с 24% кобальта (магнико), обладающие высокими магнитными свойствами в направлении магнитной текстуры, используют при направленном магнитном потоке. Сплавы с направленной кристаллизацией обладают наибольшим запасом магнитной энергии.
3. Порошковые магнитотвердые материалы. 
    Получают путем прессования порошков с последующей термообработкой. В зависимости от особенностей производства и природы высококоэрцитивного состояния материалы этой группы подразделяются на металлокерамические магниты и металлопласты, в том числе металлопластические магниты. Сложность получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами из литых железоникельалюминиевых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Эти магниты дешевы, обладают высокой коэрцитивной силой, но малой остаточной индукцией. К недостаткам также относятся плохие механические свойства и невысокая термостабильность.  Высококоэрцитивное состояние обусловлено трудностью зародышеобразования или вращения намагниченности в мелких частицах феррита, обладающих высокой кристаллической анизотропией. В результате ряда технологических операций частицы оказываются изолированными друг от друга и перемагничиваются в значительной степени индивидуально.
4. Магнитотвердые ферриты. 
    Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) — это ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Применяются главным образом феррит бария -BaO.6Fe2O3, феррит кобальта CoO.6Fe2O3 и феррит стронция SrO.6Fe2O3. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. Технология их получения аналогична технологии приготовления керамики. Для получения мелкокристаллической структуры осуществляют тонкий помол, а спекание проводят при относительно невысоких температурах, чтобы исключить процесс рекристаллизации. Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют. Текстура создается путем формования массы в сильном магнитном поле.  
    В зависимости от технологии изготовления магниты на основе феррита бария могут быть изотропными и анизотропными. Ферриты кобальта имеют кубическую структуру и получают их по той же технологии, что и ферриты бария. Основное отличие заключается в термомагнитной обработке спеченных магнитов. 
    Магнитные свойства магнитотвердых ферритов: Hc — 120-240 кА/м, Wm — 3-18 кДж/м3. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например, =104-107 Ом.м. Недостатки магнитотвердых ферритов — низкая механическая прочность большая хрупкость и твердость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры. 
5. Пластически деформируемые сплавы. 
    К пластически деформируемым сплавам относятся сплавы систем: 
   Fe — Со — Mo — (72%Fe, 12%Со, 16%Mo — комол);  
   Fe — Со — V — (37%Fe, 52%Со, 11%V — викаллои); 
   Fe — Ni — Cu — (20%Fe, 20%Ni, 60%Cu — кунифе); 
   Co — Ni — Cu —(45%Co, 25%Ni , 30%Cu — кунико).

  Эти сплавы более пластичны и значительно легче поддаются механической обработке. Благодаря мелкодисперсной структуре, магнитные свойства этих сталей лучше, чем у легированных мартенситных сталей. Дисперсионно-твердеющие сплавы типа Fe — Со — Mo (комолы) приобретают высококоэрцитивное состояние (магнитную твердость) в результате отпуска после закалки, при котором происходит распад твердого раствора и выделяется фаза, богатая молибденом. Сплавы типа Fe — Со — V (викаллои) для придания им свойств магнитотвердых материалов подвергают холодной пластической деформации с большим обжатием и последующему отпуску.              Высококоэрцитивное состояние сплавов типа Pt — Со возникает за счет появления упорядоченной тетрагональной фазы. К этой группе материалов относятся сплавы систем Fe — Ni — Cu и Co — Ni — Cu. Магнитные свойства этих сплавов высокие: Hc (12-55) кА/м, Wm (3-19)кДж/м3. Магнитотвердые ферриты применяются для работы в условиях рассеянных магнитных полей и в СВЧ-диапазоне. Основной недостаток этих сплавов — высокая стоимость.

6. Сплавы для магнитных носителей информации. 
    Материалы этой группы должны иметь высокие значения остаточной магнитной индукции Br и коэффициента выпуклости в, а также высокую остаточную индукцию для повышения уровня считываемого сигнала. 
    Для записи и воспроизведения информации используют тонкие металлические ленты и проволоку из специальной нержавеющей стали и викаллоя. В качестве магнитного носителя информации используют магнитотвердые порошковые покрытия, нанесенные на различные основания. Намагниченность магнетика после «отключения» поля будет зависеть от величины этого поля. Именно этот эффект используется для магнитной записи информации. Для этого различные участки ферромагнетика в виде тонкого магнитного слоя, нанесенного на диамагнитный диск или ленту, намагничивают полем, создаваемым миниатюрным источником магнитного поля — записывающей головкой. В результате такой записи различные участки ферромагнетика будут иметь различную остаточную намагниченность, несущую в себе информацию о поле, создаваемом записывающей головкой.  Записанная информация может долго храниться. С помощью различных устройств, называемых считывающими головками, записанная информация может быть считана и превращена в записанный ранее электрический сигнал. В настоящее время достигнута очень высокая плотность записи — свыше 100 мегабит на см2.  
    
    В качестве магнитного порошка используют оксиды железа, магнитотвердые ферриты, сплавы типа ални. Магнитные свойства лент, дисков и других устройств существенно зависят от размера частиц порошка, их ориентации и объемной плотности в рабочем слое. Качество поверхности влияет на ее частотные показатели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава №2: «Магнитномягкие материалы.»

 

Магнитно-мягкие материалы используются в качестве магнитопроводов электрических машин, сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов реле, электроизмерительных приборов и т. п. Рассмотрим некоторые магнитно-мягкие материалы:

• Чистое железо
• Листовая электротехническая
• Пермаллой
• Альсифер
• Пермендюр
• Магнитодилектрики

                                         Чистое железо.

Электролитическое железо получают путем электролиза сернокислого или хлористого железа с последующей плавкой в вакууме продуктов электролиза.  Измельченное в порошок электролитическое железо идет на изготовление магнитных деталей по типу изготовления керамики или пластмасс. 
Карбонильное железо получается в виде порошка в результате термического разложения вещества, в состав которого входит железо, углерод и кислород [Fe(CO)5]. При температуре 1200° порошок карбонильного железа спекается и идет на изготовление таких же деталей, которые выполняются из электролитического железа. Карбонильное железо отличается высокой чистотой и пластичностью; применяется в электровакуумной промышленности, а также в приборостроении для изготовления лабораторных инструментов и приборов. 
 Рассмотренные нами два вида особо чистого Железа (электролитическое и карбонильное) содержат не более 0,05% примесей. 
                                   Листовая электротехническая сталь.

Листовая электротехническая сталь является наиболее распространенным материалом в электромашиностроении и трансформаторостроении.  Электротехническая сталь легируется кремнием для улучшения ее магнитных свойств и уменьшения потерь на гистерезис. Кроме того, в результате введения кремния в состав стали увеличивается ее удельное сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи. Толщина листа в зависимости от марки стали 0,3 и 0,5 мм. Электротехническая сталь, прокатанная в холодном состоянии с последующим отжигом в атмосфере водорода, имеет особо высокие магнитные свойства. Это объясняется тем, что «кристаллы металла располагаются параллельно направлению прокатки. Такая сталь обозначается буквами ХВП (холоднокатаная высокой проницаемости, текстурованная). Листы стали имеют размеры от 1000х700 до 2000 х 1000 мм.

                                                    Пермаллой. 
Пермаллой — сплав железа и никеля. Примерный состав пермаллоя: 30—80% никеля, 10—18% железа, остальное — медь, молибден, марганец, хром. Пермаллой хорошо обрабатывается и выпускается в виде листов. Обладает очень высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (до 200000 Гн/см). Пермаллой применяется для изготовления деталей телефонной и радиотехнической связи, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, реле, деталей электроизмерительных приборов. 
                                                          Альсифер.

Альсифер — сплав алюминия, кремния и железа. Примерный состав альсифера: 9,5% кремния, 5,6% алюминия, остальное — железо. Альсифер — твердый и хрупкий сплав, поэтому он обрабатывается с трудом. Преимущества альсифера — высокая магнитная проницаемость в слабых магнитных полях (до 110000 гн/см), большое удельное сопротивление (р =0,81 ом • мм2/м), отсутствие в его составе дефицитных металлов. Применяется для изготовления сердечников, работающих в высокочастотных установках.

                                                     Пермендюр. 
 Пермендюр—сплав железа с кобальтом и ванадием (50% кобальта, 1,8% ванадия, остальное — железо). Пермендюр выпускается в виде листов, полос и лент. Применяется для изготовления сердечников электромагнитов, динамических репродукторов, мембран, телефонов, осциллографов и т. п. 
                                                  Магнитодиэлектрики.

Магнитодиэлектрики — магнитно-мягкие материалы, раздробленные в мелкие зерна (порошок), которые изолируются одно от другого смолами или другими связками. В качестве порошка магнитного материала применяется электролитическое железо, карбонильное железо, пермаллой, альсифер, магнетит (минерал FеО • Fе2О3).  Изолирующими связками являются: шеллак, фенолоформальдегидные смолы, полистирол, жидкое стекло и др. Порошок магнитного материала смешивают с изолирующей связкой, тщательно перемешивают и из полученной массы прессуют под давлением сердечники трансформаторов, дросселей, детали радиоаппаратуры.  Зернистое строение магнитодиэлектрических материалов обусловливает малые потери на вихревые токи при работе этих материалов в магнитных полях токов высокой частоты. 

 

 

 

 

 

 

 

Глава № 3: «Магнитострикционные материалы.»

 
Способ повышения магнитострикционных свойств железоалюминиевых сплавов:

заключается в том, что сплавы подвергают отжигу в интервале 500-900oC с последующим медленным охлаждением, в особенности в интервале 900-600oC, до 100oC, и видоизменение этого способа, заключающееся в том, что сплавы отпускают при температуре 400-300oC с выдержкой от 3 до 15 ч с последующим медленным охлаждением до 100oC. 
 Недостатком этого способа являются сравнительно низкие магнитные свойства материала, так как при указанных режимах не происходит удаление примесей, обычно имеющихся в металлах, ухудшающих эти свойства. 
                           Способ алитирования электротехнических сталей:

 заключается в диффузионном алитировании с последующим оксидированием, при котором для получения высоких магнитных свойств в сочетании с высокой жаростойкостью и электроизоляционными характеристиками поверхности, алитирование производят по режимам, обеспечивающим концентрацию алюминия в диффузионном слое 14,5-17,5 мас.%. 
 Недостатком этого способа является то, что при соблюдении условий, составляющих его основу, магнитострикция насыщения электротехнической стали близка к нулю, что не позволяет использовать этот способ для получения магнитострикционных материалов. 
Способ изготовления магнитострикционного сплава, содержащего 5,5-6,5% алюминия, 0,02-0,03% углерода, остальное железо:

включает выплавку, ковку, горячую прокатку с промежуточными отжигами и окончательную холодную прокатку, при котором с целью повышения магнитострикции при одновременном уменьшении магнитных полей насыщения и расширения температурного интервала стабильности после окончательной холодной прокатки проводят дополнительный отжиг в интервале 1050-1150oC, а окончательную холодную прокатку осуществляют с обжатием 3-4%. 
 Недостатком этого способа являются невысокие магнитострикционные свойства получаемого материала, максимум которых приходится на содержание алюминия в пределах 8-14%, что значительно больше, чем 5,5-6,5% по рассматриваемому способу. 
Способ получения магнитострикционного материала на основе сплава                                                                         железо- алюминий:

включает выплавку, ковку, горячую и холодную прокатки с промежуточным и окончательным отжигами, при котором с целью повышения магнитострикции насыщения и ее температурной устойчивости, снижения удельных магнитных потерь, после окончательного отжига на поверхности материала создают снижающие напряжения, достаточные для перестройки типа доменной структуры путем нанесения магнитоактивного электроизоляционного покрытия. 
 Недостатком этого способа также являются невысокие магнитострикционные свойства получаемого материала, что определяется низким по сравнению с оптимальным содержанием алюминия. 
                                         Технический результат способов:

 получение магнитострикционного  материала методом диффузионного  насыщения алюминием технически  чистого железа, например, электротехнической  стали, обладающего лучшими характеристиками  по сравнению с альферами. 
 Достигается технический результат тем, что обработке подвергают ленту или детали из технически чистого железа толщиной 0,18-0,6 мм методом циркуляционного диффузионного насыщения их алюминием в атмосфере хлоридов алюминия при избыточном давлении до 0,1 МПа до достижения концентрации алюминия в материале 14-22 ат.% путем нагрева до температуры 1173-1373 К и изотермической выдержки в течение 3-8 ч, причем в качестве технически чистого железа используют электротехническую сталь, а обработку методом циркуляционного диффузионного насыщения производят в муфеле установки для диффузионного насыщения, причем количество размещаемого в муфеле металлического алюминия берут в 1,5-3 раза больше расчетного для достижения требуемой концентрации алюминия в материале. 
Сущность заявляемого способа состоит в том, что известный способ циркуляционного диффузионного насыщения металлов и сплавов использован для получения магнитострикционного материала "дифераль". 
Насыщению подвергается лента из технически чистого железа, например, электротехнической стали, или детали преобразователя, вырубленные из этой ленты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава № 4: «Магнитооптические материалы.»

 

Пригодность  магнитных  материалов   для   создания   на   их   основе

магнитооптических  устройств  зависит  от   совокупности   магнитооптических

свойств.

  Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптической активности в

диапазоне оптических волн с учетом возможной их анизотропии.

Феррогранаты.

Феррогранаты имеют окно прозрачности в диапазоне  волн  1,15—  5  мкм.

Наиболее перспективными материалами являются чистые железоиттриевые  гранаты

(ЖИГ) и висмутосодержащие  гранаты,  в  которых  часть  иттрия  заменена  на

висмут.

      Синтезирование  эпитаксиальных  пленок  ферритов-гранатов,  включающее

подбор состава исходных  пленок  и  подложки,  выбор  оптимальной  обработки

(отжига), обеспечивает получение  материалов  с  высокими  магнитооптическими

свойствами,   различающихся   по   намагниченности,    коэрцитивной    силе,

анизотропии, подвижности доменной стенки и т. п.

Ферриты-гранаты.

      Ферриты-гранаты  являются основными  магнитооптическими  материалами  в

инфракрасной области. Для видимого света они мало пригодны.  Имеются  данные

об  использовании  высококачественных  пленок  ферритов-гранатов  в  видимом

свете .

      Однако  при реализации устройств на  этих материалах надо иметь  в  виду

следующие особенности.  Технология  производства  ортоферритов  не  позволяет

изготавливать очень тонкие пластины (меньше 1 мкм). Именно по  этой  причине

ортоферриты применяют при λ>0,5 мкм, хотя имеются данные о том, что и при  λ

= 0,45 мкм их оптические  свойства  выше  свойств  MnBi-пленок.  Оптимальная

толщина пластин ортоферритов для λ=0,63 мкм  составляет  60—90  мкм.  Вторая

особенность   связана    с    оптической    анизотропностью    ортоферритов,

обусловленной низкой симметрией ромбической ячейки. Для  исключения  явления

двулучепреломления пластины из ортоферритов вырезают нормально к  оптической

оси. При этом реализуется устойчивая  полосовая  доменная  структура,  а  не

ЦМД. Установлено, что в очень тонких пластинах при толщинах  порядка  1  мкм

двулучепреломление незначительно, и материал можно  в  этом  случае  считать

изотропным.   Введение   в   ортоферрит   ионов   редкоземельных   элементов

значительно повышает изотропность их оптических свойств.

Феррошпинели.

      Феррошпинели,  содержащие  ионы  Со2+   в   тетраэдрических   позициях

используют в качестве магнитооптических материалов при λ= 5 -  12  мкм,  где

они обладают высокой  прозрачностью  и  большим  λ  (до  105  град/см).  Это

практически    единственные    материалы,     пригодные     для     создания

магнитооптических устройств в этом диапазоне волн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава № 5 : «Термомагнитные материалы.»

 

Аморфные термомагнитные сплавы.

Изобретение термомагнитных материалов относится к области металлургии, в частности к аморфным термомагнитным сплавам, получаемым в виде тончайшей ленты методом закалки из расплава литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела.

Кристаллические термомагнитные сплавы.

Известны кристаллические термомагнитные сплавы на основе железа и никеля в виде лент и листов, получаемые традиционными металлургическими способами. В зависимости от состава они могут применяться в температурной области от минус 20 до плюс 35°С в устройствах (реле, шунты и т.д.), работа которых основана на температурной зависимости намагниченности в заданном магнитном поле.

Недостатком указанных сплавов является то, что переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно происходит в большом интервале температур, тогда как для некоторого вида термомагнитных устройств наиболее предпочтительным температурным интервалом перехода является интервал температур от минус 8 до плюс 40°С. Другим недостатком указанных сплавов является низкая магнитная проницаемость, в результате чего термомагнитная чувствительность датчиков к изменению температуры незначительна. Следующим недостатком известных сплавов является невозможность получения тонких лент или пленок.

Гадолиний Gd.

Наиболее близким материалом для термомагнитного применения, имеющим температуру перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно в интервале температур от минус 8 до плюс 35°С, является принятый заявителем в качестве прототипа элемент периодической системы таблицы Д.И. Менделеева номер 64 гадолиний Gd. Температура Кюри указанного материала находится в пределах от 0 до 30°С в зависимости от чистоты по примесям.

К недостаткам данного материала следует отнести невысокую относительную магнитную проницаемость (30-50), неуправляемость значением температуры Кюри, а также то, что его переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно происходит в большом интервале температур (7-10°С).

Гадолиний не производится в виде тонкой ленты, что иногда необходимо для изготовления термомагнитных датчиков. Кроме того, гадолиний является редкоземельным элементом, что значительно повышает стоимость его добычи. Аморфные термомагнитные сплавы на основе гадолиния неизвестны.