магнитные материалы

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

вещества, магн. свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислит. технике, электронике, радиотехнике и др. областях). Наиб. применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики, в состав которых входят некоторые элементы с незаполненными 3d-или 4f-электронными оболочками, атомы или ионы которых обладают магн. моментами. К ферромагнетикам относятся в осн. металлы и сплавы Fe, Co и Cu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соед. Mn и Cr, напр. MnBi, MnAl, CrPt; к ферримагнетикам — ферриты-шпинели MFe₂O₄ (M — Fe, Ni, Со, Mn, Mg, Zn, Cu), ферриты-гранаты R₃Fe₅O₁₂ (R — РЗЭ), гексаферриты PbFe₁₂O₁₉, Ba₂Zn₂F₁₂O₂₂ и др., интерметаллич. соед. RFe₂, RCo₅, RFe₁₄ и др. М.м. могут быть металлы (в осн. ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (гл. обр. ферри- и антиферромагнетики). Осн. характеристика М. м, — намагниченность М, которая определяется как магн. момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ — А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса наз. предельной; множество др. возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, наз. частными (непредельными). Если до начала действия внеш. поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H наз. основной кривой намагничивания.

Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н — напряженность внеш. магн. поля; М -намагниченность образца; H_c — коэрцитивная сила; М_r — остаточная намагниченность; М_s — намагниченность насыщения; 1 — предельная петля гистерезиса; 2 — непредельная (частная) петля; 3 — начальная кривая намагничивания.

Др. важные параметры М.м.: 1. Остаточная намагниченность М_r [или остаточная магн. индукция В_r, единица измерения — тесла (Тл)]; количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внеш. магн. полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина М_r (В_r) существенно зависит от формы образца, его кристаллич. структуры, температуры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т. п.) и др. факторов. 2. Коэрцитивная сила H_с; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения М_r до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографич. и др. видов анизотропии вещества, наличия дефектов, способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, напр. температуры. 3. Oтносит. магн. проницаемость m; характеризует изменение магн. индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (m_диф), начальной (m_н) и максимальной (m_макс) проницаемостей. 4. Макс. уд. магн. энергия W_макс (в Дж/м³) или пропорциональная ей величина (BH)_макс на участке размагничивания петли гистерезиса. 5. Намагниченность насыщения М_s (или магн. индукция насыщения B_s). 6. Кюри точка Т_K. 7. Уд. электрич. сопротивление ρ (в Ом∙м). В ряде случаев существенны и др. параметры, напр. температурные коэф. остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности осн. параметров. Из аморфных М.м. наиб. распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные М.м. получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 10⁵ К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагр. до 300–450 °C аморфные М.м. переходят в кристаллич. состояние. Композиционными М.м. наз. материалы, изготовленные из ферромагн. металлич. или ферритового порошка с диэлектрич. связующим (бакелитом, полистиролом, резиной, тальком, смолой, жидким стеклом, легкоплавкой стеклоэмалью и др.). Для мн. техн. приложений, гл. обр. в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы М.м., обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые М.м.

Магнитомягкие М.м. намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магн. полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магн. проницаемости (m_макс достигает 10⁶), узкая петля магн. гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании. Магнитомягкими М. м. являются: 1) электротехн. железо и стали (низкоуглеродистые и кремнистые); 2) кристаллич. сплавы на основе Fe-Ni — в т. ч. бинарные (пермаллои) и легированные Mo (суперпермаллои), Mn (муметалл), Cr, Ti, Nb, Cu, Al (изопермы); на основе Fe-Co с добавками V (пермендюры); на основе Fe-Ni-Co с добавками Mn и Cr (перминвары); на основе Fe-Al (алферы, алфенолы) и Fe-Si-Al (алсиферы, сендасты и др.); 3) аморфные сплавы на основе Fe (типа 80% Fe, 20% В), Fe-Ni (типа 40% Fe, 40% Ni, 20% SiB), Co-Fe (типа 70% Co, 5% Fe, 10% Si, 15% B), Co-Zr, Co-Zr-Mo; 4) ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты (со структурой перовскита); 5) композиты ферромагн. металлич. порошка (карбонильное железо, пермаллой, алсифер) с диэлектрич. связующим на основе смол (напр., шеллака), полистирола, жидкого стекла, талька и т. п. (магнитодиэлектрики). Металлич. магнитомягкие М.м. обладают наиб. значениями магн. проницаемости (напр., у суперпермаллоя m_макс = 10⁶ при коэрцитивной силе H_с = 0,3 А/м) и магн. индукции насыщения (напр., у пермендюра B_s = 2,4 Тл), температурной стабильностью свойств. Аморфные сплавы (обычно изготовляют в виде тонкой ленты) сочетают высокие магн. свойства с хорошими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, температурной и деформац. стабильностью. Ферриты и магнитодиэлектрики характеризуются сравнительно небольшими значениями магн. характеристик (начальная магн. восприимчивость m_н = 5∙10⁴ — 2∙10⁴, B_s = 0,3–0,5 Тл, H_с = 3∙10³ А/м) и высоким уд. электрич. сопротивлением (ρ ~ 10¹⁴ Ом∙м). Магн. и электрич. свойства ферритов можно регулировать изменением хим. состава, режимов спекания и термообработки. Магнитомягкие М. м. применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магн. усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магн. головок для видео- и звукозаписи, магн. экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебат. контурах, электрич. фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки. Металлич. М.м. используют в осн. для работы на частотах переменного поля до неск. десятков кГц, т. к. из-за относительно низкого уд. электрич. сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до неск. МГц. Композиционные М.м. применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлич. компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагн. составляющей позволяют создавать поглотители полей с миним. геом. размерами.

Магнитотвердые М.м. (магнитожесткие, высококоэрцитивные М.м.) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магн. полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными М. м. иногда наз. только М.м. с коэрцитивной силой H_с > 20 кА/м. Магнитотвердые М.м. применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магн. памяти, в гистеррезисных двигателях, разл. мех. удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др. Выделяют след. группы магнитотвердых М.м.:

1. Стали, закаливаемые на мартенсит (углеродистые, легированные Cr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми H_с (4–12 кА/м) и W_макс (0,6–1,4 кДж/м³).

2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Al (ални) с добавками Со, Cu, Ti и др. Значения магн. параметров этой группы М. м. зависит от состава и наличия текстуры (кристаллографич., магнитной). В целом они характеризуются умеренными значениями H_с (36–145 кА/м), высокими значениями В_r (0,5–1,4 Тл) и W_макс (3,6–40 кДж/м³), наименьшими из всех М. м. температурными коэффициентами основных параметров (температурный диапазон использования до 770 К); эти М. м. хрупки, обрабатываются только шлифованием.

3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Cu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико), Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магн. свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые — и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов (особенно Со).

4. Сплавы с использованием благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd) с высокими значениями коэрцитивной силы (до 400 кА/м). Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, т. к. они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку.

5. Бариевые и стронциевые ферриты с гексагон. кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Характеризуются сравнительно низкими значениями В_r (0,19–0,42 Тл), весьма высокими H_c (130–350 кА/м) и W_макс (3–18 кДж/м³), температурной стабильностью (вплоть до 700 К), высоким уд. электрич. сопротивлением. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов — высокое уд. электрич. сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагон. бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих М.м. в разл. областях техники. Осн. недостатки ферритовых М.м. — высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования (230–500 К).

6. Интерметаллич. соед. металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллич. анизотропией. Распространены бинарные сплавы "редкая земля — кобальт", напр. SmCo₅, квазибинарные соед. "2-17" типа R₂(CoFe)₁₇. На основе таких сплавов разработаны М. м. с рекордными значениями H_с (640–1300 кА/м) и W_макс (55–80 кДж/м³) при достаточно высоких В_r (0,77–1,0 Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной стабильности. Недостатки этих М.м. — высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в осн. в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Разработаны также составы типа "редкая земля — железо — бор", напр. Nd₂Fe₁₄B, (YEr)₂Fe₁₄B. Такие М.м. не только обладают высокими значениями магн. энергии (BH)_макс но и значительно дешевле, чем SmCo₅.

7. Композиционные М.м. на основе порошкообразных ферритов и интерметаллич. веществ (5-я и 6-я группы) и связующего. Различают магнитопласты (связующее — пластич. масса) и магнитоэласты (связующее — каучук). Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти М.м. по своим магн. параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы.

8. Материалы для магн. записи, получаемые нанесением М. м. в виде тонкой пленки или тонкодисперсного порошка на немагн. подложку. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni, Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Cr и др., получаемые вакуумным напылением, гальванопластич. или хим. осаждением. При создании таких М.м. стремятся получить наиб. В_r и умеренную H_с (обычно 20–80 кА/м в зависимости от плотности записи, способа записи информации и т. п.). Перспективными материалами для магнитооптич. записи информации являются высококоэрцитивные аморфные пленки на основе соед. типа "редкая земля — железо — кобальт" (Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная сила H_с = (1 — 5)∙10⁵ А/м.

Специальные М. м. обладают свойствами, которые обеспечивают им важные, но сравнительно узкие области применения. Магнитострикционные М. м. — ферромагн. металлы и сплавы, а также ферриты, обладающие достаточно большой магнитострикцией, т. е. изменением размеров образца при его намагничивании и размагничивании. Магнитострикц. материалы используют в излучателях и приемниках звука и ультразвука и в др. устройствах, преобразующих энергию электромагн. поля в механическую и обратно. Магнитострикц. материалами являются: никель, НП2Т (Ni св. 98%), сплавы — пермендюр, 49 КФ (49% Со, 2% V, остальное Fe), алфер (12,5% Al, остальное Fe), никоей (4% Со, 2% Si, остальное Ni), керамич. ферриты-шпинели на основе Ni, Со, Cu. Перспективные магнитострикц. материалы — интерметаллич. соед. типа RFe₂, где R — Y, Tb, Dy, напр. Tb_0,27Dy_0,73Fe₂. В приборостроении и измерит, технике широко применяют инварные сплавы с низким коэф. термич. расширения и элинварные сплавы, обладающие малым температурным коэф. упругости. Такими свойствами обладают сплавы Fe-Ni, Fe-Pt, Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Cr, Fe-Co-Cr. Термомагнитные материалы — ферромагн. сплавы с сильной зависимостью остаточной намагниченности от температуры. Их применяют для компенсации температурных изменений магн. потоков в приборах и реле, момент срабатывания которых зависит от температуры. К термомагн. материалам относятся сплавы Ni-Fe-Cr, Ni-Cu (кальмаллои), Ni-Fe (термаллои) и др. Магнитооптич. М.м. способны вращать плоскость поляризации света, прошедшего через образец или отраженного от него (см. Керра эффект), и используются для управления световыми потоками (в лазерной технике и оптоэлектронике). Относительно прозрачные в ближнем ИК диапазоне ферриты-гранаты [напр., (YBi)₃Fe₅O_l2], ферриты-шпинели, ортоферриты и др. применяют в устройствах, предназначенных для пространственно-временной модуляции света. Непрозрачные М.м. на основе интерметаллич. соед., напр. РЗЭ с элементами подгруппы железа, а также на основе MnBi, MnAs служат в качестве запоминающей среды в магнитооптич. запоминающих устройствах. СВЧ М.м. применяют в радиоэлектронике, для изготовления волноводов, фазовращателей, преобразователей частоты, модуляторов, усилителей и т. п. Специфич. требованиями к М.м. для СВЧ диапазона являются: высокая чувствительность к управляющему магн. полю, высокое уд. электрич. сопротивление, малые электромагн. потери, высокая температура Кюри. наиб. распространены никелевые, никель-медно-марганцевые ферриты-шпинели, иттриевый феррит-гранат, легированный РЗЭ. Применяют металлические сплавы Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Al-Cr. Их используют гл. обр. для создания поглотителей мощности в разл. изделиях СВЧ техники. Композиционные СВЧ М.м. используют для создания экранов для защиты от СВЧ полей. Металлич. наполнителями являются Fe, Co, Ni, сплавы сендаст; связующими — разл. полимерные смолы и эластомеры. Жидкие М.м., или магн. жидкости, представляют собой однородную взвесь мелких (10⁻³–10⁻¹ мкм) ферромагн. частиц в воде, керосине, веретенном масле, фторуглеводородах, сложных эфирах, жидких металлах. Магн. жидкости применяют для визуализации структуры постоянных магн. полей и доменной структуры ферромагнетиков, в качестве рабочей среды магнитоуправляемых поляризац. светофильтров, а также при создании гидромех. преобразователей и излучателей звука. Изучаются проблемы, связанные с использованием магн. жидкостей в биологии и медицине, напр. для управляемого рентгеновского контрастирования полых органов, создания депо лек. препаратов, локального повышения температуры.

^{Лит.: Преображенский А. А., Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы, М., 1972; Сергеев В. В., Булыгина Т. И., Магнитотвердые материалы, М., 1980; Мишин Д. Д., Магнитные материалы, М., 1981; Ковнеристый Ю. К., Лазарева И. Ю., Раваев А. А., Материалы, поглощающие СВЧ-излучения, М., 1982; Прецизионные сплавы. Справочник, под ред. Б. В. Молотилова, 2 изд., М., 1983; Белов К. П., Магнитострикционные явления и их технические приложения, М., 1987; Звездин А. К., Котов В. А., Магнитооптика тонких пленок, М., 1988.}

_{А. К. Звездин}