Нанокристаллические магнитомягкие материалы

№ 4’2007
Нанотехнологии не обошли стороной магнитомягкие материалы, используемые для изготовления трансформаторов, реакторов и других электромагнитных компонентов в силовой электронике, в системах связи и обработки данных. Первый нанокристаллический магнитомягкий сплав разработали японские инженеры Иошизава, Ямаучи и Огума в компании Hitachi Metals (японская заявка на патент от 1986 года). Через несколько лет после публикации первых результатов [1] новые материалы стали широко использоваться во всем мире.

Основным параметром, характеризующим мягкость магнитных материалов, то есть их способность намагничиваться, является коэрцитивная сила. Чем ниже коэрцитивная сила, тем более слабое магнитное поле может довести материал до насыщения. На рис. 1 представлена зависимость коэрцитивной силы Hc от размера зерна d в поликристаллических магнитомягких материалах. С уменьшением размера зерна примерно до 100 нм коэрцитивная сила растет пропорционально величине 1/d вследствие увеличения плотности дефектов (объемной доли межзеренных границ). При этом макроскопическая магнитная анизотропия материала совпадает с локальной магнитной анизотропией отдельных кристаллитов. Если размер зерна меньше некоторой длины, а именно длины магнитной обменной корреляции, то происходит ослабление макроскопической магнитной анизотропии вследствие межзеренного взаимодействия. При этом коэрцитивная сила снижается с уменьшением размера зерна пропорционально d 6. Объяснение этому эффекту дает модель случайной магнитной анизотропии [2].

Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы Hc от размера зерна d в магнитомягких материалах

Технология производства нанокристаллических магнитомягких материалов включает получение из расплава быстрозакаленной ленты с аморфной структурой толщиной до 30 мкм и последующую нанокристаллизацию аморфного прекурсора в результате термической обработки. Первооткрыватели нанокристаллических магнитомягких материалов использовали сплав на основе железа Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9. В настоящее время этот сплав с небольшими вариациями по химическому составу остается основным для производства нанокристаллических магнитомягких материалов. Кремний и бор, как обычно, используют для получения аморфной структуры в быстрозакаленной ленте. Медь способствует формированию кластеров, обогащенных медью на начальной стадии отжига, и обеспечивает начало кристаллизации из большого числа центров по всему объему материала. Ниобий формирует более мелкие кластеры меди, сдерживает рост кристаллической фазы до более высокой температуры и препятствует формированию боридов железа. В результате нанокристаллизации формируются зерна Fe80Si20 с о. ц. к. решеткой, имеющие размер около 10 нм и окруженные остаточной аморфной фазой. Объемная доля кристаллической фазы составляет примерно 0,7. В настоящее время разработаны сплавы с нанозернами из α-Fe («наноперм») и α’-FeCo («хитперм»), которые имеют более высокую магнитную индукцию насыщения — 1,7 и 2,0 Тл соответственно. Однако ввиду значительных технологических трудностей эти нанокристаллические сплавы не получили заметного применения в технике.

Чтобы определить место нанокристаллических сплавов в семействе магнитомягких материалов, воспользуемся графиками, на которых представлена взаимосвязь магнитных параметров материала. Такая взаимосвязь отражает единую природу ферромагнитных материалов, связанную с формированием в них спонтанной намагниченности. На рис. 2 схематически нанесены области начальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы, соответствующие различным магнитомягким материалам. Видно, что нанокристаллические сплавы относятся к группе материалов с высокой магнитной проницаемостью и этот уровень является наивысшим для материалов с коэрцитивной силой порядка 1 А/м. Заметим, что основой нанокристаллических сплавов служит недорогое железо, в то же время их конкуренты в данной группе материалов — аморфные сплавы и пермаллой — изготавливаются на основе кобальта и никеля соответственно.

Рис. 2. Взаимосвязь начальной магнитной проницаемости μн и коэрцитивной силы Hc в магнитомягких материалах

Магнитная индукция насыщения Bs характеризует потенциальную энергоемкость материала. Для разных магнитных материалов, представленных на рис. 3, видна тенденция снижения магнитной проницаемости с увеличением Bs. Этой закономерности нет у ферритов, которые относятся к ферромагнетикам с косвенным обменным взаимодействием. На общем фоне нанокристаллические сплавы выделяются наилучшей комбинацией высокой магнитной индукции насыщения и начальной магнитной проницаемости.

Рис. 3. Взаимосвязь начальной магнитной проницаемости μн и магнитной индукции насыщения Bs в магнитомягких материалах

Важной характеристикой магнитомягких материалов является температура Кюри, которая определяет температурную область применения. Опять же вследствие общих закономерностей ферромагнитного состояния высокая температура Кюри и высокая магнитная проницаемость несовместимы (рис. 4). Самой большой начальной магнитной проницаемостью обладают аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие температуру Кюри ниже 200 °C. Нанокристаллический магнитомягкий сплав Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 является двухфазным. Его основу составляют нанозерна Fe80Si20 с температурой Кюри ТС ≈ 600 °C, магнитное взаимодействие между которыми осуществляется через ферромагнитную аморфную фазу, обогащенную ниобием и бором. Температура Кюри аморфной матрицы ТС ≈ 300 °C значительно ниже, чем у нанокристаллов. Поэтому при нагреве выше 300 °C межкристаллитная прослойка теряет ферромагнитные свойства. Нарушение магнитной связи приводит к снижению магнитной проницаемости и повышению коэрцитивной силы, а коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса приближается к значению By/Bs ≈ 0,83, теоретически рассчитанному для случайно ориентированных не взаимодействующих кристаллитов [2] (рис. 5). Таким образом, условная верхняя граница применимости нанокристаллических сплавов в качестве магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью составляет примерно 200 °C.

Рис. 4. Взаимосвязь начальной магнитной проницаемости μн и температуры Кюри ТС в магнитомягких материалах
Рис. 5. Температурная зависимость начальной магнитной проницаемости μн, коэрцитивной силы Hc и коэффициента прямоугольности петли магнитного гистерезиса Br/Bs

Наиболее существенное изменение магнитной проницаемости с температурой происходит вблизи ТС (эффект Гопкинсона). Магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью имеют низкую температуру Кюри, поэтому они обладают значительной температурной нестабильностью магнитной проницаемости. Благодаря двухфазной структуре и высокой температуре Кюри нанокристаллов магнитная проницаемость нанокристаллического сплава слабо изменяется с температурой и остается стабильно высокой в области от –200 до +200 °C (рис. 5).

Нанокристаллы кремнистого железа обеспечивают хорошую восприимчивость сплава к различным видам термической обработки. За счет выбора режима отжига можно получить магнитопроводы с высокой магнитной проницаемостью, низкой или высокой остаточной магнитной индукцией [3]. При этом петля магнитного гистерезиса является округлой, линейной или прямоугольной (рис. 6). Другие магнитные характеристики этих магнитопроводов, которые были измерены при температуре 25 °C, представлены в таблице 1. Магнитопроводы производятся на Научно-производственном предприятии ГАММАМЕТ, которое обладает рядом патентов на нанокристаллические сплавы и изделия из них на территории России [4]. В таблице следует обратить внимание на низкую магнитострикцию сплава и сильную зависимость магнитных потерь от типа петли магнитного гистерезиса и, в конечном счете, от характера процесса перемагничивания. Магнитные свойства, приведенные в таблице, соответствуют свойствам магнитного материала, поэтому в электротехнических расчетах необходимо учитывать коэффициент заполнения магнитопровода магнитным материалом, номинальное значение которого равно 0,7 для ленты толщиной 25 мкм.

Статические петли магнитного гистерезиса в нанокристаллическом сплаве после термической обработки в продольном (ГМ 412А) и поперечном (ГМ 412В) магнитном поле, а также без магнитного поля (ГМ 414)
Рис. 6. Статические петли магнитного гистерезиса в нанокристаллическом сплаве после термической обработки в продольном (ГМ 412А) и поперечном (ГМ 412В) магнитном поле, а также без магнитного поля (ГМ 414)
 
Таблица 1. Типичные магнитные свойства магнитопроводов ГАММАМЕТ, изготовленных из нанокристаллического сплава
Типичные магнитные свойства магнитопроводов ГАММАМЕТ, изготовленных из нанокристаллического сплава

Низкая магнитострикция насыщения в нанокристаллических сплавах способствует получению высоких магнитных свойств также в магнитопроводах, которые упрочняются за счет пропитки различными клеями. Некоторое ухудшение свойств в этом способе производства компенсируется значительным расширением выбора типоразмеров магнитопроводов. Можно считать, что после пропитки магнитопровод представляет композиционный материал, а его магнитные свойства соответствуют параметрам, усредненным по объему и поперечному сечению магнитопровода. Именно усредненные магнитные свойства композиционных магнитопроводов ГАММАМЕТ представлены в таблице 2. В электротехнических расчетах композиционных магнитопроводов коэффициент заполнения принимается равным 1, как у ферритов и магнитодиэлектриков.

Таблица 2. Типичные магнитные свойства кольцевых композиционных магнитопроводов ГАММАМЕТ, изготовленных из нанокристаллического сплава
Типичные магнитные свойства кольцевых композиционных магнитопроводов ГАММАМЕТ, изготовленных из нанокристаллического сплава

Хорошая механическая обрабатываемость нанокристаллического сплава позволяет придавать ленточным магнитопроводам различную форму. Это разрезные ПЛ- и ШЛ-образные магнитопроводы ГМ 24ДС, магнитопроводы ГМ 54ДС с фиксированным воздушным зазором и различным уровнем относительной магнитной проницаемости от 30 до 1000 — аналоги магнитопроводов из порошкообразного пермаллоя, а также стержневые магнитопроводы [4].

Широкий спектр магнитопроводов, которые можно изготовить из нанокристаллических сплавов, определяет и широкие возможности их применения в качестве трансформаторов, реакторов различного назначения и других электромагнитных компонентов. Уровень магнитных потерь можно оценить, сравнивая силовые трансформаторы, идентичные по своим электрическим и габаритным параметрам, но изготовленные из разных магнитных материалов [5]. На рис. 7 приведены частотные зависимости мощности трансформаторов, изготовленных на магнитопроводе ОЛ20/32-10 с гарантированной температурой перегрева не более 20 °С, плотностью тока в обмотках J = 3×106 А/м² и коэффициентом заполнения окна магнитопровода проводом первичной и вторичной обмоток kM = 0,2. Из рисунка следует, что практически до 100 кГц мощность трансформатора с магнитопроводом ГМ 414 выше, чем при использовании других магнитных материалов. Исключение составляет электротехническая сталь 3425 при частоте менее 800 Гц, которая может работать в этой области при высокой рабочей индукции, обеспечивая заданный уровень температуры перегрева. Магнитопроводы ГМ 414 имеют наиболее значительное преимущество в частотном диапазоне 5–40 кГц.

Частотная зависимость мощности трансформатора при температуре перегрева не более 20 °С
Рис. 7. Частотная зависимость мощности трансформатора при температуре перегрева не более 20 °С. Магнитопровод трансформатора имеет типоразмер ОЛ20/32–10 и изготовлен из разных магнитомягких материалов: нанокристаллический сплав ГМ 414, пермаллой 79НМ (0,02 мм), феррит 2000НМА и электротехническая сталь 3425 (0,08 мм)

Из сравнения частотных зависимостей магнитной проницаемости следует, что вширокой частотной области нанокристаллические сплавы имеют более высокую магнитную проницаемость, чем в ферриты (рис. 8). При частоте более 1 МГц преимущество определяется более слабым наклоном кривой, определяемым скин-эффектом, который обратно пропорционален корню квадратному из частоты (1/√ƒ ). В то же время в ферритах более крутой наклон 1/ƒ связан с затуханием колебания доменных границ в материале [3].

Частичная зависимость магнитной проницаемости в нанокристаллическом сплаве ГМ 414 и в феррите
Рис. 8. Частичная зависимость магнитной проницаемости в нанокристаллическом сплаве ГМ 414 и в феррите

Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что нанокристаллические сплавы на основе железа представляют наиболее универсальный магнитомягкий материал, который можно использовать вширокой области частоты и температуры.

xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88
Литература
  1. Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. 1988. V. 64, N 10.
  2. Herzer G. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. V. 10 / Ed. by K. H. J. Bushow. Amsterdam: Elsevier Science. 1997.
  3. Стародубцев Ю. Н., Белозеров В. Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета. 2002.
  4. www.gammamet.ru
  5. Стародубцев Ю. Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: РадиоСофт. 2005.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *