История электротехники - Коллектив авторов

В настоящее время большое внимание уделяется ферритам. Ферриты ведут свое происхождение от магнетита — естественного постоянного магнита, известного на протяжении всей истории человечества. Природный минерал — феррит железа, или магнетит Fe3O4, был давно известен как один из магнитных материалов. Учитывая низкую удельную электрическую проводимость магнетита (100 Ом∙см). С. Гильберт (Германия) уже в 1909 г. предложил использовать его в высокочастотных магнитных цепях. Однако из-за плохих магнитных свойств, и прежде всего из-за низкой магнитной проницаемости, ферриты железа не нашли практического применения; к тому же сама техника высоких частот делала в те годы первые шаги. Лишь после интенсивных исследований, начатых в Голландии в 1933 г., удалось существенно улучшить характеристики ферритов и организовать их широкое внедрение в технику.

В 1936 г. научные исследования в этом направлении начала лаборатория фирмы «Филипс». К концу второй мировой войны благодаря фундаментальным исследованиям Я. Сноека в Голландии был разработан ряд синтетических магнитомягких ферритов с начальной магнитной проницаемостью 103 [10.27].

В СССР пионерами разработки ферритов являлись коллективы ученых, возглавляемые ГА. Смоленским, Н.Н. Шольц, К.А. Пискаревым, С.В. Вонсовским, К.М. Поливановым, С.А. Медведевым, К.П. Беловым, Е.И. Кондорским, РВ. Телесниным, Я.С. Шуром, Т.М. Перекалиной, И.И. Ямзиным, Л.И. Рабкиным, А.И. Образцовым и многими другими [10.30, 10.31,10.33].

Для получения высокой магнитной проницаемости ферритов, относящихся к группе поликристаллических материалов с кубической гранецентрированной решеткой, необходимо стремиться к уменьшению внутриструктурных напряжений и кристаллической анизотропии. Другими словами, магнитострикция и константа кристаллографической анизотропии должны быть близкими к нулевому значению. Исследованиями было установлено, что если образовать твердый кристаллический раствор оксида железа Fe2O3 с немагнитной присадкой, то точку Кюри можно сместить в область, близкую к комнатным температурам, и таким образом резко повысить магнитную проницаемость в рабочем диапазоне температур. В качестве немагнитного компонента наиболее пригодным оказался оксид цинка, так как феррит цинка кристаллизуется не в обращенной магнитной форме, а в форме нормальной немагнитной шпинели. В последующие годы была разработана большая группа магнито-мягких ферритов для различных диапазонов частот путем присадки цинка и никеля или цинка и марганца. По сравнению с никель-цинковыми марганец-цинковые ферриты обладают более высокой магнитной проницаемостью и намагниченностью насыщения. Наряду с этим тангенс угла диэлектрических потерь возрастает быстрее у марганец-цинковых ферритов начиная с частоты около 1 МГц; причина этого явления — смещение в сторону более низких частот гиромагнитной граничной частоты, увеличение размеров зерен структуры и уменьшение удельного электрического сопротивления материала. Поэтому в катушках высокой добротности марганец-цинковые ферриты применяют только для работы на частоте до 2 МГц, а для работы на частотах до 300 МГц сердечники изготовляют из никель-цинковых ферритов, имеющих также кубическую поликристаллическую структуру, но более низкую магнитную проницаемость.

Редкоземельные ферриты со структурой граната заняли в технике столь же важное место, как и ферриты со структурой шпинели. Формула гранатов может быть записана следующим образом: Me3Fe5O12, где Me обозначает ион редкоземельного металла. Изучение редкоземельных гранатов было затруднено тем, что их структуру относили к типу искаженного перовскита. В 50-х годах X. Форестье и Г. Гийо-Гийен (Франция) изготовили несколько соединений класса Fe2O3Me2O3, где Me обозначает лантан, празеодим, неодим, самарий, эрбий, иттрий, гадолиний, тулий, диспрозий и иттербий. Они обнаружили, что намагниченность насыщения этих соединений несколько ниже, чем намагниченность насыщения никелевого феррита, и что существует две температуры Кюри — выше 400 °С и около 300 °С, в которых намагниченность принимает нулевое значение. Одна из этих «точек Кюри» представляет собой температуру компенсации, характерную для некоторых ферримагнитных гранатов. Г. Гийо считал, что этот материал обладает кубической структурой типа перовскита, и установил соответствие между температурами Кюри и диаметрами металлических ионов. В 1954 г. Р. Потенэ и X. Форестье (Франция) опубликовали дополнительные данные о температурных зависимостях намагниченности для ферритов гадолиния, диспрозия и эрбия. Е.Ф. Берто и Д. Форра (Франция) в 1956 г. рассмотрели подробнее систему Fe2O3Me2O3 и предположили наличие новой структуры для этого класса материалов. Эта структура состоит из кубических элементарных ячеек, содержащих восемь формульных единиц 5Ре2О33Ме2О3.

Эта структура оказалась изоморфной с классическим природным гранатом Ca3Fe2Si3O12. Л. Неель, Ф. Берто, Д. Форра и Р. Потенэ (Франция) назвали эту новую группу ферримагнитных материалов редкоземельными гранатами.

В 1958–1970 гг. Д. Геллер и А. Джилео (США), А.Г. Титова, В.А. Тимофеева и Н.Д. Урсуляк (СССР) продолжили изучение структуры граната и ферримагнитных свойств иттриевого граната. Это соединение оказалось наиболее важным представителем данного класса веществ. Такие материалы оказались незаменимыми в сверхвысокочастотных устройствах.

10.4.4. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

До 1910 г. постоянные магниты изготовлялись из углеродистой стали, так как эта сталь обладает относительно небольшим значением коэрцитивной силы Нс и большим значением индукции Вr, отношение длины магнитов к поперечному сечению было большим. Чтобы уменьшить рассеяние, магниты выполнялись в виде подковы, которая и стала условным обозначением постоянного магнита. Наибольшее значение магнитной энергии для таких материалов составляло 1,6 кДж/м3.

Возможность повышения магнитной энергии была показана еще в 1885 г. при исследовании вольфрамовой стали. В период первой мировой войны нашли применение хромистые стали (до 6% Cr), в которых энергия достигала 2,5 кДж/м3.

В 1917 г. находят, что добавки в сталь до 36% кобальта приводят к значительному повышению энергии — до 8 кДж/м3. Кобальтовые стали в ограниченном объеме изготовляются и применяются в настоящее время.

В 1926–1927 гг. на заводе «Красный путиловец» исследуются свойства и технология производства вольфрамовой стали. В 1926 г. на Ижевском заводе отливаются слитки нескольких марок кобальтовой стали для постоянных магнитов. Исследование кобальтовых сталей проводилось в Горной академии и ВЭИ.

В 1934 г. кобальтовую сталь, которая имеет коэрцитивную силу в 2,5–3,5 раза выше, чем вольфрам истая, начинает выпускать завод «Электросталь». Сталь находит широкое применение в приборостроении.

Высокие механические параметры стали позволяют изготовлять магниты достаточно тонкими и сложной формы. Во время второй мировой войны была разработана магнитная сталь МТ, без дефицитных добавок кобальта и никеля с добавками алюминия и углерода, обладающая высокими магнитными свойствами (магнитная энергия до 3,6 кДж/м3 и коэрцитивная сила больше 16 кА/м).

Начиная с середины 30-х годов среди лабораторий, занимающихся исследованием магнитных материалов в СССР, на первое место выдвигается магнитная лаборатория (МЛ) ВЭИ, заслуга которой состоит не только в исследовании материалов, но и в их внедрении в производство. Большую работу МЛ ВЭИ проделала в области исследования сплавов для постоянных магнитов.

В 1931 г. Т. Мишимой (Япония) и В. Кестером (Германия) были созданы сплавы для постоянных магнитов, которые приобретают свои магнитные свойства в результате процессов дисперсионного твердения. Это сплавы типа Fe-Co-W, Fe-Co-Mo и Fe-Ni-A (прежнее название альни). Исследование этих сплавов в нашей стране началось в 1933 г. в МЛ ВЭИ, где были получены первые образцы, имеющие следующие параметры: Вr = 0,7÷0,8 Тл и Нс = 34 кА/м.

В 1934 г. К. Хонда (Япония) разрабатываются сплавы Fe-Ni-Al-Co (альнико), которые наиболее подробно исследовались в различных вариантах составов. Значение магнитной энергии в этих сплавах, легированных медью, достигает 15,2 кДж/м3.

Магнитотвердые сплавы на основе системы железо-никель-алюминия позволили отечественной электротехнической промышленности освоить выпуск литых постоянных магнитов из сплавов альни для генераторов, не уступавших по свойствам зарубежным. Сплавы альни имеют меньшую остаточную магнитную индукцию, чем мартенситные стали, но значительно превосходят их по значению коэрцитивной силы и удельной магнитной энергии.