автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Получение и исследование высокоиндукционных магнитодиэлектрических материалов и радиокомпонентов на их основе

Введение.

Глава 1. Композиционные магнитодиэлектрики - перспективные материалы современной техники (обзор).

1.1. Современное состояние исследований и разработок феррокомпозиционных материалов.

1.2. Основные физические модели феррокомпозитов.

1.3. Научные основы и принципы технологии получения феррокомпозитов.

Выводы.

Глава 2. Исследование и разработка ферромагнитной и диэлектрической фаз, необходимых для создания новых феррокомпозитов.

2.1. Получение и исследование сплава и порошка 50Н.

2.2. Исследование и разработка диэлектрической фазы легкоплавких стекол.

2.3. Оптимизация состава феррокомпозита, исследование его свойств.

Выводы.

Глава 3. Исследование электромагнитных свойств феррокомпозитов на основе пермаллоя 50Н.

3.1. Исследование микронапряжений.

3.2. Исследование магнитных спектров.

3.3. Исследование магнитных потерь.

3.4. Исследование диэлектрических свойств.

Выводы.

Глава 4. Разработка технологии получения феррокомпозиционных материалов и изделий на основе пермаллоя 5 ОН.

4.1. Влияние соотношения ферромагнитной и диэлектрической фаз на параметры феррокомпозитов.

4.2. Оптимизация технологических факторов.

4.3. Применение полимерных покрытий для улучшения эксплуатационных характеристик изделий.

Выводы.

В современной технике наряду с проводящими (металлическими) и непроводящими (диэлектрическими) материалами применяются специальные композиционные магнитные материалы, состоящие из ферромагнитных частиц, распределенных в диэлектрической или магнитной матрице. Такие магнитодиэлектрики характеризуются высокой стабильностью основных параметров во времени и при воздействии различных внешних факторов (электромагнитных полей, температуры, механических нагрузок и т.д.). Поэтому они наиболее эффективно применяются в специальной аппаратуре и аппаратуре общего применения, работающей при повышенных напряженностях магнитных полей до 8000 А/м (-100Э).

Одним из распространенных материалов этого класса * является феррокомпозит на основе пермаллоя 80Н2М или Мо-пермаллоя (18% железа, 80% никеля, 2% молибдена). Изделия и компоненты из этого материала применяются в качестве фильтров, трансформаторов и индуктивных элементов, которые должны иметь высокую стабильность основных параметров. Максимальная индукция насыщения феррокомпозитов на основе Мо-пермаллоя составляет 0,7Тл.

В последние годы резко увеличилась потребность в материалах с более высокой индукцией насыщения в связи с дальнейшей миниатюризацией приборов и появлением новых устройств, работающих при больших величинах токов до 16000 А/м (—200Э) и мощностей. Известно, что в ряду железо-никелевых сплавов кроме наиболее часто используемого состава пермаллоев (—80% N1) имеются другие сплавы (—50% N1) с экстремальным, но меньшим значением магнитной проницаемости, и существенно большими значениями индукции насыщения (до 1,5 Тл) и удельного электрического сопротивления. Использование данного сплава в качестве ферромагнитной фазы феррокомпозита может позволить существенно увеличить удельный магнитный поток и тем самым снизить габариты изделий и уменьшить их магнитные потери. Кроме того, стоимость этих материалов гораздо ниже традиционных из Мо-пермаллоя за счет меньшего содержания в них дорогостоящего никеля, что в современных экономических условиях весьма актуально.

Для создания новых магнитодиэлектрических материалов (феррокомпозитов) на основе пермаллоя, содержащего 50% никеля, необходимо было выполнить следующие этапы работы:

- получить и исследовать металлические порошки с необходимыми электромагнитными параметрами и заданной гранулометрией;

- разработать диэлектрическую фазу, согласованную по температурному коэффициенту линейного расширения с металлом;

- определить оптимальные соотношения ферромагнитной и диэлектрической фаз для ряда марок материалов с заданными параметрами и оптимизировать параметры композита на основе адекватных физических моделей;

- разработать технологию получения материалов и изделий с высокими технико-эксплуатационными параметрами.

Несмотря на длительную историю изучения свойств магнитодиэлектр и ко в, значительный объем проведенных исследований и наличие ряда физических моделей, применяемых для расчета их параметров (см. обзор в Главе 1), до настоящего времени не определена оптимальная модель, адекватно описывающая свойства феррокомпозитов на основе пермаллоя. Поэтому необходимо дальнейшее проведение выше перечисленных исседований для разработки новой группы высокоиндукционных композиционных материалов, что и определило актуальность темы данной работы.

Целью работы является создание ряда феррокомпозиционных материалов с магнитной проницаемостью в интервале цн=20. 160 и проведение комплексных исследований композиционных магнитодиэлектриков с высокой индукцией насыщения на основе порошка пермаллоя с 50% никеля и 50% железа (50Н) для применения в устройствах современной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые в отечественных разработках исследована система двойных железо-никелевых сплавов, соответствующая составу 50%никеля - 50% железа, перспективных для создания феррокомпозитов с максимальной индукцией насыщения и обладающих экстремальным значением начальной магнитной проницаемости;

- установлено, что уточненная модель Лихтенекера наиболее адекватно описывает экспериментальные результаты по величине магнитной проницаемости, полученные для феррокомпозитов 50% никеля - 50% железа;

- разработаны составы и технология производства легкоплавких стекол, используемых в качестве диэлектрической фазы феррокомпозита, с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (TKJ1P), согласованным с TKJIP магнитной фазы;

- предложены и исследованы способы помола легкоплавких стекол с достижением мелкозернистой структуры;

- установлены зависимости электромагнитных параметров феррокомпозитов на основе порошка пермаллоя 5ОН от технологических факторов (давления прессования, температуры и времени выдержки при отжиге);

- на основе установленных зависимостей с учетом свойств легкоплавких стекол разработаны оптимальные технологические режимы изготовления феррокомпозитов с повышенной индукцией насыщения на основе порошка пермаллоя 50Н.

Практическая ценность работы:

- разработана технология изготовления магнитных композиционных материалов с повышенной индукцией насыщения (до 1,5 Тл) на основе порошка пермаллоя 50Н и легкоплавких стекол с заданными и воспроизводимыми свойствами;

- разработан ряд высокоиндукционных феррокомпозитов с |ifr=20, 60, 100, 125, 160, позволяющих осуществить миниатюризацию современных магнитных силовых устройств;

- впервые для изделий электронной техники применен современный метод нанесения защитного диэлектрического покрытия (метод "квазикипящего слоя");

- разработанная технология позволяет изготавливать изделия в виде кольцевых сердечников наружным диаметром от 7 до 100 мм, П-образных сердечников, пластин, а также изделий других конфигураций.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретическая модель Лихтенекера с учетом поправки на форму магнитных частиц и однородность распределения диэлектрической прослойки лучше других известных моделей описывает структурно-физическую модель феррокомпозита на основе порошка пермаллоя 50Н;

- диспергирование ферромагнитной фазы приводит к образованию двух видов объемных неоднородностей: макро- и микронапряжений, причем к редукции магнитной проницаемости композита приводят именно микронапряжения; специальная термообработка позволяет существенно (в 2,5 раза) уменьшить микронапряжения и увеличить магнитную проницаемость материала.

- три оксидные соединения - вюстит, магнетит и гематит последовательно образуются на интерфейсе ферромагнитных частиц в процессе получения за счет фазовых равновесий в системе железо - никель - кислород; при этом распределение элементов металлов Бе и N1 по объему частицы однородно. Реализация работы в промышленности: технология изготовления высокоиндукционных феррокомпозитов на основе порошка пермаллоя 50Н и легкоплавких стекол освоена в производстве в НИИ «Домен».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Совещание по температуроустойчивым функциональным покрытиям (СПб, 1998 г.), XVI Международный Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 1998 г.), Международная конференция «Перспективные материалы. Симпозиум А: инженерия композитов: исследования, технология, перспективы» (Киев, 1999 г.), Международная конференция «Физико-технические проблемы электротехнических материалов и компонентов» (Москва, 1999 г.), IV Международная конференция «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Москва, 2000 г.)

Публикации: по результатам диссертационной работы опубликовано 11 работ, из них 2 статьи, 2 патента, 7 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 86 наименований, одного приложения. Основная часть работы изложена на 70 страницах машинописного текста. Работа содержит 31 рисунок, 16 таблиц.

Выводы.

1. Исследовано влияние основных технологических факторов (давления, прессования, температуры и времени выдержки при отжиге) на электромагнитные параметры феррокомпозитов.

2. С использованием современных методов нанесения защитного термостойкого диэлектрического покрытия решена проблема защиты сердечников от влаги, коррозии, химических воздействий. Покрытие позволило повысить механическую прочность изделий в 2-3 раза в зависимости от их размеров.

3. На основе установленных зависимостей разработана современная базовая технология феррокомпозиционных материалов на основе пермаллоя 5ОН с повышенной индукцией насыщения (до 1,5 Тл) с начальной магнитной проницаемостью 160, 125, 100. 60, 20 единиц, по уровню качества соответствующих лучшим зарубежным аналогам.

95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом, поставленная в работе цель, достигнута. В процессе исследований были получены следующие основные результаты:

1. Методом измерения ширины рентгеновских спектральных линий проведены исследования микронапряжений в порошках пермаллоя 5 ОН, полученных методами дробления и распыления. Исходные напряжения составляют в частицах дробленного порошка 252 отн. ед., в частицах распыленного порошка 190 отн. ед. Термообработка в интервале температур 750^-850 °С в течении 3-4 часов уменьшает микронапряжения в среднем в 2,5 раза.

2. Исследованы частотные зависимости магнитной проницаемости четырех составов феррокомпозитов, обладающих начальной магнитной проницаемостью 80, 60, 40, 20 единиц в интервале частот до 10МГц. Определены граничные частоты и частотная область применения указанных материалов. Полученные частотные зависимости достаточно удовлетворительно описываются моделью Лихтеиекера.

3. Определены удельные потери феррокомпозитов на основе порошка пермаллоя 50Н и тангенс угла магнитных потерь. Наименьшие потери наблюдаются для феррокомпозитов с наибольшим количеством диэлектрической фазы. Установлено, что сквозная проводимость на постоянном токе зависит от технологии изготовления и изменяется в пределах от 10"3 до 10б Ом-м. Величина удельных потерь соответствует лучшим отечественным аналогам феррокомпозитов на основе пермаллоя 80Н2М и зарубежным аналогам.

4. На основе установленных к диэлектрику требований выбраны составы и разработаны специальные легкоплавкие стекла с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Их применение повышает механическую прочность изделий, их влагостойкость и другие эксплуатационные характеристики за счет наиболее полного заполнения пор материала феррокомпозита.

5. Выявлено влияние основных технологических факторов (давления прессования, температуры и времени выдержки при отжиге) на свойства феррокомпозиционных материалов и изделий. На основе установленных зависимостей разработаны оптимальные технологические режимы с заданными

1. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. -M.: «Мир», 1976.

2. Хек К. Магнитные материалы и их техническое применение.- М.: «Энергия», 1973.

3. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов.-Л., М.: «Госэнергоиздат», 1962.

4. Смит Я., X. Вейн. Ферриты. М.: Издательство иностранной литературы, 1962.

5. Боровик Е.С., Мильнер A.C. Лекции по магнетизму,- Харьков: Издательство Харьковского ордена Трудового Красного Знамени Государственного Университета им. A.M. Горького, 1966.

6. Рейнбот Г. Магнитные материалы и их применение. Л.: «Энергия», 1971.

7. Преображенский A.A., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. -М.: «Высшая школа», 1986.

8. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М. Издательство иностранной литературы, 1956.

9. Вонсовский C.B. Магнетизм. М.: «Наука», 1984.

10. Рабкин Л.И. Высокочастотные ферромагнетики. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960.

11. Шольц H.H. Прессованные порошкообразные сердечники-магнитодиэлектрики. В книге «Справочник электротехническим материалам». Л.: «Энергия», 1976.

12. Алексеев А.Г., Гусева О.М., Семичев B.C. Композиционные ферромагнетики и электромагнитная безопасность. — СПб, НИИ Химии СпбГУ, 1999.

13. Рабкин Л.И. Феррокомпозиты. СПб, Издательство НИИ «Домен», 1992.

14. Рабкин Л.И. Магнитодиэлектрики и феррокатушки для высокочастотной аппаратуры. В сборнике «Магнитодиэлектрики в технике связи» -Госэнергоиздат, 1948.

15. Doebke W. Zvs. F. techn. Phys. 11,12, 1930.

16. Kornetzki, Weiss. Wiss veroff d. Siemens Werken. XV, 2, 1936, p.101.

17. Rayleigh. Phil. Mag., V.34, 1892, p.481.

18. Lorentz L. Wied Ann., IX, 1880, p.641.

19. Ollendorf F. Arch. f. Electrotechnik, 25, 1931, p.436.

20. Deutschmann W. Elektr. Nachrich. Technik., 9, 1932.

21. Кондорский Е.И. Изв. АН СССР, сер. географ, и геофиз., 14, 4, 1950, с.294.

22. Lichtenecker К. Phys. Zc. 25, 1924, p. 172 , Phys. Zc. 28, 1927, p.417.

23. Legg V., Given F. Bell System Techn. Journ., 19, 1940, p.385.

24. Алексеев А.Г., Корнеев A.E. Эластичные магнитные материалы. М.: «Химия», 1976.

25. Займовский A.C., Чудновская JI.A. Магнитные материалы. М.: «Госэнергоиздат», 1957.

26. Акулов Н.С. Ферромагнетизм.-Москва, 1939.

27. Неель J1., Сб. «Физика феромагнитных областей». М.: «Иностранная литература», 1951.

28. Белов К.П. Упругие тепловые и электрические явления в ферромагнитных материалах. -М.: «Гостехиздат», 1951.

29. Рабкин Л.И., Новикова З.И., Лебедев Ю.В. Сб. «Ферриты». Минск: АН БССР, 1960.

30. Рабкин Л.И., Новикова З.И. Изв. АН СССР, сер.физ.З, 1959, с.388.

31. Новые процессы и материалы порошковой металлургии. Сб.патентов. -М.: «Металлургия», 1983.

32. Шур Я.С., Абельс В.Р. Физика металлов и металловедение. М.,т.1, вып.1, 1955, с. 11.

33. Паничкина В.В., Уварова И .В. Методы контроля дисперсности и удельной поверхности металлических порошков. Киев: «Наукова думка», 1973.

34. Гурвич Е.И., Кондорский Е.И., Попова В.П. Сб. «Прецизионные сплавы». -М.: «Металлургиздат», 1956, с. 131-151.

35. Левинзон В.Х., Почасов В.З., Соснин В.В., Ткаченко Т.В. Композиционный материал для сердечников магнитных головок. Сб. «Прецизионные магнитные материалы». М.: «Металлургия», 1982.

36. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. -М.: «Атомиздат», 1977.

37. Петров А.Е., Петинов В.И. Магнитные свойства малых аэрозольных частиц кобальта. М.-.ФТТ, т. 13, 1971.

38. Багина A.A. Разработка технологического процесса изготовления магнитодиэлектриков из Мо-пермаллоя с //н=200-250. Л., 1973.

39. Шольц H.H. Разработка серийной технологии производства сердечников из Мо-пермаллоя с ¡и.н= 140, 100, 60. Л., 1969.

40. Шольц H.H. Разработка кольцевых сердечников из порошка Мо-пермаллоя. Л., 1970.

41. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков. М.: «Энергия», 1976.

42. Кокрофт М.Г. Смазка и смазочные материалы. -М.: «Металлургия», 1970.

43. Солдатова Т.П., Бойченко Г.Г. Стабильность проницаемости магнитодиэлектриков из Мо-пермаллоя и методы их упрочнения. Электронная техника, сер.7., Ферритовая техника, вып.З (20). -Л., 1969, с.17-18.

44. Гусева О.М. Получение суперстабильных магнитодиэлектриков из Мо-пермаллоя со стеклоэмалевой изоляцией. Серия I. «Электроника СВЧ». Производство и применение ферритов. ЦНИИ «Электроника». М., 1978, с.5.

45. Грацианов Ю.А., Герасименко A.A. Влияние процесса выплавки на физические и технологические свойства Мо-пермаллоя. Прецизионные сплавы: Сб. трудов ЦНИИЧМ. М., вып. 15, 1956, с.219-258.

46. Никитенко Р.Н. Магнитные материалы. 4.1. Магнитомягкие материалы. -М., 1968, с.54.

47. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М., 1979.

48. Шольц Н. Н , Рабкин Л. И. Прессованный порошкообразный пермаллой (прессперм).- Электросвязь, N 4, 1938, с. 103.

49. Рабкин Л. И. , Шольц Н. Н. Магнитодиэлектрики и феррокатушки. Госэнергоиздат, 1948.

50. Акименко В.Б., Буланов B.JL, Рухин В.В., Мичкон Е.С., Заворохин Л.И. Железные порошки. -М.: «Наука», 1982.

51. Шведков Б.В. , Денисенко Э.Т., Ковенский И.И. Словарь-справочник по порошковой металлургии,-Киев: "Наукова думка", 1982.

52. Морохов И. Д. , Петинов В. И. и др. Структуры и свойства малых металлических частиц. УФН, т. 133, вып.4, 1981, с.653-692.

53. Рабкин Л. И. Способ получения порошка пермаллоя размолом. Авт.св-во СССР N 56485, 1949.

54. Рабкин Л. И. Способ изготовления материала для магнитных сердечников. Авт. св-во СССР N 39280, 1934.

55. Рабкин Л.И. Способ производства порошка из ферромагнитных металлов. Авт.св-во СССР N 42416, 1935.

56. Жерве А.Н. Рабкин Л. И. Способ изготовления магнитодиэлектриков. Авт.св-во СССР N 57449, 1940.

57. Петров А.Е., Петинов В. И. , Шевченко К В. Магнитные свойства малых аэрозольных частиц никеля в области 4,2 300 К. - ФТТ, т.14, 1972, с.3031.

58. Аркадьев В. К Электромагнитные процессы в металлах. ОНТИ, ч.1, 1935; ОНТИ, ч.2, 1936.

59. Гусева О.М., Кириллов С.А., Семичев B.C., Магнитомягкие феррокомпозиты на основе кристаллических и аморфных порошков. -Обзоры по электронной технике, выпуск 3 (1531) серии 6, 1990.

60. Путимцев Б.Н. «Порошковая металлургия», №11, 1968, с.1-7.

61. Разработка технологии изготовления высокопроницаемых магнитодиэлектриков с использованием газораспыленных порошков Мо-пермаллоя. Отчет «УкрНИИСпецсталь», 1989.

62. Taylor A. Soft magnetic Materials for Communication. Pargamon Press, London, 1953.

63. Толмасский И.С. Карбонильные ферромагнетики. — М.: «Металлургия», 1976.

64. Путимцев Б.Н. В сб. трудов ЦНИИЧМ «Прецизионные сплавы», вып. 78, с.262-265.

65. Грэхем Ч. Термомагнитная обработка. В сб.: «Магнитные свойства металлов и сплавов». -М.: ИЛ, 1961.

66. Кепало И.Б., Новиков В.Ю. Магнитомягкие сплавы (кристаллические и аморфные). В сб.: «Итоги науки и техники», сер. «Металловедение и термическая обработка», том 18, 1983.67. Патент США №314760, 1964.

67. Эллиот Р.П. Структура двойных сплавов. М., 1970.

68. Разработка технологии и определение номенклатуры изделий из магнитомягких и магнитотвердых материалов для вновь строящегося цеха СПЗЧЖ. Отчет «УкрНИИСпецсталь», 1986.

69. Отработка технологии получения порошков сплавов-компенсаторов на основе газораспыленных порошков Fe-Ni-Mo и внедрение их для получения термостабильных магнитодиэлектриков. Отчет «УкрНИИСпецсталь», 1987.

70. Синяков И.Н., Васильева О.В. и др. Производство железо-никелевых сплавов для феррокомпозитов. Научно-технический сборник ЦНИИ КМ «Прометей» «Вопросы материаловедения». - СПб, 1999, №1(18), с.5-21.

71. Малышевский В.А., Васильева О.В. и др. Способ получения пластин пермаллоя с регламентированной величиной зерна. Патент РФ №2139775, 1998.

72. Brown J., Packwood W.X. Ray Spectrometry, 1986.

73. Бирке H., Майер Д. Введение в высокотемпературное окисление металлов. М.:»Металлургия», 1987, с.184.

74. Mrowec S., Przbylski К. Oxid. Metals, 11,1977, р.383.

75. Семичев B.C., Васильева О.В. и др. Новые феррокомпозиты на основе порошков пермаллоя и сендаста. Труды XVI Менделеевского съезда пообщей и прикладной химии. Секция: Материалы будущего и нетрадиционные химические технологии. Москва, 1998.

76. Гусева О.М., Васильева О.В. и др. Новые феррокомпозиты на основе ферритов и металлов ферритокерметы. Труды XVI Международной школы- семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники». -Москва, Физфак МГУ, 1998.

77. Гусева О.М., Семичев B.C., Васильева О.В., Яковлев Ю.М. Новые феррокомпозиты на основе магнитомягких металлических порошков (состав, строение, свойства, технология). Труды МКЭЭ-98. Москва, 1998.

78. Гусева О.М., Семичев B.C., Васильева О.В., Яковлев Ю.М. Новые феррокомпозиты перспективные материалы для электротехники. Труды МКЭЭ-99. - Москва, 1999.

79. Семичев B.C., Гусева О.М., Васильева О.В. Высокопроизводительный способ нанесения покрытия из термостойких полимеров на изделия электронной техники. Труды совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям. СПб, 1997.

80. Гусева О.М., Семичев B.C., Васильева О.В., Яковлев Ю.М. Современные индуктивные элементы из феррокомпозиционных материалов с термостойким полимерным покрытием. Петербургский журнал электроники. СПб, 1999 - №2(20), с.62-64.

81. Гусева О.М., Семичев B.C. Промышленные феррокомпозиты на основе металлических порошков. Обзор-справочник. СПб.: Издательство НИИ «Домен», 1987.

82. Гусева О.М., Семичев B.C., Васильева О.В., Яковлев Ю.М. Радиопоглощающие материалы на основе порошков Мо-пермаллоя, альсифера и карбонильного железа. Труды МКЭЭ-2000. Москва, 2000.

83. Гусева О.М., Семичев B.C., Васильева О.В., Яковлев Ю.М. Композиционные ферромагнетики материалы нового века. Труды Международной конференции «Перспективные материалы». - Киев, 1999.

84. Гусева О.М., Семичев B.C., Васильева О.В. Феррокомпозиционный материал на основе пермаллоя. Патент РФ №2158034, 1998.