Магнитострикционные материалы

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение…………………………………………………………………3
2. Основная часть…………………………………………………………..5
3. Список литературы…………………………………………………….10

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

        Магнитострикционные (пьезомагнитные) материалы применяют для изготовления сердечников магнитострикционных вибраторов, датчиков, резонаторов, стабилизаторов, реле, фильтров, преобразователей звуковых и ультразвуковых колебаний. Приводим основные характеристики магнитострикционных материалов.

        Коэффициент магнитомеханической связи К равен отношению излученной вибратором механической энергии к подводимой к нему электромагнитной энергии: 

где — амплитудное значение упругого напряжения; Е — динамический модуль Юнга; — магнитная восприимчивость; — амплитудное значение напряженности магнитного поля.

Магнитострикционные постоянные    и , где

 — механическое  напряжение, В — магнитная индукция (индексы и Н обозначают неизменность деформации и напряженности магнитного поля).

        Для продольных колебаний 

где — обратимая проницаемость при неизменной деформации.               

        Магнитострикцией насыщения , намагниченностью насыщения и механической прочностью магнитострикционного материала определяется предельная интенсивность его колебаний.

        Электросопротивлением и коэрцитивной силой Н_с определяются потери энергии при работе магнитострикционного преобразователя. Существенное значение имеют также начальная и обратимая проницаемости магнитострикционного материала. В табл. 14.3 приведены основные свойства магнитострикционных материалов.

       

Таблица 14.3. Основные свойства магнитострикционных материалов

 

        Наиболее распространенным магнитострикционным материалом является никель.

        Начальная магнитная проницаемость является структурно- чувствительной характеристикой. Значение магнитной проницаемости существенно зависит от дефектов кристаллической решетки, поэтому магнитоупругая чувствительность магнитострикционных материалов существенно зависит от режима термической обработки. На рис. 14.4 приведена зависимость начальной восприимчивости никеля от малых упругих напряжений после различных термических обработок в вакууме. 

        При повышении температуры отжига возрастает не только значение начальной проницаемости, но и характер ее зависимости от упругих внешних напряжений. На рис. 14.5 приведены кривые намагничивания и магнитострикции , образца никеля (перминвара). Намагниченность и магнитострикция в области средних полей с увеличением температуры отжига возрастают. 

        Если термическая обработка при температуре 800°С в течение 15—20 мин производится на воздухе, то на поверхности никеля возникает оксидная пленка, которая обладает большим электросопротивлением. При сборке магнитоупругого датчика из тонких пластин электроизоляционные свойства оксидных пленок позволяют применять его при значительных частотах перемагничивания. Однако из-за малого электросопротивления никеля при увеличении частоты перемагничивания наблюдается резкое возрастание потерь. Такой же недостаток у железокобальтового сплава, хотя его магнитострикция в три раза больше, чем у никеля. Остальные материалы, особенно ферриты, обладают значительно большим удельным электросопротивлением, поэтому они могут применяться в широком диапазоне частот.

        Перспективными магнитострикционными материалами являются сплавы типа с магнитострикцией до . 

ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

        Связанные с преобразованием энергии свойства M. м. характеризуются коэффициентом магнитомеханической связи К, магнитострикционной постоянной а и постоянной чувствительности А. Величина К равна отношению преобразованной энергии (механической или магнитной) к подводимой (соответственно магнитной или механической) без учёта потерь ; определяет чувствительность электроакустического преобразователя в режиме излучения, а  - его чувствительность в режиме приёма. Относительная магнитная проницаемость характеризует электрический импеданс преобразователя в отсутствие механических колебаний, который необходимо учитывать при согласовании преобразователя с электрической схемой ( - соответственно амплитуды механического напряжения, магнитной индукции, магнитного поля). Величины a, L, К связаны соотношениями, в которые входят магнитная проницаемость (в общем случае комплексная) и константа упругой податливости. Динамические постоянные упругости - модуль Юнга и модуль сдвига - в комбинации с плотностью материала определяют скорость продольных сдвиговых волн и соответственно резонансные частоты сердечников заданных размеров при заданной форме колебаний.

        Эффективность преобразования, или кпд, определяется наряду с коэффициентом К, магнитными и механическими потерями. Магнитные потери в M. м. обусловлены вихревыми токами, зависящими от удельного электрического сопротивления , и гистерезисом магнитным, косвенно определяемым величиной коэрцитивной силы Н _с. Характеризуются магнитные потери величиной tg, представляющей отношение мнимой и действительной части . Механические потери зависят от добротности материала Q.

        Динамические характеристики M. м. сильно зависят от величины постоянного, поля подмагничивания H₀ .

Зависимость К, a, от поля подмагничивания H₀ для никеля (пунктир) и пермендюра (сплошная линия) при малой амплитуде переменного поля.

        Температурная стабильность свойств M. м., особенно важная при использовании их в фильтрах, стабилизаторах частоты и др., тем больше, чем выше температура Кюри T₀. Для магнитострикционных излучателей звука большое значение имеют величина магнитострикции насыщения , которая определяет их предельную мощность в условиях нагрузки, и динамическую усталостную прочность s_пр, ограничивающую предельную амплитуду колебаний слабо нагруженных преобразователей. Величина , а также крутизна статической кривой зависимости магнитострикции от магнитного поля являются определяющими параметрами M. м. при их использовании в оптико-механических системах, создающих управляемые статические или НЧ-перемещения.

        Из металлических M. м. наиболее, употребительны никель и сплавы на его основе, а также железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы. Никель обладает кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (параметр а = 0,35238 нм). Температура плавления 1455°C, температура кипения около 2900°C, плотность 8,90 кг/. Никель — ферромагнетик, точка Кюри около 358°C. Их используют в поликристаллической форме и изготавливают по обычной металлургической технологии, прокатывая в виде полос толщиной 0,1-0,3 мм для уменьшения потерь на вихревые токи. В сплавах на основе никеля, введением добавок кобальта, компенсируют магнитокристаллографическую анизотропию и соответственно повышают динамические характеристики К, a, , а также снижают потери на гистерезис, добавки же кремния или хрома повышают и соответственно уменьшают потери на вихревые токи. Созданием кристаллической ориентации в никеле и его сплавах (т. н. кристаллографической текстуры) достигается увеличение на 20-30%. Железокобальтовый сплав - пермендюр - обладает большей и более высокими магнитными и магнитострикционными константами, чем никель, благодаря чему он применяется в мощных излучателях звука. Однако этот сплав легко корродирует, отличается невысокой временной и технологической стабильностью свойств, непластичен и поэтому неудобен в обработке. Железоалюминиевые сплавы обладают достаточно высокими магнитострикционными характеристиками и электросопротивлением; их недостаток - низкая коррозионная стойкость, повышенная хрупкость, затрудняющая их механическую обработку. Электромеханические и электроакустические преобразователи из металлических M. м. применяют на частотах до 20-40 кГц, практически без ограничения прочности.

Редкоземельные  магнитострикционные материалы.

         Особую группу металлических M. м. составляют материалы на основе соединений редкоземельных элементов [тербия (Tb), диспрозия (Dy)] с железом. Магнитострикция их очень велика - до 10^-3-10^-2, однако она достигается в магнитных полях, составляющих десятки и сотни кА/м. Введение компонентов, компенсирующих кристаллографию, анизотропию, и создание текстуры позволяют увеличить крутизну магнитострикционной кривой и соответственно повысить динамические характеристики материалов этого типа: у лучших составов величина К достигает 0,80 при H₀ 10 кА/м. Получают образцы сплавов на основе редкоземельных элементов методом вытягивания из расплава или методами порошковой металлургии.

Ферритовые  магнитострикционные материалы.

        К ним относятся ферриты со структурой шпинели - феррит никеля и твердые растворы на его основе (включающие ферриты кобальта, цинка, меди и др. добавки) - и со структурой граната - в основном феррит-гранат иттрия (ИФГ). Ферриты-шпинели употребляют в виде поликристаллической керамики, которая изготавливается из окислов (реже солей) металлов по керамической технологии, в форме монолитных сердечников; ферриты-гранаты выращивают из расплава в виде монокристаллов.

        Ферритовые M. м. практически не обладают потерями на вихревые токи и соответственно могут использоваться до весьма высоких частот. Для электроакустических преобразователей применяют ферриты-шпинели на основе феррита никеля, которые обладают достаточно хорошими константами преобразования, высокой механической добротностью, коррозионной стойкостью. Однако относительно малая механическая прочность и низкие значения этих M. м. ограничивают предельную амплитуду излучателей звука из ферритов. Для использования в электромеханических фильтрах, резонаторах путём модификации химического состава созданы образцы керамических ферритов с добротностью св. 5000 и весьма малыми температурными коэффициентами резонансной частоты сердечников. Они применяются на частотах от 10⁴ до 10⁶ Гц. В диапазоне 10⁷-10⁹ Гц для устройств акустоэлектроники используются монокристаллические ферриты-гранаты на основе редкоземельных элементов, обладающие малыми магнитными потерями и высокой механической добротностью. Наибольшее, распространение среди них получил феррит-гранат иттрия, у которого Q ~ 10⁷ на частоте 10 МГц, tg ~ 0,03 на частоте 20 МГц, а Т_с = 640 ⁰C. Кристаллы ИФГ используются для линий задержки, в т. ч. с усилением сигналов на основе использования нелинейных эффектов и с взаимодействием акустических и спиновых волн.