Что представляет собой композиты ферриты усы

Металлические усы

Прежде чем ученые-материаловеды занялись изучением металлических усов, с ними столкнулись электрики.

Оловянные усы

Электрики уже давно обнаружили, что на луженых (покрытых оловом) металлических поверхностях под действием электрического поля иногда вырастают щеточки из тоненьких оловянных «усов». Эти усы растут перпендикулярно к поверхности, диаметр каждого уса составляет 1—10 микрометров, а длина может доходить до сантиметра, хотя обычно не превышает нескольких миллиметров. Особого внимания на эти щеточки никто бы не обращал, но иногда они приносили неприятности — замыкали накоротко отдельные участки цепи и выводили из строя приборы. Во время войны было зафиксировано довольно много случаев отказа в линиях связи из-за роста таких щеточек.

Раз они мешают, нужно с ними бороться. А чтобы бороться с каким-то явлением — надо его изучить. Вот и начали изучать. Изучая это явление, материаловеды пришли к выводу, что не избавляться надо от металлических усов, а заставить их расти. И вот по каким причинам.

1. Было обнаружено, что каждый ус — это монокристалл игольчатой формы. Монокристалл — один кристалл, в отличие от поликристалла, который представляет собой совокупность, множество маленьких кристалликов.
2. Если самые тонкие усы сильно изогнуть в дугу, а потом отпустить, они примут первоначальную форму. При этом нет и намека на пластическую деформацию — изгиб будет чисто упругим.

Установить первое утверждение было не сложно, современные методы рентгеновского анализа позволяют точно зафиксировать строение материала. А вот поведение оловянных усов совершенно не соответствовало представлениям о поведении обычного олова — оно в таких условиях ни за что не вернулось бы в исходное состояние — ведь олово весьма пластичный металл.

Чтобы обнаружить это свойство, не пришлось прибегать к сложным приборам, понадобились только обычный микроскоп и миниатюрный пинцет. И еще внимательность, способность удивляться и умение использовать свои знания. Наверное, этими качествами природа щедро наградила двух американских ученых — К. Херринга и Дж. Голта. Их удивило то, на что другие специалисты не обратили внимания. Для инженеров не составляет труда рассчитать величину напряжений, развиваемых в усах при изгибе. И когда произвели этот несложный расчет, оказалось, что оловянные усы выдерживают напряжения почти в сто раз большие, чем обычное массивное олово. Их прочность была близка к теоретической ! Сообщение об этом появилось в 1952 году. И тут началась атака на усы. Усы хрома — почти в 20 раз, железа и карбида кремния — более чем в 40 раз, оксида алюминия — в 200 раз, кварца — в 350, графита — более чем в 1000 раз прочнее массивных изделий из тех же материалов.

Выращивание усов разных материалов

Электронномикроскопические и рентгенографические исследования подтвердили: да, в самых тонких усах дислокаций практически нет. И не только в оловянных. Ученые начали специально выращивать усы разных материалов — железа, меди, никеля, графита, оксида алюминия, оксида магния, карбида кремния, нитрида кремния, карбида бора и многих-многих других. Как из рога изобилия посыпались патенты на способы их выращивания.

И на всех материалах была установлена одинаковая картина. Сверхвысокую прочность чаще всего имеют очень тонкие усы — толщиной 1—2 мкм. Чем больше их толщина (или диаметр), тем ниже прочность, и при толщине 10—12 мкм прочность усов уже почти такая же, как у обычных поликристаллических материалов. График этой зависимости очень близок к гиперболе, а это означает, что прочность уменьшается обратно пропорционально диаметру.

Анализ условий роста металлических усов

В чем же причина такого поведения? Увеличение толщины усов влечет за собой увеличение количества дефектов в них. Тщательный анализ условий роста усовпоказал, что вначале усы представляют собой очень тонкие микрометровые волоконца с идеально гладкой поверхностью, в которых отсутствуют дислокации. Но по мере оседания новых атомов на поверхность и образования новых слоев она утрачивает гладкость, на ней появляются так называемые ступеньки роста, образующиеся в результате различия в скоростях осаждения атомов на разные слои. Поверхность получается похожей на неаккуратно одетый чулок — с морщинами.

Морщины являются источниками разупрочнения, они служат концентраторами напряжений в усах, их присутствие равносильно тонким надрезам на поверхности, что, естественно, должно приводить к снижению прочности. Кроме того, при увеличении размера кристалла в нем появляются дислокации, которые концентрируются главным образом вблизи его поверхности. Все это и приводит к тому, что прочность усов резко падает с увеличением их размеров.

Металлические усы в реальных конструкциях

Получение теоретической прочности даже на столь малых объектах взбудоражило материаловедческий мир. Мысль ученых и инженеров начала искать пути применения усов в реальных конструкциях. Конечно, из одних усов лопатку турбины не сделаешь, не говоря уже о ракете или самолете. Но может, их использовать в качестве арматуры для упрочнения различных металлов и сплавов? Пусть в этом случае композит не так прочен, как каждый отдельно взятый ус, пусть прочность усов реализуется не полностью — все равно такая система должна быть намного прочнее обычных материалов.

Способы введения усов в металлы

Начались интенсивные поиски способов введения усов в металлы— алюминий, никель, титан, в жаропрочные сплавы. Увы, полная удача пока не спешит приходить к исследователям. Хотя можно получить высокопрочный материал, состоящий из металлической матрицы, в которой ориентированы заданным образом усы (например, уложенные в направлении действия растягивающих нагрузок), и в лабораториях такие композиты на основе алюминия, марганца, никеля и других металлов изготавливаются, при их промышленном производстве возникает очень много сложностей, которые не удается преодолеть в полной мере. Прежде всего необходимо научиться среди массы кристаллов отбирать самые прочные, а их не так уж много. Толстые усы имеют невысокую прочность, поэтому использовать их в качестве арматуры нерационально. А растут усы при промышленных способах их производства в виде ваты. Вот и попробуй выдергивать из этой ваты по волоску и определять, прочный он или нет. Эту задачу нельзя отнести к числу легких. Далее, необходимо разработать методы ориентации усов в металле. Усы должны располагаться вдоль линий действия максимальных напряжений в детали.

Над этой задачей тоже пришлось потрудиться. Но главная проблема все-таки не в этом. Главное то, что высокую прочность усы имеют только тогда, когда их поверхность идеально гладкая. А когда их вводят в металл, существует большая вероятность, что поверхность будет повреждена. Либо в результате разъедания расплавленным металлом, либо под действием внешних давлений, которые необходимы, чтобы получить композит без расплавления, либо просто от трения друг о друга. При этом прочность усов падает катастрофически, и их свойства в композите оказываются весьма далекими от тех, которые можно ожидать. В этом отношении полимеры более благодатные материалы для армирования усами, чем металлы, поскольку они не так сильно повреждают поверхность усов, но в полимерных композитах нельзя реализовать такие ценные качества усов, как высокая жаропрочность, окалиностойкость и другие.

Роль металлических усов в развитии композитов

Сегодня еще трудно ожидать широкого применения металлических усов в технике. Но их изучение сыграло важную роль в развитии композитов. Оно явилось тем катализатором, который активизировал интерес исследователей к созданию материалов в виде тонких нитей и использованию их в качестве упрочнителей полимеров и металлов. В процессе работы пришли к выводу, что не только кроткие нитевидные кристаллы, но и многие материалы в виде тонких нитей обладают очень высокой прочностью. Конечно, такие нити менее прочные, чем металлические усы, но если их получать не в виде коротких отрезочков, а в виде непрерывных волокон, они будут более технологичными, их удобнее перерабатывать, полнее удается реализовать прочность и в конечном итоге можно будет получить армированные композиты с прочностью намного большей, чем у существующих конструкционных материалов.

Источник статьи: http://libtime.ru/science/metallicheskie-usy.html

Классификация по группам и основные электромагнитные параметры отечественных магнитомягких ферритов

Ферриты — это магнитные материалы, представляющие собой смесь окислов металлов и обладающие ферромагнетизмом. Магнитомягкие ферриты — это ферриты с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м.

Одним из основных достоинств ферритов является высокое удельное электрическое сопротивление в сочетании с достаточно высоким значением магнитной проницаемости; индукция насыщения ферритов меньше, чем металлических магнитных материалов. Особенно выгодно применение их на высоких частотах при малых индукциях. По электрическим свойствам ферриты представляют собой полупроводники, проводимость которых возрастает с повышением температуры. Эффективная удельная электрическая проводимость ферритов увеличивается с возрастанием частоты. На низких частотах ферриты обладают высокой относительной диэлектрической проницаемостью примерно 10 5 . Одновременно высокое значение относительных магнитной μ и диэлектрической ε проницаемостей может приводить к нежелательному объемному резонансу. При объемном резонансе потери резко возрастают, а магнитная проницаемость уменьшается. Для сердечников из марганец-цинковых ферритов с поперечным сечением 1 см² ε≈10 5 частота объемного резонанса приблизительно равна 1 МГц.

При применении ферритов необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики.

Область применения каждой марки феррита определяется критической частотой, выше которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость. Магнитные свойства ферритов резко меняются при одновременном наложении постоянных и переменных полей. Кроме того, после воздействия таких полей имеет место остаточный магнитный эффект, поэтому сердечники не рекомендуется подвергать намагничиванию полями, превышающими рабочие поля.

Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий: их режут алмазным инструментом; они хорошо шлифуются и полируются; склеивают их клеем БФ-4. Под воздействием механических нагрузок в сердечниках возникают механические напряжения, что может разрушить сердечник или недопустимо изменить его электромагнитные параметры как во время действия нагрузки так и после нее. Влияние механических нагрузок на электромагнитные параметры сердечников зависит от направления вектора вызываемых ими механических напряжений относительно направления вектора напряженности рабочего поля.

К наибольшим изменениям параметров сердечников приводят механические напряжения, действующие перпендикулярно или параллельно направлению магнитного поля. В этих случаях изменения электромагнитных параметров одинаковы и могут отличаться только знаком.

При воздействии на сердечники динамических, механических нагрузок (ударов, вибраций) с динамическими импульсами менее 5 мс не рекомендуется допускать возникновения в сердечниках импульсов механических напряжений более 490332 Па (5 кгс/см²).

Нельзя допускать непосредственные удары по сердечникам и их падение с высоты на жесткое основание, так как при этом может произойти значительное необратимое изменение значения начальной магнитной проницаемости.

Для ферритов, с точки зрения прочности, самыми опасными видами деформации являются растяжение и изгиб. Предел прочности ферритовых материалов при растяжении (1-2)·10 4 кПа, при изгибе — в 2…2,5 раза больше, а при сжатии — в 10…15 раз больше, чем при растяжении.

Механические и теплофизические характеристики ферритов имеют следующие ориентировочные значения: модуль Юнга (0,45…2,15)·10 8 кПа; модуль сдвига (0,43…7,4)·10 7 кПа; коэффициент Пуассона 0,22…0,40; удельная теплоемкость ферритов приблизительно равна (0,6…0,9)·10³ Дж/(кг·К), коэффициент теплопроводности приблизительно равен (2,8…5,7) Вт/(м·К), коэффициент линейного расширения приблизительно равен (5…10)·10 -6 1/град.

При кратковременном воздействии повышенной и пониженной температур и при температурных циклах могут быть остаточные изменения магнитной проницаемости.

При увлажнении ферритов более чем на 5% могут незначительно возрасти магнитные потери на средних и высоких частотах из-за изменения электропроводности ферритов и диэлектрических потерь. При использовании ферритов с обмоткой на частотах 3МГц и более изменение диэлектрических характеристик при увлажнении вызывает изменение электромагнитных параметров из-за изменения собственной емкости и ее потерь. Вследствие этого при использовании ферритов на частотах свыше 3 МГц в условиях повышенной влажности рекомендуется применять герметизацию.

При радиационном облучении ферритов изменение электромагнитных параметров существенно только при облучении интегральным потоком нейтронов с интенсивностью выше 1·10 5 нейтронов/см². Под воздействием гамма-нейтронного облучения магнитная проницаемость ферритов уменьшается, особенно у марганец-цинковых ферритов.

Ферриты обладают временной нестабильностью магнитной проницаемости, которая проявляется в спаде значения магнитной проницаемости при длительном воздействии положительных температур или длительном хранении.

Разомкнутые сердечники характеризуются значением эффективной магнитной проницаемости. Тангенс угла магнитных потерь, температурная и временная нестабильность ориентировочно уменьшаются в X_н/Y_е раз, а постоянная гистерезиса — в (X_н/Y_е)² раз.

Источник статьи: http://ferrite.ru/publications/magnitomyagkie-ferrity

Ферриты (оксиферы)

Феррит – материал, представляющий собой соединение оксида железа и оксидов ферримагнетиков. Он имеет формулу MFe₂O₄. Это химическое соединение обладает кубической кристаллической решеткой и активно используется в радиоэлектронике, благодаря большому удельному сопротивлению и наличию магнитных свойств.

Основные свойства

Феррит обладает следующими физическими характеристиками:

1. Плотность: 4000 до 5000 кг/м 3 (параметр определяется маркой железного сплава).Теплоемкость вещества: до 890 Дж/кг×К.
2. Средний модуль упругости: 5500 МПа.
3. Предел прочности на сжатие равняется 850 МПа, на растяжение – 110 МПа.
4. Коэффициент Пуансона: до 0,4.
5. Модуль Юнга: до 21 000 000 кПа.

Одним из основных физических свойств феррита является высокое электрическое сопротивление и магнитная проницаемость, что обуславливает низкие энергетические потери в высокочастотных зонах. Основным фактором, влияющим на этот параметр, является большая концентрация двухвалентных ионов железа. При повышенном количестве частиц Fe2+ увеличивается проводимость железного сплава и понижается его энергия активации. Высокое содержание двухвалентных ионов железа также приводит к снижению зависимости металла от различных свойств среды и состояния намагниченности.

Выделяют следующие механические свойства феррита:

1. Металлы склеиваются при помощи клея марки БФ-4 и нарезаются инструментами, изготовленными из алмаза.
2. Материал поддается полировке и шлифовке.
3. При больших механических нагрузках (соударениях, вибрациях) появляются дополнительные напряжения в сердечниках, что приводит к возникновению трещин и иных внешних дефектов.

Главными отличительными особенностями феррита являются его магнитные свойства. Они зависят от величины магнитной проницаемости железной модификации и тангенса угла потерь. На эти характеристики оказывают влияние интенсивность резонансных явлений и механические напряжения. Для сохранения магнитных свойств материала нужно ограничить величину физических нагрузок на поверхность металла.

На магнитные свойства феррита воздействуют следующие факторы:

1. Влияния высоких или низких температур: при термообработке железного сплава также могут произойти изменения магнитной проницаемости.
2. Увлажнение металла: на средних и высоких частотах увеличиваются магнитные потери металла, что связано с изменением электропроводности материала. По этой причине рекомендуется герметизировать металл во время работы с влажными поверхностями.
3. Радиационное облучение: воздействие интегральных потоков нейтронов с высокой интенсивностью приводит к изменению электромагнитных характеристик железного сплава.
4. Слияние двух магнитных полей: происходит наложение частот, что повышает вероятность возникновения явления резонанса.

Для большей части железных модификаций характерна нестабильность магнитной проницаемости при длительном хранении металла в теплых или холодных помещениях.
Ферриты являются полупроводниками и диэлектриками. Их электрические свойства зависят от процессов ионного обмена и температурного режима. При высоких температурах возрастает подвижность отрицательных зарядов химического соединения, что приводит к изменению электропроводности и удельного сопротивления феррита.Электрические свойства могут также изменяться при разных концентрациях ионов железа.

В процессе теплового движения частицы Fe2+ оказывают влияние на проводимость материала и энергию активации электропроводности. В результате снижается толщина энергетических барьеров, препятствующих перемещению отрицательных частиц из 1 иона в другой.

На многие параметры феррита влияют условия изготовления. Выделяют следующие способы производства этого материала:

1. При помощи ферритовых порошков: железный сплав изготавливается из специальных химических соединений. Растворы железа осаждают из специальных солей. Полученное вещество смешивают с гидратами щелочей. Смесь сушится и ферритизируется. Этот метод изготовления чаще всего используется в металлургии, что связано с большим эксплуатационным сроком ферритовых порошков.
2. Окисная технология: представляет собой смешение и помол окислов металлов. Главными преимуществами этого способа являются безотходность и экономичность. В этом случае для изготовления феррита необходимо минимальное количество сырья. Во время смешивания окисей металлов в атмосферу не выделяются вредные химические соединения. Недостатком этой технологии является трудность измельчения окислов при получении однородных смесей.
3. Химические методы: предоставляют возможность изготавливать высокочастотные ферриты без применения этанола и иных соединений с высокой воспроизводимостью структурных параметров.
4. Термическое разложение: требуется сернокислые соли, где содержится кристаллизационная вода. В них добавляется небольшое количество H₂O. Полученная смесь разлагается на окислы (их температура составляет не менее 900°С. Преимуществом этого способа является однородность распределения всех компонентов при термообработке.
5. Бездиффузионный(шенитный) способ: для изготовления железных модификаций необходимы ферритные порошки, состоящие из растворов шенита. Для предельной гомогенизации вещества проходят процесс кристаллизации и ферритизации. Стабильность протекания этих процессов обуславливается состоянием поверхностных частиц шенита и доли полиморфных модификаций.

Для производства качественного феррита необходимо соблюдать основные условия изготовления и использовать высокоактивные ферритовые соединения или порошки.

Химический состав

Ферриты являются смесью оксидов железа и иных легирующих металлов, включающих в себя медь, цинк, магний, ниобий, кобальт, никель, литий и марганец. Средняя молярная масса вещества зависит от процентного содержания химических элементов в растворе. Она равняется 152 – 160 г/моль. В зависимости от химического состава и структуры выделяют следующие разновидности феррита:

1. Никель-цинковые: отличаются высоким электрическим сопротивлением и чаще всего используются при высоких диапазонах частот: 500 КГц до 200 МГц.
2. Магний-марганцевые: характеризуются низкой магнитной проницаемостью и чаще всего применяются для работы с частотами звука.
3. Марганцево-цинковые: имеют низкие потери на вихревых токах и располагают высокими показателями диэлектрической проницаемости.
4. Иттриевые: обладают небольшими диэлектрическими потерями. Они устойчивы к ферромагнитному резонансу.
5. Литиевые: располагают высокими показателями намагниченности насыщения и термической стабильности.

Химический состав феррита определяется эксплуатационными характеристиками материала и сферой его применения.

Классификация ферритов

Ферриты подразделяются на 3 основных класса:

1. Железные сплавы с гарантированными потерями и высокой магнитной проницаемостью.
2. Материалы с гистерезисом (зависимости намагниченности от напряжений внешнего поля) в виде прямоугольной петли.
3. Модификации железа с уникальными свойствами.

В зависимости от основных параметров металла были созданы марки ферритов:

• 2000 H: никель-цинковый феррит с магнитной проницаемостью 2000 Гн/м;
• 100 ВНП: железный сплав с магнитной проницаемостью 100 Гн/м, состоящий из никеля, цинка и меди;
• 6000 HM1: материал из магния и цинка, магнитная проницаемость составляет 6000 Гн/м;
• 300 П: железная модификация с магнитной проницаемостью 300 Гн/м, состоящий из магния, марганца и калия.

В соответствии с марками металлов была создана классификация ферритов, демонстрирующая виды применения данной модификации железа:

1. Общепромышленные: отличаются высокой магнитной проницаемостью и применяются при частоте до 25 МГц. При его изготовлении применяют чистый феррит, представляющий собой частицы ферритовой пыли. Используются в большинстве отраслей радиоэлектроники.
2. Термостойкие: металлы с устойчивой магнитной проницаемостью, не изменяющейся при резком перепаде температур. Они используются при производстве антенных и сердечников.
3. Высокопроницаемые: благодаря повышенной магнитной проницаемости, они применяются при низких частотах. Используются при изготовлении комплектующих для статических преобразователей.

Отдельные марки ферритов могут применяться для производства определенной аппаратуры. В ионных аккумуляторах может использоваться только феррит цинка, являющийся магнитомягким металлом. Для магнитных головок изготавливают железные сплавы на основе никель-цинковых материалов. При сборке датчиков и специальных детекторов используют ферриты с высокой термочувствительностью. Ферриты, способные работать при импульсном намагничивании, используются во время производства трансформаторов. Модификации железа, имеющие низкие потери при частоте, могут применяться в телевизионных приборах.

Источник статьи: http://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/ferrity.html