Рассмотрим области применения различных видов (рисунок 1) магнитных радиоматериалов в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) и радиокомпонентах.
Рисунок 1 – Классификация магнитомягких и магнитотвёрдых радиоматериалов
Магнитомягкие материалы применяются в электронике в зависимости от частотных характеристик РЭА или радиокомпонентов и поэтому классифицируются на магнитомягкие низкочастотные материалы (МНМ) и магнитомягкие высокочастотные материалы (МВМ). В свою очередь МНМ делятся на материалы с высокой индукцией насыщения (железо, электротехническая сталь) и материалы с высокой магнитной проницаемостью (пермалой, альсифер – сплав железа, аллюминия и кремния).
Рассмотрим области применения и некоторые особенности магнитомягких низкочастотных материалов.
Магнитомягкие низкочастотные материалы с высокой индукцией насыщения имеют большие значения магнитной индукции (больше 2,15 Тл), маленькие значения коэрцитивной силы (менее 100 А/м) и большие значения максимальной магнитной проницаемости (до 79 мГн/м) поэтому они применяются в электронике и электротехнике при магнитных полях напряжённостью 100–50000 А/м на частотах не превышающих 400–500 Гц.: электромагниты измерительных приборов, магнитопроводы и сердечники радиокомпонентов и в других случаях.
Если необходимо при наименьшей затрате энергии получить наибольшую индукцию (т.е. в очень слабых магнитных полях напряжённостью менее 100 А/м) на частотах до 500 Гц, то применяют МНМ с высокой магнитной проницаемостью. Особенность этих магнитных материалов состоит в том, что они имеют большие значения начальной магнитной проницаемости. Как уже говорилось выше, МНМ с высокой магнитной проницаемостью является, например, пермалой. Пермалои обладают хорошей пластичностью, что позволяет существенно упростить технологию получения полуфабрикатов (лент, листов или проволоки) из которых потом изготавливают конечное изделие.
Первая область применения пермалоев – создание магнитных сердечников для радиокомпонентов. Недостатком пермалоев является то, что их магнитные свойства сильно подвержены воздействию напряжений. Отмечается, что сжимающее напряжение 5 Мпа уменьшает магнитную проницаемость в 5 раз. Это предъявляет некоторые дополнительные требования к технологическому процессу изготовления магнитного радиоматериала (например, полуфабрикат подвергается термической обработке для устранения примесей, укрупнения зерна и снятия остаточных напряжений) и его установке в конечное изделие, т.к. при этом необходимо исключить механические воздействия. При использовании пермалоя для создания магнитных сердечников радиокомпонентов необходимо избегать излишней затяжки и сдавливания.
Вторая область применения пермалоя – вычислительная техника и системы автоматического управления. В этой области используют пермалои с прямоугольной петлёй гистерезиса, имеющие большие значения остаточной индукции (близкие к значению индукции насыщения) и значения коэффициента прямоугольности петли гистерезиса до 0,9. Такие параметры магнитного материала позволяют реализовывать функции хранения информации (намагниченное состояние), стирания (размагниченное состояние), записи (процесс намагничивания) или управления по аналогии с алгеброй логики (логическая единица – намагниченное состояние – функция включения; логический ноль – размагниченное состояние – функция выключения).
Ещё одним примером МНМ с высокой магнитной проницаемостью является альсифер. В отличии от пермалоя альсифер обладает хрупкостью и высокой твёрдостью, поэтому в радиоэлектронике его применяют при изготовлении магнитодиэлектриков. При этом альсифер наносят на диэлектрическое связующее в виде порошка. Конечное изделие из альсифера, как правило, имеет вид кольца и используется в качестве магнитопровода для радиокомпонентов (например, дроссель импульсного блока питания).
Рассмотрим области применения и некоторые особенности магнитомягких высокочастотных материалов.
На высоких частотах увеличиваются потери в радиоматериалах и значение тангенса угла диэлектрических потерь, что приводит, в том числе, к ухудшению магнитных свойств магнитных радиоматериалов. В частности, снижается значение магнитной проницаемости вещества. Для борьбы с тепловыми потерями в магнитных радиоматериалах в электронике используют материалы с большим удельным сопротивлением – магнитомягкие высокочастотные материалы (МВМ). Таким магнитным материалом являются ферриты, имеющие удельное сопротивление до 1012 Ом·м, магнитную проницаемость от нескольких тысяч до нескольких единиц, индукцию насыщения менее 0,4 Тл, коэрцитивную силу не более 180 А/м. Диапазон рабочих температур ферритов ограничен температурой точки Кюри, значение которой для ферритов не превышает 300 oС.
Среди недостатков ферритов выделяют большую чувствительность к остаточным напряжениям, хрупкость и твёрдость, большую усадку при спекании, зависимость свойств от технологических факторов производства и то, что они поддаются обработке только алмазным инструментом. Магнитные свойства ферритов определяются их химическим составом и зависят от условий эксплуатации, в первую очередь, от частоты перемагничивания.
Области применения ферритов в электронике довольно разнообразны. Ферриты применяют в пассивных радиокомпонентах в качестве сердечников, например, в дросселях и импульсных трансформаторах. Кроме того, ферриты применяют в фильтрах, магнитных модуляторах, усилителях, антеннах, линиях задержки и др. Область применения ферритов различных марок зависит от диапазона частот, в котором работает радиоэлектронная аппаратура.
В диапазоне до 200 МГц используют ферриты с легирующим элементом марганец-цинк (Mn-Zn) или никель-цинк (Ni-Zn).
Ферриты с легирующим элементом марганец-цинк обладают сравнительно не большим электрическим сопротивлением, что ограничивает частотный диапазон их применения. В диапазоне до 1 МГц при отсутствии высоких требований к температурной стабильности начальной магнитной проницаемости магнитного радиоматериала используют ферриты Mn-Zn не содержащие присадок, относящиеся к первой группы.
Ко второй группе относятся ферриты Mn-Zn применяемые на частотах до 3 МГц и содержащие присадки металлов, позволяющие повысить температурную стабильность начальной магнитной проницаемости магнитного радиоматериала.
Ферриты с легирующим элементом никель-цинк обладают сравнительно большим электрическим сопротивлением, что расширяет частотный диапазон их применения до 200 МГц. Ферриты Ni-Zn подразделяют на три группы. К первой группе относят ферриты Ni-Zn не имеющие присадок и предназначенные для применения в электронных изделиях, работающих на частотах до 2 МГц. Во вторую группу входят ферриты Ni-Zn с присадками (50% - Fe2O3, 1-8% других оксидов), которые позволяют применять их на частотах до 55 МГц. В третью группу входят ферриты Ni-Zn с присадками (54-59% - Fe2O3, до 1% других оксидов), которые позволяют применять их на частотах до 200 МГц.
Поскольку магнитные свойства ферритов определяются их химическим составом, то в диапазоне высоких частот используют ферриты имеющие более сложный состав, чем рассмотренные ранее. В данном случае речь идёт о ферритах, которые изготавливают из 4-х и более оксидов с применение различных присадок, ионов и катионов, позволяющих добиваться требуемых значений индукции насыщения, больших значений удельного электрического сопротивления (до 1012 Ом·м) и манипулировать значениями точки Кюри. Такие ферриты демонстрируют стабильность параметров на частотах до 800 МГц.
В диапазоне СВЧ используют ферриты с особыми свойствами, которые достигаются за счёт введения в состав феррита оксида с константной анизотропией противоположного знака. Кроме того, в технологическом процессе заменяют процедуру спекания на сплавление порошков в монокристалле. Можно выделить следующие виды ферритов, применяемых в СВЧ диапазоне: ферриты со структурой шпинель, ферриты-гранаты, ортоферриты и ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса.
Ферриты со структурой шпинель изготовляют спеканием оксидов никеля и магния и применяют в диапазоне частот до 3000 МГц. Для использования на более высоких частотах, эти ферриты легируют трехвалентными металлами (хром или алюминий), что позволяет расширить частотный диапазон их применения до 9200 МГц.
Ферриты-гранаты представляют собой магнитный материал с кристаллической решёткой минерала граната (полудрагоценных камней), получившего своё название за внешнюю схожесть с известным фруктом. Ферриты-гранаты легируют редкоземельными металлами: иттрий, гадолиний и др. В электронике применяют поли- и монокристаллы ферритов-гранатов.
Поликристаллические ферриты-гранаты применяют при длинах волн свыше 30 см, а монокристаллы используют в диапазоне миллиметровых длин волн (например, в квантовых генераторах).
Ортоферриты изготавливают из оксидов железа и легируют редкоземельными металлами: иттрий, самарий, гадолиний и др. В монокристаллической пластинке толщиной менее 30 мкм обнаружена специфическая доменная структура – цилиндрические магнитные домены. В плоскости пластины, которая перпендикулярна намагничивающему полю возникает лабиринтовая структура доменов, состоящая из двух типов доменов, намагниченных антипараллельно. С увеличением напряжённости внешнего поля доменная структура ортоферритов изменяется и при некотором определённом значении часть доменов приобретает форму цилиндров. Цилиндрические магнитные домены представляют собой изолированные однородно намагниченные подвижные области, которые имеют форму цилиндров и направление намагниченности противоположное направлению намагниченности магнетика. В электронике это свойство ортоферритов используют в функциональной магнитоэлектронике в устройствах обработки и хранения информации. Наибольшее применение магнитные материалы с цилиндрическими магнитными доменами нашли при создании быстродействующих энергонезависимых устройств памяти с высокой плотностью записи информации и малой потребляемой мощностью.
СВЧ ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса применяются в быстродействующей вычислительной технике, когда нельзя использовать МНМ, такие как пермалой.
Рассмотрим классификацию и применение магнитотвердых материалов в электронике.
Магнитотвердые материалы отличаются от магнитомягких материалов большими значениями коэрцитивной силы (до 560 кА/м) и остаточной индукции (от 0,5 до 1 Тл). Они намагничиваются в гораздо более сильных полях с напряжённостью более 1000 кА/м и имеют большие потери при перемагничивании. Площадь гистерезисной петли магнитотвердых материалов значительно больше, чем у магнитомягких материалов. Поэтому основная область применения магнитотвердых материалов, в том числе и в электронике, – изготовление постоянных магнитов. Преимущественно для магнитотвёрдых материалов используют сплавы, а не чистые металлы. В качестве таких сплавов используют однофазные сплавы с однодоменной неравноосной формой кристаллов или многофазные сплавы с различной магнитностью основы и включений.
По способу изготовления магнитотвёрдые материалы для постоянных магнитов классифицируют на литые, порошковые и деформируемые.
К литым магнитотвёрдым материалам относятся сплавы Fe-Ni-Al на основе железа, которые содержат 12-35% никеля и 6,5-16% алюминия. Для улучшения магнитных свойств сплавы легируют титаном, кобальтом, ниобием. Основной недостаток литых магнитотвёрдых материалов состоит в их хрупкости и, как следствие, сложности обработки. Из таких материалов изготавливают большие магниты.
Для устранения указанных недостатков литых сплавов, связанных с механической обработкой, эти сплавы получают путём спекания порошков металлов при температуре 1300 oС в защитной атмосфере (например, аргон). Из таких материалов изготавливают небольшие магниты и магниты, требующие точности соблюдения размеров.
Деформируемые магнитотвёрдые материалы представляют собой сплавы на основе пластичных металлов (железо, медь, кобальт). Отличительной особенностью деформируемых магнитотвёрдых материалов является то, что в процессе производства их обрабатываю давлением в результате чего, получают магниты в виде проволоки или ленты.
В современной электронике постоянные магниты применяются в электродвигателях и генераторах, приборах с магнито-электрической измерительной системой, бытовой электронике (микроволновые печи, устройства вывода звука), жёстких дисках и др.