CC BY
240240 І www.finestreet.ru
технологии
материалы
Нанокристаллические
магнитомягкие материалы
Юрий СТАРОДУБЦЕВ
[email protected] Владимир БЕЛОЗЕРОВ
Нанотехнологии не обошли стороной магнитомягкие материалы, используемые для изготовления трансформаторов, реакторов и других электромагнитных компонентов в силовой электронике, в системах связи и обработки данных. Первый нанокристаллический магнитомягкий сплав разработали японские инженеры Иошизава, Ямаучи и Огума в компании Hitachi Metals (японская заявка на патент от 1986 года). Через несколько лет после публикации первых результатов [1] новые материалы стали широко использоваться во всем мире.
Основным параметром, характеризующим мягкость магнитных материалов, то есть их способность намагничиваться, является коэрцитивная сила. Чем ниже коэрцитивная сила, тем более слабое магнитное поле может довести материал до насыщения. На рис. 1 представлена зависимость коэрцитивной силы Ис от размера зерна й в поликристаллических магнитомягких материалах. С уменьшением размера зерна примерно до 100 нм коэрцитивная сила растет пропорционально величине 1/й вследствие увеличения плотности дефектов (объемной доли межзеренных границ). При этом макроскопическая магнитная анизотропия материала совпадает с локальной магнитной анизотропией отдельных кристаллитов. Если размер зерна меньше некоторой длины, а именно длины магнитной обменной корреляции, то происходит ослабление макроскопической магнитной анизотропии вследствие межзе-ренного взаимодействия. При этом коэрци-
тивная сила снижается с уменьшением размера зерна пропорционально й6. Объяснение этому эффекту дает модель случайной магнитной анизотропии [2].
Технология производства нанокристалли-ческих магнитомягких материалов включает получение из расплава быстрозакаленной ленты с аморфной структурой толщиной до 30 мкм и последующую нанокристаллизацию аморфного прекурсора в результате термической обработки. Первооткрыватели на-нокристаллических магнитомягких материалов использовали сплав на основе железа Бе73 5Си1ЫЬ38113 5В9. В настоящее время этот сплав с небольшими вариациями по химическому составу остается основным для производства нанокристаллических магнитомягких материалов. Кремний и бор, как обычно, используют для получения аморфной структуры в быстрозакаленной ленте. Медь способствует формированию кластеров, обогащенных медью на начальной стадии отжига,
и обеспечивает начало кристаллизации из большого числа центров по всему объему материала. Ниобий формирует более мелкие кластеры меди, сдерживает рост кристаллической фазы до более высокой температуры и препятствует формированию боридов железа. В результате нанокристаллизации формируются зерна Бе808120 с о. ц. к. решеткой, имеющие размер около 10 нм и окруженные остаточной аморфной фазой. Объемная доля кристаллической фазы составляет примерно 0,7. В настоящее время разработаны сплавы с нанозернами из а-Бе («наноперм») и а'-БеСо («хитперм»), которые имеют более высокую магнитную индукцию насыщения — 1,7 и 2,0 Тл соответственно. Однако ввиду значительных технологических трудностей эти нанокристаллические сплавы не получили заметного применения в технике.
Чтобы определить место нанокристалли-ческих сплавов в семействе магнитомягких материалов, воспользуемся графиками,
10б СоРеСгЭШ Супермаллой ¿\X_FeCu N Ьв і В
=£ 105 \ ц^\Нанокристаллические
\ Пермаллой Ре-80Мі
ё \\хЧреСи2гВ
о у \ Сендаст (альсифер)
0) 5 104 \ VN. ^^о\Мп-гп-феррить1
£ о \ \ \ \ •"ре-6'58'
о. с Аморфные Со>С\Ч \ Чистое ре
| 103 1- X СоРеМпЗІВ / „ Аморфные Ре/ Пермендюр
X Анизотропная ЭС Ре-49Со
л ¡5 Ю2 Изотропная ЭС Л \
і
§ /
¡0 = Ю' 10° 1 Мі-гп-ферритьі\^
3“1 10° 101 102 103 104 Коэрцитивная сила На А/м
Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы Нс
от размера зерна в магнитомягких материалах
10е СоРеСгЗіВ Супермаллой ®^и N ЬБ і В
і ю5 л )а»х|ЯнокРистал/1ические
\ Пермаллой Ре-80Мі
ё \\х\реСи2гВ
о У \ V. \ Сендаст (ал ьсифер)
0) 5 104 \ \ Чч^^ОХМп-гп-ферритьі
£ о \ \^\\\ •"ре_6-58'
о. с Аморфные Со>оОч-\_ Чис™ Ре
| 103 ь X СоРеМпБІВ^' . _ Аморфные Ре/ ЧГЛЛЧ Пермендюр
X Анизотропная ЭС ге-49Со
га £ Ю2 Изотропная ЭС Л. \
і
/ \ \
га 1 101 10° 1 Мі-гп ферритьі\.
Г1 10° 101 ю2 ю3 ю4 Коэрцитивная сила На А/м
Рис. 2. Взаимосвязь начальной магнитной проницаемости рн
и коэрцитивной силы Нс в магнитомягких материалах
Магнитная индукция насыщения ВТл
Рис. 3. Взаимосвязь начальной магнитной проницаемости рн и магнитной индукции насыщения Б$ в магнитомягких материалах
на которых представлена взаимосвязь магнитных параметров материала. Такая взаимосвязь отражает единую природу ферромагнитных материалов, связанную с формированием в них спонтанной намагниченности. На рис. 2 схематически нанесены области начальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы, соответствующие различным магнитомягким материалам. Видно, что на-нокристаллические сплавы относятся к группе материалов с высокой магнитной проницаемостью и этот уровень является наивысшим для материалов с коэрцитивной силой порядка 1 А/м. Заметим, что основой нано-кристаллических сплавов служит недорогое железо, в то же время их конкуренты в данной группе материалов — аморфные сплавы и пермаллой — изготавливаются на основе кобальта и никеля соответственно.
Магнитная индукция насыщения В; характеризует потенциальную энергоемкость материала. Для разных магнитных материалов, представленных на рис. 3, видна тенденция снижения магнитной проницаемости с увеличением В;. Этой закономерности нет у ферритов, которые относятся к ферромагнетикам с косвенным обменным взаимодействием. На общем фоне нанокристаллические сплавы выделяются наилучшей комбинацией высокой магнитной индукции насыщения и начальной магнитной проницаемости.
Важной характеристикой магнитомягких материалов является температура Кюри, которая определяет температурную область применения. Опять же вследствие общих закономерностей ферромагнитного состояния высокая температура Кюри и высокая магнитная проницаемость несовместимы (рис. 4). Самой большой начальной магнитной проницаемостью обладают аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие температуру Кюри ниже 200 °С. Нанокристаллический магнитомягкий
сплав Бе73 5Си1ЫЬ38113 5В9 является двухфазным. Его основу составляют нанозерна Бе808120 с температурой Кюри ТС я 600 °С, магнитное взаимодействие между которыми осуществляется через ферромагнитную аморфную фазу, обогащенную ниобием и бором. Температура Кюри аморфной матрицы ТС я 300 °С значительно ниже, чем у нанокристаллов. Поэтому при нагреве выше 300 °С межкрис-таллитная прослойка теряет ферромагнитные свойства. Нарушение магнитной связи приводит к снижению магнитной проницаемости и повышению коэрцитивной силы, а коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса приближается к значению Ву /Д. я 0,83, теоретически рассчитанному для случайно ориентированных не взаимодействующих кристаллитов [2] (рис. 5). Таким образом, условная верхняя граница применимости нанокристаллических сплавов в качестве магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью составляет примерно 200 °С.
Наиболее существенное изменение магнитной проницаемости с температурой происходит вблизи ТС (эффект Гопкинсона). Маг-
нитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью имеют низкую температуру Кюри, поэтому они обладают значительной температурной нестабильностью магнитной проницаемости. Благодаря двухфазной структуре и высокой температуре Кюри нанокристаллов магнитная проницаемость нанокристаллического сплава слабо изменяется с температурой и остается стабильно высокой в области от -200 до +200 °С (рис. 5).
Нанокристаллы кремнистого железа обеспечивают хорошую восприимчивость сплава к различным видам термической обработки. За счет выбора режима отжига можно получить магнитопроводы с высокой магнитной проницаемостью, низкой или высокой остаточной магнитной индукцией [3]. При этом петля магнитного гистерезиса является округлой, линейной или прямоугольной (рис. 6). Другие магнитные характеристики этих магнитопроводов, которые были измерены при температуре 25 °С, представлены в таблице 1. Магнитопроводы производятся на Научно-производственном предприятии ГАММАМЕТ, которое обладает
-200
30
20
\
<
10
200
400 600
Температура Т, °С
Рис. 5. Температурная зависимость начальной магнитной проницаемости ^н, коэрцитивной силы Нс и коэффициента прямоугольности петли магнитного гистерезиса Вг/В5
Рис. 6. Статические петли магнитного гистерезиса в нанокристаллическом сплаве после термической обработки в продольном (ГМ 412А) и поперечном (ГМ 412В) магнитном поле, атакже без магнитного поля (ГМ 414)
рядом патентов на нанокристаллические сплавы и изделия из них на территории России [4]. В таблице следует обратить внимание на низкую магнитострикцию сплава и сильную зависимость магнитных потерь от типа петли магнитного гистерезиса и, в конечном счете, от характера процесса перемагничивания. Магнитные свойства, приведенные в таблице, соответствуют свойствам магнитного материала, поэтому в электротехнических расчетах необходимо учитывать коэффициент заполнения магнитопровода магнитным материалом, номинальное значение которого равно 0,7 для ленты толщиной 25 мкм.
Низкая магнитострикция насыщения в на-нокристаллических сплавах способствует получению высоких магнитных свойств также в магнитопроводах, которые упрочняются за счет пропитки различными клеями. Некоторое ухудшение свойств в этом способе производства компенсируется значительным расширением выбора типоразмеров магнитопро-водов. Можно считать, что после пропитки магнитопровод представляет композиционный материал, а его магнитные свойства соответствуют параметрам, усредненным по объему и поперечному сечению магнито-провода. Именно усредненные магнитные свойства композиционных магнитопрово-дов ГАММАМЕТ представлены в таблице 2. В электротехнических расчетах композиционных магнитопроводов коэффициент заполнения принимается равным 1, как у ферритов и магнитодиэлектриков.
Хорошая механическая обрабатываемость нанокристаллического сплава позволяет придавать ленточным магнитопроводам различ-
Рис. 7. Частотная зависимость мощности трансформатора при температуре перегрева не более 20 °С. Магнитопровод трансформатора имеет типоразмер ОЛ20/32—10 и изготовлен из разных магнитомягких материалов: нанокристаллический сплав ГМ 414, пермаллой 79НМ (0,02 мм), феррит 2000НМА и электротехническая сталь 3425 (0,08 мм)
ную форму. Это разрезные ПЛ- и ШЛ-образ-ные магнитопроводы ГМ 24ДС, магнитопро-воды ГМ 54ДС с фиксированным воздушным зазором и различным уровнем относительной магнитной проницаемости от 30 до 1000 — аналоги магнитопроводов из порошкообразного пермаллоя, а также стержневые магнитопроводы [4].
Широкий спектр магнитопроводов, которые можно изготовить из нанокристалличес-ких сплавов, определяет и широкие возможности их применения в качестве трансформаторов, реакторов различного назначения и других электромагнитных компонентов. Уровень магнитных потерь можно оценить, сравнивая силовые трансформаторы, идентичные по своим электрическим и габаритным параметрам, но изготовленные из разных магнитных материалов [5]. На рис. 7 приведены частотные зависимости мощности трансформаторов, изготовленных на магнитопро-воде 0Л20/32-10 с гарантированной температурой перегрева не более 20 °С, плотностью тока в обмотках ] = 3х106 А/м2 и коэффициентом заполнения окна магнитопровода проводом первичной и вторичной обмоток км = 0,2. Из рисунка следует, что практически до 100 кГц мощность трансформатора с магни-топроводом ГМ 414 выше, чем при использовании других магнитных материалов. Исключение составляет электротехническая сталь 3425 при частоте менее 800 Гц, которая может работать в этой области при высокой рабочей индукции, обеспечивая заданный уровень тем-
Рис. 8. Частичная зависимость магнитной проницаемости в нанокристаллическом сплаве ГМ 414 и в феррите
пературы перегрева. Магнитопроводы ГМ 414 имеют наиболее значительное преимущество в частотном диапазоне 5-40 кГц.
Из сравнения частотных зависимостей магнитной проницаемости следует, что в широкой частотной области нанокристаллические сплавы имеют более высокую магнитную проницаемость, чем в ферриты (рис. 8). При частоте более 1 МГц преимущество определяется более слабым наклоном кривой, определяемым скин-эффектом, который обратно пропорционален корню квадратному из частоты (1/V/). В то же время в ферритах более крутой наклон 1/f связан с затуханием колебания доменных границ в материале [3].
Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что нанокристаллические сплавы на основе железа представляют наиболее универсальный магнитомягкий материал, который можно использовать в широкой области частоты и температуры. ■
Литература
1. Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. 1988. V. 64, N 10.
2. Herzer G. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. V. 10 / Ed. by K. H. J. Bushow. Amsterdam: Elsevier Science. 1997.
3. Стародубцев Ю. Н., Белозеров В. Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета. 2002.
4. www.gammamet.ru
5. Стародубцев Ю. Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: РадиоСофт. 2005.
Таблица 1. Типичные магнитные свойства магнитопроводов ГАММАМЕТ, изготовленных из нанокристаллического сплава
Марка Bs, Тл Br/Bs Hc, А/м (Нт= 0,08 А/м) Hmax P, Вт/кг (\=к°гЦ,ТЛ, V10-6 Tc, °С
ГМ 414 1,17 0,60 1,0 60 000 30 0000 4,5 1,5 600
ГМ 412А 1,17 0,90 1,2 10 000 60 0000 10 < 1 610
ГМ 412В 0,05 1,2 30 000 45 000 2,5
Таблица 2. Типичные магнитные свойства кольцевых композиционных магнитопроводов ГАММАМЕТ, изготовленных из нанокристаллического сплава
Марка Bs, Тл Br/Bs Hc, А/м (Нт= 0,08 А/м) Hmax P, мВт/см3 (B|2cT кГц,Тл, Xsx10“® Tc, °С
ГМ 14ДС 0,8 0,50 2,0 20 000 50 000 70 1,5 6 о о
ГМ 32ДС 0,8 0,88 2,0 7000 200 000 130 < 1 610
ГМ 42ДС 0,1 20 000 25 000 80
