Īsa mīksto magnētisko materiālu vēsture

Kopš Maikls Faradejs 1831. gadā demonstrēja elektromagnētisko indukciju, ir notikusi nepārtraukta mīksto magnētisko materiālu evolūcija. Faradeja dabiskā pamatmateriāla izvēle bija dzelzs, kam ir augstākā istabas temperatūra M_sjebkura elementa papildus lielajam μ_r, un diezgan zems H_c. Tomēr pat vienkāršā materiālā, kas sastāv no viena elementa, bija iespējami ievērojami uzlabojumi.

Tika atklāts, ka dzelzs atkausēšana ne tikai uzlaboja tā mehāniskās īpašības, bet arī samazināja tā koercivitāti, samazinot spriedzi, padarot to labāk piemērotu lietošanai induktīvos lietojumos. Meklējot vēl labāku veiktspēju, zinātnieki un inženieri meklēja veidus, kā uzlabot mīkstā dzelzs īpašības.

1900. gadā Anglijas metalurgs Roberts Hadfīlds izgudroja neorientētu silīcija tēraudu, pievienojot dzelzs līdz 3% silīcija un palielinot tā elektrisko pretestību (p), vienlaikus palielinot μ._r. Amerikāņu metalurgs Normans Goss 1933. gadā izgudroja graudu orientētu silīcija tēraudu, veicinot graudu augšanu zemas anizotropijas kristāliskā virzienā, palielinot μ_r, pat tālāk . Pat mūsdienās silīcija (vai elektriskie) tēraudi veido lielāko daļu pasaules mīksto magnētu tirgus, jo tiem ir augsts M_sun salīdzinoši zemas izmaksas.

Visizplatītākie silīcija tērauda pielietojumi ir liela mēroga transformatori (orientēts silīcija tērauds) un elektriskās mašīnas (rotējošām mašīnām priekšroka tiek dota izotropiskajam neorientētam silīcija tēraudam), kur tā ekonomiskā cena ir milzīgs ieguvums.

Tomēr zems(-, 0.5 μohm.m) padara silīcija tēraudus ar zudumiem augstā frekvencē. Nesen elektrotērauda ražotāji ir izstrādājuši veidu, kā palielināt silīcija saturu tēraudā līdz 6,5%, izmantojot ķīmisko tvaiku pārklāšanas (CVD) procesu. Šī pieeja palielināslīdz 0.82 μΩ.m, bet joprojām atstāj citus materiālus kā labāku izvēli augstfrekvences jaudas elektronikai un liela rotācijas ātruma elektriskajām mašīnām.

1910. gados Gustavs Elmens no Bell Laboratories eksperimentēja ar niķeļa-dzelzs sakausējumiem un atklāja ar niķeli bagātu (78%) permaloju sastāvu. Galvenā permalloy priekšrocība ir tā augstais μ_r, (līdz 100,000). Niķeļa-dzelzs sakausējumus joprojām izmanto dažos speciālos induktīvos lietojumos, taču tie nav izplatīti spēka elektronikā un elektriskajās iekārtās, jo tiem ir lieli virpuļstrāvas zudumi, un niķeļa pievienošana samazina M_s. Permalojum pievienojot nelielu daudzumu molibdēna (2%), var iegūt molibdēna pulveri (MPP). MPP izmanto, lai izgatavotu pulvera serdeņus ar viszemākajiem zudumiem.

1940. gadu beigās magnētiski mīkstos ferītus izgudroja JL Snoek. Šie materiāli ir konkurētspējīgi to ļoti augstās elektriskās pretestības dēļ (10 - 10⁸μohm.m), kas padara tos efektīvus, lai nomāktu virpuļstrāvas zudumus.

Turklāt, tā kā tās tiek ražotas ar keramikas apstrādes metodēm un bagātīgiem materiāliem, ferīta detaļas var ražot par ļoti zemām izmaksām. Augstais

un mīksto ferītu pieejamība nodrošina šo materiālu pieprasījumu pēc induktīviem lietojumiem, tostarp augstfrekvences lietojumiem. Faktiski to daļa pasaules mīksto magnētu tirgū ir otrajā vietā aiz silīcija tērauda. Viņi cieš no salīdzinoši zema M_s. (gandrīz ceturtā daļa no silīcija tērauda), kas ierobežo ferīta serdi saturošu induktīvo elementu enerģijas blīvumu.

1967. gadā tika izgudrota jauna materiālu klase – amorfie sakausējumi. Līdz 1970. gadu vidum pieauga interese par dzelzs un kobalta bāzes amorfajiem sakausējumiem, un tie sāka atrast ceļu pie lietojumiem. Izslēdzot jebkādu liela attāluma secību, koercivitāte šajos sakausējumos ir ievērojami samazināta.

1988. gadā Hitachi pētnieki iekļāva Nb un Cu piedevas un pievienoja amorfo sakausējumu ražošanai atkvēlināšanas posmu, lai amorfā materiāla matricā iegūtu mazus un cieši izvietotus dzelzs vai kobalta kristalītus (diametrs apmēram 10 nm). Tas bija nanokristālisko mīksto magnētisko sakausējumu aizsākums. Izolētu pārejas metālu kristalītu veidošanās samazināja šo materiālu virpuļstrāvas zudumus salīdzinājumā ar amorfajiem sakausējumiem. Gan amorfie, gan nanokristāliskie sakausējumi šodien iegūst tirgus daļu augstfrekvences jaudas elektronikā un elektriskajās mašīnās to zemo zudumu un konkurētspējīgā M._s.

Neskatoties uz augstākām sākotnējām izmaksām nekā silīcija tērauds, šie uzlabotie sakausējumi var samazināt spēka elektronikas un elektrisko iekārtu kopējās kalpošanas laika izmaksas, pateicoties samazinātiem zudumiem.

Deviņdesmito gadu sākumā pulvera serdeņi (pazīstami arī kā mīkstie magnētiskie kompozītmateriāli vai SMC) ieguva atzinību dažos mīkstos magnētiskos lietojumos. Šajos materiālos ir apvienotas magnētiskās daļiņas, kuru diametrs ir aptuveni no 1 līdz 500 gm, un vai nu pārklāj, vai sajauc tās ar izolācijas materiālu, pirms tie tiek nostiprināti ar augstu spiedienu (MPa līdz pat GPa spiedieniem).

Siltumu var izmantot arī blīvēšanas laikā vai pēc tam, lai uzlabotu magnētiskās īpašības. Magnētiskās daļiņas visbiežāk ir Fe pulveri, bet var sastāvēt arī no sakausējumiem, piemēram, MPP (minēts iepriekš), Fe-P, Fe-Si vai Fe-Co. Izolējošās un nemagnētiskās matricas fāzes dēļ šiem materiāliem ir sadalīta gaisa sprauga, kas ierobežo to μ_rdiapazonā no 100 līdz 500. Tomēr izolācijas matrica arī uzlabo to

(10^-3līdz 10^-1µohm•m), samazinot virpuļstrāvas zudumus.

SMC var arī iespiest sarežģītākās gala ģeometrijās bez jebkādas apstrādes (tīkla formēšanas), kas var ievērojami samazināt ražošanas izmaksas. To izotropiskais raksturs, zemās izmaksas un spēja veidot sarežģītas detaļas ir padarījušas SMC diezgan veiksmīgas rotējošās elektriskās mašīnās.

Iepriekš aprakstītā mīksto magnētisko materiālu īsa vēsture nekādā ziņā nav pilnīga. Tā vietā mūsu nolūks ir koncentrēties uz materiāliem, kas ir bijuši un arī turpmāk būs konkurētspējīgi mīksto magnētisko komponentu ražošanā augstfrekvences spēka elektronikā un elektriskajās iekārtās. Veiktspējas rādītāji, piemēram, M_sun kodola zudums ir ārkārtīgi svarīgi. Tomēr, tā kā mīkstās magnētiskās daļas būs jāizmanto lielos daudzumos, nevar ignorēt izmaksu nozīmi. Šī iemesla dēļ mīkstie ferīti joprojām ir konkurētspējīgs pamatmateriāls augstā frekvencē. Pateicoties lieliskajai veiktspējai augstā frekvencē, amorfie un nanokristāliskie sakausējumi noteikti joprojām būs galvenie materiāli. Lai gan silīcija tērauds joprojām veido lielāko daļu pasaules mīksto magnētisko materiālu tirgus, to primārais pielietojums ir lielos transformatoros, kas darbojas ar 50 vai 60 Hz, un zema rotācijas ātruma elektriskās mašīnās.