Tematem kolejnego seminarium CMZiN były krystaliczne materiay magnetyczne.
Ich złożona strukturę i właściwości prezentował dr hab. Wiesław Wilczyński z Instytutu Elektrotechniki.

Nanokrystaliczne materiały magnetyczne

Materiały nanokrystaliczne są to polikrystaliczne ciała stałe, złożone z ziaren, których wielkość przynajmniej w jednym kierunku nie przekracza 100 nm. się one z takich samych atomów, jak ich mikrokrystaliczne lub monokrystaliczne odpowiedniki, jednak tworzące je ziarna mają wielkość poniżej 100 nm, co sprawia, że zawierają mniej niż kilkadziesiąt tysięcy atomów, podczas gdy ziarna mikrometryczne utworzone są z miliardów atomów. Oddzielone są one od siebie granicami o większej energii, nieuporządkowanej strukturze i o mniejszej zwartości, co ułatwia dyfuzję masy. Zmniejszenie wielkości ziarna poniżej pewnego progu powoduje zwykle zmianę określonych właściwości fizycznych materiału, dlatego często jako nanokrystaliczne określa się materiały, których ziarna są równe lub mniejsze od tej granicznej wartości. Np. w magnesach Nd-Fe-B o ziarnach mniejszych od 30 nm pojawiają się silne oddziaływania wymienne pomiędzy ziarnami, co prowadzi do podwyższonej remanencji.

Ferromagnetyki nanokrystaliczne są obiektem badań w wielu ośrodkach na świecie. Dzięki swoim właściwością znajdują one zastosowanie w elektronice i elektrotechnice. Stanowią też szczególnie dobry materiał w podstawowych badaniach magnetyzmu.

Nanokrystaliczne stopy magnetycznie miękkie uzyskuje się poprzez kontrolowaną krystalizację szkieł metalicznych o składzie Fe - M - B (M = Nb, Cu, Hf, Zr, Si). Stopy nanokrystaliczne wytwarzane są w dwóch etapach. W pierwszym wytwarza się taśmę amorficzną o zadanym składzie chemicznym metodą szybkiego chłodzenia. W drugim uzyskane szkło metaliczne wyżarza się w temperaturze 770-870 K. W efekcie uzyskuje się dwufazowy stop żelaza, złożony z kryształów roztworu stałego Si w żelazie α-Fe o średnicach 10-20 nm i przypadkowej orientacji w przestrzeni oraz osnowy amorficznej (zawierającej Fe, M i B), gdzie (M = Nb, Zr, Hf, Si).

W przypadku najbardziej znanego stopu Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_13,5B₉ powstanie krystalitów roztworu αFe(Si) o wielkościach 10-20 nm stało się możliwe dzięki obecności w wyjściowym stopie amorficznym atomów Cu i Nb. Mają one różny wpływ na wzrost krystalitów. Atomy Cu stają się centrami zarodkowania, natomiast atomy Nb o stosunkowo dużym promieniu hamują rozrost ziaren. Nanoziarna tworzą stały roztwór α-Fe(Si), natomiast osnowę amorficzną tworzy stop FeNbB.

Dzięki dwufazowości, nanometrycznym rozmiarom, braku tekstury kryształów, materiał ten wykazuje doskonałe właściwości magnetyczne, charakteryzujące się niską stratnością, małą koercją (Hc < 1 A/m) i dużą wartością początkowej przenikalności magnetycznej (µ_r ~ 100000). Obecnie najbardziej znanym i wykorzystywanym stopem do produkcji materiału nanokrystalicznego o nazwie handlowej jest FINEMET. jest stop o składzie Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_13,5B₉.

Ferromagnetyki nanokrystaliczne są w istocie stopami dwufazowymi, złożonymi z amorficznej osnowy i tkwiących w niej kryształów o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Okazało się bowiem, że kształtowanie ich właściwości magnetycznych przebiega w sposób całkowicie odmienny niż w przypadku materiałów konwencjonalnych, a mianowicie miękkość magnetyczna ferromagnetyka nanokrystalicznego wzrasta wraz ze zmniejszeniem się rozmiarów kryształów.

Poprawa właściwości magnetycznych przez zmniejszenie średnicy kryształów jest w praktyce ograniczona. Powodem są niejednorodności w materiale, które mogą być przyczyną istnienia oddziaływań magnetosprężystych (spowodowanych wewnętrznymi naprężeniami) czy też chropowatości powierzchni.

Drugą istotną cechą magnetycznie miękkich ferromagnetyków nanokrystalicznych, oprócz małej efektywnej anizotropii magnetokrystalicznej, jest ich mała magnetostrykcja, co prowadzi do minimalizacji anizotropii magnetosprężystej.

Taśmy nanokrystaliczne z uwagi na niemal zerową magnetostrykcję, niską stratność oraz stosunkową wysoką indukcję nasycenia posiadają doskonałe właściwości w podwyższonych częstotliwościach, co prowadzi do miniaturyzacji obwodów magnetycznych np. w rdzeniach transformatorów impulsowych, dławikach przeciwzakłóceniowych, czułych wyłącznikach różnicowoprądowych itp.

Materiały magnetycznie twarde. Głównym parametrem charakteryzującym magnesy jest maksymalna energia magnetyczna (BH)_max, wyrażająca zdolność materiału do magazynowania energii magnetostatycznej, która wzrasta ze wzrostem koercji H_c oraz remanencji M_r, ale nigdy nie przewyższa wartości µ₀M_r2/4. Dla idealnej kwadratowej pętli histerezy, gdy M_r = M_s, (BH)_max wyniesie µ₀M_r2/4. Gdyby wziąć pod uwagę jedynie namagnesowanie nasycenia, to dla α-Fe, dla którego µ₀M_s = 2,15 T, (BH)_max wyniosłaby 920 kJ/m³. W rzeczywistości koercja α-Fe jest mała i w efekcie (BH)_max osiąga wartość jedynie ok. 1 kJ/m³. Aby materiały posiadały dużą energię oprócz dużego namagnesowania nasycenia Ms odznaczać się muszą jeszcze dużą osiową anizotropią magnetyczną. Dla magnesów na bazie Nd₂Fe₁₄B, dla których µ₀M_s = 1,61 T, obliczona maksymalna wartość energii µ₀M_r2/4 = 516 kJ/m³. Jednakże najwyższe wartości energii dla rzeczywistych magnesów uzyskane w laboratoriach wynoszą ponad 400 kJ/m³.

Aby wartość (BH)_max była jak najwyższa, wartość zarówno remanencji J_r jak i _JH_c materiału powinna być jak najwyższa. Dużą koercję można uzyskać przez dobrą izolację magnetyczną ziaren. Można to uzyskać przez zwiększenie zawartości neodymu lub przez wprowadzenie niewielkiej ilości dodatkowych pierwiastków, np. galu. Mają one dobrą rozpuszczalność w fazie Nd2Fe14B, wzbogacają fazę międzyziarnową, zmniejszają napięcie powierzchniowe i polepszają zwilżalność ziarn magnetycznie twardych podczas spiekania z fazą ciekłą.

Nowoczesne magnesy zawierają fazy międzymetaliczne metali z grupy ziem rzadkich (lantanowce). Lantanowce tworzą z wieloma pierwiastkami (w tym z borem, aluminium, ferromagnetycznymi metalami przejściowymi tzw. 3d - Fe, Ni, Co) fazy międzymetaliczne. W tych związkach jeden lantanowiec może być łatwo zastąpiony przez inny, co pozwala w dużym zakresie kształtować ich właściwości.

Magnesy typu Nd-Fe-B zawdzięczają swoje właściwości fazie międzymetalicznej Nd2Fe14B, która reprezentuje całą rodzinę struktur typu Re2Fe14B, jakie tworzą pierwiastki ziem rzadkich z żelazem. Właściwości magnetyczne tych materiałów wynikają z ferromagnetycznego sprzężenia momentów magnetycznych podsieci, neodymu z żelazem. Rezultatem jest powstanie osiowej anizotropii magnetokrystalicznej oraz podwyższenie temperatury Curie.

Wzrost remanencji J_r powyżej 1 T uzyskano pod koniec lat osiemdziesiątych dla magnesów izotropowych i dla ziaren o wielkości powyżej 40 nm. Wraz z obniżeniem wielkości ziarna remanencja Jr rośnie stopniowo, podczas gdy koercja polaryzacji _jH_c maleje. Trwa do momentu, gdy wielkość ziarna zmaleje poniżej ok. 15 nm. Taka znacząca zmiana remanencji jest związana z magnetycznymi oddziaływaniami wymiennymi, które stają się znaczące, gdy stosunek powierzchni ziaren do ich objętości zwiększa się. Silne oddziaływania wymienne prowadzą do wzrostu remanencji J_r, ale również do obniżenia stałej anizotropii i tym samym pogorszenia koercji polaryzacji _jH_c. Najlepsza kombinacja dla stopu wynosi odpowiednio J_r = ok. 0,9 T i _jHc = ok. 1 MA/m dla ziarna 20 nm. Natomiast maksymalna energia magnetyczna (BH)max wynosi 156 kJ/m³.

Pierwszy materiał nanokompozytowy uzyskano z szybko chłodzonego z cieczy stopu typu Nd₂Fe₁₄B - Fe₃B/Feα. Nanokrystaliczna struktura o wielkości ziarna 10 - 30 nm powstała podczas wyżarzania w temperaturze 700^oC amorficznej taśmy. Uzyskane magnesy były izotropowe o właściwościach: polaryzacji nasycenia J_s=1,2 T, koercji polaryzacji _JH_c=250 kA/m, energii magnetycznej (BH)_max=100 kJ/m³, temperaturze Curie Tc=530^oC. Z uwagi na niewielką ilość Nd są to magnesy względnie tanie i wykazują dobrą odporność na korozję.

Wraz z obniżeniem stężenia Nd poniżej 11% at., dla stopów następuje dalszy wzrost remanencji J_r aż do > 1,1 T dla Nd₈Fe₈₆B₆. Stopy zawierające mniej niż ok. 11% Nd są dwufazowe, złożone z nanokrystalicznej fazy Nd₂Fe₁₄B oraz małych ok. 10 nm ziaren Feα. Ilość Fe. rośnie wraz z obniżeniem zawartości Nd i dla składu 8% at. stanowi ok. 35% obj. Ponieważ ziarna żelaza są bardzo rozdrobnione, nie powodują znacznego pogorszenia pętli histerezy, które prowadziłoby do spadku wartości (BH)max. W rzeczywistości dla zawartości Nd 8% at. energia osiąga wartość 160 kJ/m³.

W fazach skondensowanych bliskie położenia atomów prowadzą do powstania oddziaływań wymiennych, wynikających z wzajemnej wymiany miejsc przez elektrony sąsiednich atomów. Prowadzi to do powstania energii wymiany, która osiąga minimum, gdy wektory momentów magnetycznych są do siebie równoległe. Efektem tego jest podwyższenie remanencji.

Dzięki działaniu sił wymiany pomiędzy sąsiednimi, nanokrystalicznymi ziarnami tworzy się swego rodzaju anizotropia, przez dążenie układu do zminimalizowania energii wymiany. Zjawisko takie zaobserwowano, gdy wielkość ziarna wynosi 5 - 30 nm). Wynika stąd, że magnes nanokrystaliczny jest zbudowany z ziaren o wielkości zbliżonej do cząsteczek jednodomenowych. Brak izolacji magnetycznej ziaren jest powodem obniżonej koercji, ponieważ odmagnesowanie przebiega wówczas kaskadowo przez wszystkie ziarna.

Produkcja magnesów NdFeB jest skomplikowana i trudna. Aby wytworzyć lite magnesy o pełnej gęstości, wcześniej sproszkowaną taśmę poddaje się prasowaniu na gorąco. Temperatura prasowania wynosi 650-750^°C dla stopów o zawartości do 15% Nd. Wyższa temperatura prasowania pozwala uzyskać większą gęstość, lecz może prowadzić do nadmiernego rozrostu ziarna, co z kolei powoduje pogorszenie się koercji. Wytworzone w ten sposób magnesy są izotropowe.

Izotropowe magnesy prasowane na gorąco, będące litym materiałem o mikrokrystalicznym ziarnie, mogą być następnie poddane przeróbce plastycznej na gorąco. Proces ten zapewni jednokierunkowy stan naprężeń wskutek np. wyciskania, prasowania w otwartej matrycy lub walcowania. Celem tej obróbki jest uzyskanie materiału anizotropowego. Wprowadzenie jednokierunkowych naprężeń powoduje, że ziarna fazy Nd2Fe14B przyjmują położenia osiami łatwego magnesowania równolegle do kierunku działania naprężenia. Takie ukierunkowanie mikrostruktury jest możliwe w stopach, w których podczas odkształcania plastycznego występuje faza ciekła bogata w Nd, tj. w stopach o stężeniu Nd większym niż skład stechiometryczny Nd₂Fe₁₄B (ok. 12% at. Nd). Anizotropowe magnesy wytworzone w procesie odkształcenia plastycznego wykazują właściwości zbliżone do tych jak magnesy spiekane: J_r=1,0-1,3 T, _JH_C=500-1000 kA/m, (BH)_max=250-300 kJ/m³.

Magnesy NdFeB spiekane wytwarzane są najczęściej według klasycznej technologii proszkowej. Proszek prasowany jest na zimno w polu magnetycznym, co pozwala na uporządkowanie ziaren i wytworzenie makroskopowej anizotropii magnesu. Monokrystaliczne cząstki takiego proszku, ustawiają się osiami łatwego magnesowania w kierunku pola magnetycznego. Stopień steksturowania zależy od natężenia pola magnetycznego oraz udziału objętościowego cząstek monokrystalicznych w proszku. Magnesy spiekane NdFeB należą do grupy najlepszych w sensie właściwości magnetycznych i jednocześnie najdroższych.

Magnesy na bazie ziem rzadkich pomimo stosunkowo wysokiej ceny znajdują zastosowania w silnikach elektrycznych, separatorach, filtrach, sprzęgłach magnetycznych, urządzeniach techniki mikrofalowej i kosmicznej, czujnikach, przetwornikach akustycznych itp. Dzięki swoim doskonałym właściwościom przyczyniły się do znacznej miniaturyzacji obwodów magnetycznych.

Dr hab. Wiesław Wilczyński

Instytut Elektrotechniki

Fot. J. Drzazga

MAGNETYCZNE MATERIAŁY

materiały o dostatecznie wysokich własnościach magnet. (gł. podatności i przenikalności magnet.) dla ich praktycznego wykorzystania; są to ferro- i ferrimagnetyki. W przyrodzie występuje niewiele materiałów (takich jak np. magnetyt) wykazujących naturalne namagnesowanie, niemal wszystkie stosowane w technice m.m. wymagają magnesowania. W zależności od natężenia pola magnet., przy którym zachodzi ich magnesowanie oraz trwałości stanu namagnesowania po usunięciu zewn. (magnesującego) pola magnet. m.m. dzieli się na materiały magnet. twarde (magnesowanie w silnych polach magnet. o natężeniu większym niż 10³ A/m, namagnesowanie trwałe - zanikające dopiero pod wpływem przeciwnie skierowanego silnego pola magnet.) oraz materiały magnet. miękkie (magnesowanie w słabych polach magnet. o natężeniu poniżej 10³ A/m, namagnesowanie nietrwałe - zanikające prawie zupełnie po usunięciu zewn. pola magnet.). M.m. zachowują swoje własności magnet. w ograniczonym zakresie temp.; ich namagnesowanie maleje wraz ze wzrostem temp., a po osiągnięciu temp. krytycznej - zw. dla ferromagnetyków temp. (punktem) Curie, a dla ferrimagnetyków temp. (punktem) Neela - stają się paramagnetykami. M.m. ulegają starzeniu, tzn. ich własności magnet. zmieniają się (pogarszają się) w czasie; przejawia się to: dla materiałów magnet. twardych gł. obniżaniem się indukcji szczątkowej, dla materiałów magnet. miękkich gł. spadkiem przenikalności magnet. Do materiałów magnet. twardych należą: stale zwykłe magnet. twarde i stale stopowe (martenzytyczne), gł. chromowe, kobaltowe, wolframowe, molibdenowe; stopy metali utwardzane dyspersyjnie lub przez tworzenie nadstruktury (znane pod różnymi nazwami), gł. stopy: Fe-Co-Mo, Fe-Co-W, Fe-Al-Ni (np. alni, koerzit), Fe-Al-Ni-Co (np. alniko), Fe-Cu-Ni, Cu-Ni-Co, Fe-Co-V, Fe-Cr-Ni; drobnoziarniste (10^-5-10^-4 mm) proszki żelaza lub stopów Fe-Co, Mn-Bi, Sm-Co formowane w różne kształtki i zwykle spiekane; ferryty magnet. twarde, gł. oparte na tlenku baru i tlenku żelaza Fe₂O₃, przetwarzane w wyroby metodami metalurgii proszków. Materiały magnet. twarde cechuje duża koercja i szeroka pętla histerezy; stosuje się je przede wszystkim na magnesy trwałe (lite - odlewane lub kształtowane plastycznie oraz wytwarzane metodami metalurgii proszków), wykorzystywane w silnikach i prądnicach, głośnikach, mikrofonach, przekaźnikach, urządzeniach sygnalizacyjnych i pomiarowych. Do materiałów magnet. miękkich należą: żelazo, stal elektrotechniczna (niskowęglowa stal krzemowa), stopy (o różnych nazwach rynkowych), gł.: Fe-Si (np. crystalloy, hipersil), Fe-Ni (np.permalloy, nikalloy), Fe-Co (np. hiperco, permendur), Fe-Al (np. alfer), Ni-Co (np. izoperm, perminwar), Fe-Si-Al (np. alsifer), Ni-Fe-Mo; ferryty magnet. miękkie wytwarzane z tlenków metali dwuwartościowych (gł. Zn, Ni, Mn, Cu, Mo, Cd, Li) oraz tlenku żelazowego Fe₂O₃ i przetwarzane w wyroby metodami metalurgii proszków; szkła metaliczne, czyli amorficzne stopy metali, zawierające ok. 80% metali przejściowych (Fe, Mn, Co, Cr, Ni, Zr i in.) lub metali szlachetnych i ok. 20% niemetali (B,C, N, Si, P, Ge i in.), produkowane metodą odlewania z szybkim chłodzeniem. Materiały magnet. miękkie charakteryzuje duża przenikalność magnet., mała koercja, małe straty na przemagnesowanie oraz wąska i smukła pętla histerezy; stosowane są gł. do wyrobu magnetowodów transformatorów, cewek obwodów średniej i wielkiej częstotliwości, przekaźników, głowic magnetofonowych, w tele- i radiotechnice, w urządzeniach radarowych itp.

http://encyklopedia.interia.pl/haslo?hid=156103

Podział materiałów ferromagnetycznych

edytuj

I. Materiały magnetycznie miękkie

1. Materiały metaliczne

1.1. Odmiany żelaza czystego

1.1.1. Monokrysztaliczne żelazo czyste

1.1.2. Polikrystaliczne żelazo czyste

1.2. Stale o małej zawartości węgla (bezkrzemowe)

1.2.1. Wyroby lite

1.2.2. Blachy bezkrzemowe nieorientowane

1.3. Stale krzemowe

1.3.1. Wyroby lite

1.3.2. Blachy krzemowe gorącowalcowane

1.3.3. Blachy krzemowe zimnowalcowane

1.3.3.1. Izotropowe (nieorientowane)

1.3.3.2. Anizotropowe (orientowane)

_{1.3.3.2.1. Zwykłej jakości}

_{1.3.3.2.3. Typu Hi-B (o zwiększonej przenikalności)}

1.4. Stopy żelazowoniklowe

1.5. Stopy żelazowokobaltowe

1.6. Taśmy ze szkieł metalicznych

1.6.1. Na bazie żelaza

1.6.2. Na bazie kobaltu

1.6.3. Na bazie niklu

1.7. Włókna metaliczne

1.7.1. Mikrowłókna amorficzne (ciągnione)

1.7.1. Mikrowłókna amorficzne (szybkochłodzone)

1.7.2. Mikrowłókna amorficzne w powłoce szklanej (szybkochłodzone)

1.7.3. Nanowłókna

1.8. Taśmy nanokrystaliczne

1.9. Odlewane kształtki amorficzne (szybkochłodzone)

2. Materiały niemetaliczne

2.1. Proszkowe spiekane (ferryty)

2.2. Proszkowe niespiekane (magnetodielektryki)

edytuj

II. Materiały magnetycznie twarde

1. Materiały metaliczne

1.1. Stopy i odlewy (anizotropowe oraz izotropowe)

1.2. Stopy walcowane (anizotropowe oraz izotropowe)

1.3. Proszkowe ze stopów Al-Ni-Co

1.3.1. Prasowane (anizotropowe oraz izotropowe)

1.3.2. Spiekane (anizotropowe oraz izotropowe)

1.4. Stopy zawierające domieszki ziem rzadkich

1.4.1. Proszkowe sprasowane i spiekane (anizotropowe)

1.4.2. Otrzymane metodą szybkiego chłodzenia (anizotropowe)

2. Materiały niemetaliczne

2.1. Proszkowe spiekane (ferryty)

2.1.1. Anizotropowe

2.1.2. Izotropowe

2.2. Proszkowe niespiekane (ferroplasty)

2.2.1. Anizotropowe

2.2.2. Izotropowe

edytuj

III. Materiały magnetycznie półtwarde

1. Materiały niemetaliczne

1.1. Napylane warstwy magnetyczne

2. Materiały metaliczne

1.2. Napylane warstwy magnetyczne

1.3. Dyski magnetyczne

1.4. Taśmy

1.4.1. Polikrystaliczne

1.4.1. Amorficzne

1.5. Mikrowłókna metaliczne

edytuj

Własności magnetyczne pierwiastków przedstawione w postaci układu okresowego pierwiastków

Grupa

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

Okres

1

1 H

2 He

2

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

5

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

6

55 Cs

56 Ba

*

72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

7

87 Fr

88 Ra

?

104 Rf

105 Db

106 Sg

107 Bh

108 Hs

109 Mt

110 Ds

111 Rg

112 Uub

113 Uut

114 Uuq

115 Uup

116 Uuh

117 Uus

118 Uuo

8

119 UUe

120 Ubn

121 Ubu

122 Ubb

Lantanowce

*

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

Aktynowce

?

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lr

Legenda do układu okresowego
Diamagnetyk	Paramagnetyk	Ferromagnetyk	Ferrimagnetyk

http://www.encyklopedia.biolog.pl/index.php?title=Materia%C5%82_magnetyczny

Materiały przewodzące-MIEDZ: przewody nawojowe, kable energetyczne
- ALUMINIUM: przewody instalacyjne, przewody linii napowietrznych, ścieżki
w mikroukładach -ZŁOTO: powloki i cienkie druty w mikroelektronice. Dosc
duza konduktywność bardzo mala wytrzymałość mechaniczna, odporne na
utlenianie i korozje.Materialy stykowe-odporne na korozje i utlenianie wysoka
temp. topnienia odporność na scieranie, zdolność do trwałego laczenia się z innymi
materiałami Styki przewodzące w obwodach malej mocy-Zloto, platyna, pallet,
inyd, irad. nakładane na inny metal. Zamiast zlota stosuje się jego stopy z niklem
i kobaltem. Styki urzadzen telekomunikacyjnych-srebro i jego stopy, stopy zlota,
platyny i palladu.Styki urzadzen dużej mocy-stopy wolframu, molibdenu z dodatkami
srebra i miedziStyki ślizgowe-materialy grafitowe, metalowe i grafitowo-metalowe

Materialy oporowe-maly temperaturowy współczynnik rezystancji, stałość rezystancji
w czasie, wysoka temp. topnienia.Materialy na rezystory techniczne i elementy
grzejne-Nowe srebro, nikielina, nichriny, kontal, silit Materialy na rezystory precyzyjne:
konstantan, manganin, stopy srebra i magnesu, stopy zlota i chromu Materialy na rezystory
warstwowe:metale czyste(zloto i srebro), wegiel i grafit, przewodzące tlenki metali,
Materialy złożone:stopy metali, tlenki metali, grafit lub sadza.

Podstawowe parametry materiałów izolacyjnych: przenikalność elektryczna, wytrzymałość
dielektryczna, rezystywność powierzchniowa i skosna, współczynnik strat dielektrycznych.
Rodzaje materiałów:MATERIALY IZOLACYJNE STALE(szklo, materialy sztuczne)
MIKA-pochodzenia naturalnego, krystaliczny o wyraźnej budowie warstwowej, ma bardzo
dobre właściwości dielektryczne, może pracowac w wysokiej temp. , ma maly współczynnik
strat.Stosowany do budowania kondensatorow, jako izolator w urządzeniach
półprzewodnikowych półprzewodnikowych systemach grzewczych. Na bazie miki produkuje
się inne materialy izolacyjne(mikafolie)AZBEST; MATERIALY CERAMICZNE(korpusy
rezystorow i cewek, izolatory lini napowierzchniowych, plyty montażowe, jako dielektryk w
kondensatorach SZKLO(przejzyste, plytki podłożowe) MATERIALY CELULOZOWE (papier,
jedwab wiskozowy, proszpen) Zastosowanie w kondensatorach jako izolacjakobaltowa.
TWORZYWA SZTUCZNE: wytwarzane przez POLIKONDENSACJE: ferroplasty, bakelity,
uchwyty urzadzeni grzewczych, obudowy radioodbiornikow, aminoplasty i aparaty telefoniczne,
tworzywa sztuczne, oleje do zalewania transformatorow, zywice epoksydowe..
POLIMERYZACJE: PCV(polichlorekwinilu) powloki przewodu, osprzęt instalacyjny, polistyren,
korpusy cewek folie izolacyjne polietylen oslony kabli MATERIALY IZOLACYJNE CIEKLE oleje
jako dielektryk w kondensatorach, transformatorach lub do poprawy właściwości innych materiałów.
GAZY ELEKTROIZOLACYJNE: jako dielektryk, czynnik chłodzący i gaszący luk elektryczny.
wodor stosowany do chlodzenia dużych maszyn; azot stosowany w kablach wysokiego napiecia.

Materialy magnetyczne(ferromagnetyczne)-niektóre metale(żelazo, kobalt nikiel) Stopy i spieki
ceramiczne, których przenikalność magnetyczna jest bardzo duza. Właściwości materiałów okresla
charakterystykamagnetyczna)RODZAJE MATERIAŁÓW: -materialy magnetyczne miękkie-
(male naterzenie koercji, latwo je namagnesowac i rozmagnesowac)materialy o dużej przenikalności-
stale niskowęglowe-oslony magnetyczne -stale krzemowe obwody magnetyczne silnikow, przekaźników,
tranzystorow - stopy żelaza i aluminium do budowy przekaźników - stopy żelaza z siarka i aluminium
cewki w obwodach - stopy żelaza i Ni -przekazniki pradu stalego, transformatory pomiarowe.
materialy o stalej przenikalności: poddawane specjalnej obróbce cieplnej. -stopy Ni i Fe - stopy Fe i Ni
-ferryty materily magnetyczne twarde-materialy o dużym natężeniu koercji trudno je namagnesowac i
rozmagnesowac.

http://www.sciaga.pl/tekst/52851-53-materialoznawstwo_materialy_przewodzace

Wykład DHC prof. Anthony Moses'a

pt. "Poznanie zjawisk w materiałach magnetycznych warunkiem obniżenia strat energii w magnetowodach urządzeń elektromagnetycznych".

Jakkolwiek urządzenia stosowane w elektroenergetyce charakteryzują się dużą sprawnością, to całkowite straty energii systemu elektroenergetycznego są bardzo duże, co prowadzi do szybkiego ubytku zasobów energii pierwotnej i wysokich kosztów energii elektrycznej. Najważniejszym materiałem stosowanym w urządzeniach elektrycznych jest elektrotechniczna blacha stalowa wykorzystywana do przenoszenia strumienia magnetycznego. Podczas magnesowania blachy elektrotechnicznej, część energii ulega rozproszeniu w postaci ciepła. Straty te, określane jako straty w stali, są zwykle podzielone na dwie składowe, straty histerezowe i straty wiroprądowe.

W rzeczywistości energia nie jest tracona, a zmieniana w inną formę, głównie w ciepło, ale w przypadku systemów magnetycznych termin ten jest powszechnie stosowany. Aby pokryć straty energii w magnetowodach, należy zużyć więcej paliwa, przez co wzrasta koszt wytworzenia energii elektrycznej. Większość elektrycznych urządzeń mocy zawiera stal elektrotechniczną. Urządzenia te obejmują zarówno małej mocy sprzęt powszechnego użytku, taki jak: zawory, łączniki, oraz elektryczne maszyny wirujące i transformatory energetyczne wielkich mocy. Mimo, że pojedyncze małej mocy jednostki wykazują mniejsze straty rdzeniowe, to straty energii spowodowane ich łącznym działaniem są również znaczące. Nic dziwnego, że w ciągu ostatnich 30 lat badania naukowe nad stalą elektrotechniczną skoncentrowały się na udoskonaleniu urządzeń o większych mocach, co stwarza potencjalnie większe korzyści. Powinniśmy być świadomi tego, że urządzenia takie jak transformatory mocy są zasilane w sposób ciągły w dzień i w nocy i bez względu na to, czy są obciążone czy nie, występujące w nich straty rdzeniowe w takim samym stopniu obciążają źródło zasilające. Magnetyczne straty mocy w miękkich materiałach magnetycznych stanowią ponad 5% wytwarzanej energii. Badania, które prowadzę od 30 lat, mają na celu lepsze poznanie procesów magnesowania powodujących te straty w tradycyjnych i nowych materiałach, ulepszenie metod charakteryzujących ich magnetyczne właściwości oraz określenie czynników, które zmniejszają straty w przypadku ich zastosowania w urządzeniach elektrycznych, takich jak silniki, transformatory i czujniki.

Ma to znaczenie dla przemysłu miękkich materiałów magnetycznych. Na świecie produkuje się rocznie ponad 6 mln ton materiałów magnetycznie miękkich o wartości ponad 5x1010 Euro. Są one częścią systemów o wartości prawdopodobnie stokrotnie wyższej. Występujące w materiałach magnetycznych straty energii można zredukować zarówno poprzez ulepszenie ich podstawowych właściwości magnetycznych lub przez poprawę ich wykorzystania w urządzeniach elektrycznych.

Wykład podzieliłem na trzy części, w których dokonam krótkiego przeglądu mojego wkładu w badania nad samymi materiałami magnetycznymi, metodami określania ich właściwości oraz opisem ich charakterystyk w takich urządzeniach jak maszyny elektryczne i transformatory. Mam nadzieję, że uda mi się przedstawić ścisły związek wymienionych badań ze sobą. I tak, ulepszanie podstawowych właściwości metalurgicznych czy chemicznych materiałów w celu nadania im lepszych właściwości magnetycznych nie przynosi spodziewanego rezultatu w przypadku, gdy są one częścią urządzenia, w którym materiał nie ulega magnesowaniu, w taki sposób, aby w pełni wykorzystać jego lepsze właściwości magnetyczne. Podobnie jak odpowiedni dobór geometrii układu magnetycznego jest konieczny, aby uniknąć szkodliwych efektów występujących podczas konstrukcji urządzeń elektrycznych, tak samo istotne jest określenie rodzaju tych efektów i możliwości ich uniknięcia, jak też określenie ich wpływu na podstawowe właściwości magnetyczne materiału. Elektrotechniczna blacha stalowa jest materiałem dominującym na rynku miękkich materiałów magnetycznych i jest wielce prawdopodobne, że tendencja taka utrzyma się w ciągu najbliższych lat.

Obecnie, elektrotechniczne blachy stalowe są produkowane w formie arkuszy o grubości od 0,15 do 0,65 mm. Ze względów ekonomicznych, w tanich silnikach stosuje się niskogatunkową stal węglową. Transformatory mocy wymagają zastosowania materiałów o małej stratności, dlatego też od 1940r. znaczący postęp był skierowany na produkcję blachy stalowej teksturowanej. Charakteryzuje się ona małą stratnością, gdy jest magnesowana w kierunku, w którym jest walcowana. Na początku lat 70-tych pojawiły się teksturowane blachy żelazowo-krzemowe charakteryzujące się dużą przenikalnością magnetyczną i małą stratnością, które znajdują obecnie szerokie zastosowanie. Ostatnio, dostępna jest również amorficzna taśma magnetyczna produkowana przy wykorzystaniu całkowicie nowej technologii. Materiał ten wykazuje stratność równą zaledwie 25% stratności najlepszej blachy stalowej teksturowanej i stanowi główne wyzwanie dla projektantów zamierzających wykorzystać go efektywnie w transformatorach.

Straty magnetyczne zależą od takich czynników jak: grubość blachy, opór właściwy, skład chemiczny, struktura metalurgiczna i częstotliwość, przy której materiał jest magnesowany. Niektóre z moich badań miały na celu określenie sposobu zmniejszenia tych strat poprzez zastosowanie obróbki cieplnej, lub dodatkową obróbkę blachy. Jedna z metod polega na obróbce termicznej materiału w polu magnetycznym w celu osiągnięcia tzw. uporządkowania magnetycznego cząstek prowadzącego do wytworzenia w materiale anizotropii magnetycznej, co może obniżyć straty mocy o 5% i sprawia, że materiał poddaje się łatwiej magnesowaniu.

Niektóre blachy elektrotechniczne posiadają niemagnetyczną powłokę nanoszoną w procesie ich produkcji. Wykazałem, że powoduje to efekt podobny do obróbki cieplnej i może ulepszyć jakość materiału, dzięki wytworzeniu w nim korzystnych naprężeń mechanicznych.

Badania nad wpływem powłoki zapoczątkowały dalsze prace mające na celu scharakteryzowanie i określenie wielkości niekorzystnego wpływu naprężeń mechanicznych na właściwości wielu materiałów magnetycznych. Jest to bardzo ważny czynnik, zwłaszcza przy projektowaniu maszyn, ponieważ w trakcie montażu materiał podlega różnym naprężeniom. Badania nad naprężeniami liniowymi, zginającymi i złożonymi potwierdziły ich szkodliwy wpływ na wiele właściwości magnetycznych o dużym znaczeniu dla pracy urządzeń elektromagnetycznych.

Przeprowadzono wiele zakończonych pomyślnie prób, które miały na celu dyfuzję aluminium i krzemu w powierzchnię blachy elektrotechnicznej w celu zmiany jej rezystywności i zredukowania strat. Technika ta, oparta na chemicznej dyfuzji próżniowej, została wprowadzona na rynek. Stwierdziliśmy, że technika dyfuzji ulepsza właściwości materiałów podczas procesu magnetyzacji prowadzonej w sposób złożony, tak jak to następuje w nowoczesnych systemach elektronicznych, nawet w większym stopniu niż przypuszczaliśmy.

Korzyści wynikające z tego faktu znajdą zastosowanie w nowej generacji systemach napędowych, w których rdzeń magnetyczny ulega namagnesowaniu w sposób złożony, co zwykle znacząco zwiększa ich stratność.

Momentem zwrotnym w pracach nad wpływem naprężeń mechanicznych stały się badania nad stopami kobaltu i żelaza. Znajdują one zastosowanie w sprzęcie lotniczym ze względu na wysokie nasycenie magnetyczne i dobre właściwości wytrzymałościowe. W normalnych warunkach, dobór optymalnych właściwości magnetycznych i mechanicznych jednocześnie, a takie wymagania narzuca przemysł lotniczy, jest niemożliwy, jednak nasze badania pozwoliły na wyjaśnienie i określenie, w jaki sposób można je zoptymalizować poprzez specjalną obróbkę termiczną. Jednocześnie zmniejsza się, niekorzystną w tych zastosowaniach, wrażliwość materiału magnetycznego na naprężenia.

Pomiary magnetyczne są uważane za znacznie trudniejsze do przeprowadzenia niż inne typy pomiarów i wymagają zastosowania ulepszonych i nowoczesnych technik. Nasze badania wykazały, że do pomiarów nowoczesnych materiałów magnetycznych, ze względu na ich zróżnicowane zastosowania i konieczność określenia różnego rodzaju właściwości, nie można wykorzystać wielu stosowanych dotychczas tradycyjnych metod pomiarowych.

Rezultatem naszej pracy w zakresie pomiarów właściwości magnetycznych było określenie jak dużą rolę odgrywają pola obrotowe w magnesowaniu rdzeni magnetycznych. Badania te doprowadziły do rozwoju systemów magnesowania, z nowoczesnymi czujnikami pomiarowymi, które służą do pomiaru właściwości materiałów magnetycznych poddawanych różnym rodzajom magnesowania obrotowego, takim jakie występują w maszynach wirujących i transformatorach.

Dotychczas w większości badań zakładano, że magnesowanie rdzenia odbywa się przy sinusoidalnym strumieniu i dla takich warunków określano właściwości magnetyczne rdzenia. Moje badania, jako jedne z pierwszych, dowiodły, że takie założenie jest dalekie od rzeczywistości, a straty mocy w wielu urządzeniach spowodowane wyższymi harmonicznymi strumienia magnetycznego mogą być o ponad 20% wyższe niż przy magnesowaniu sinusoidalnym strumieniem.

W celu zbadania powyższych zagadnień, opracowano szereg metod eksperymentalnych stosowanych do pomiarów miejscowych właściwości magnetycznych w modelu silnika i w rdzeniach transformatora. Badania eksperymentalne nad miejscową gęstością strumienia magnetycznego i odnoszącymi się do niej stratami mocy, zostały uzupełnione analizą teoretyczną, wykorzystująca głównie metodę elementów skończonych. Zidentyfikowano problemy występujące w opisie analitycznym tych złożonych zagadnień i zaproponowano sposoby ich przezwyciężenia. Są one oparte, przede wszystkim, na metodach hybrydowych, łączących ze sobą dane eksperymentalne i teoretyczne, co prowadzi do lepszego zrozumienia wpływu przybliżeń i błędów występujących przy projektowaniu modelu bazującego wyłącznie na podejściu teoretycznym.

Przeprowadzono wiele badań eksperymentalnych natężenia pola magnetycznego na powierzchni blachy wykorzystując różne czujniki magnetyczne nowej generacji. Pozwoliły one na interpretację strat mocy i gęstości strumienia magnetycznego w pojedynczych ziarnach blachy elektrotechnicznej.

Na podstawie otrzymanych wyników określono rolę, jaką odgrywają pojedyncze ziarna obszaru granicznego w zjawiskach histerezy i strat wiroprądowych. Wyniki tych ogólnych rozważań stanowią pomoc dla pracowników sektora przemysłowego w ustaleniu, jaki rozmiar pojedynczych ziaren i jaka ich orientacja pozwoli uzyskać najlepsze właściwości magnetyczne materiału rdzeniowego.

W początkowym etapie moich badań wprowadziłem współczynnik konstrukcyjny, jako sposób uwzględnienia wpływu czynników, które sprawiają, że parametry rdzenia magnetycznego są gorsze w porównaniu z obliczonymi na podstawie właściwości magnetycznych użytych do budowy rdzenia gatunków stali. Określiłem i poddałem analizie wpływ wprowadzonego współczynnika konstrukcyjnego na zjawiska, które wcześniej nie były rozpoznane i analizowane ilościowo, takie jak: obrotowa harmoniczna strumienia, strumień między warstwami, nierównomierność strumienia magnetycznego, zakłócenia w narożach i połączeniach typu T, a także wcześniej wymienione naprężenia mechaniczne oraz wpływ magnesowania harmonicznego i obrotowego.

Pozwala to projektantom urządzeń przewidzieć dokładniej jak zachowa się materiał i pomóc im projektować bardziej sprawne energetycznie i tańsze produkty końcowe, także poprzez optymalizację wykorzystania materiałów magnetycznych.

Wiele wyników tych badań znalazło komercyjne zastosowanie. Badania nad współczynnikiem konstrukcji w sposób naturalny doprowadziły do opracowania nowych geometrii rdzenia. Zastosowanie do budowy rdzenia kilku typów materiałów magnetycznych o różniących się przenikalnościach magnetycznych można wykorzystać do zwiększenia równomierności rozkładu strumienia magnetycznego w rdzeniu i do obniżenia strat mocy. Wykazano, że podział rdzenia na równoległe obwody magnetyczne redukuje straty w jego narożach. Jakkolwiek, całkowite straty energii w rdzeniach o takim kształcie są większe, to ich składanie odbywa się w nowoczesny sposób, co skraca czas ich produkcji nawet ponad dziesięciokrotnie, zapewniając jednocześnie energooszczędny rynek zbytu dla niższej klasy materiałów magnetycznych.

Kolejnym sposobem ograniczania strat mocy w gotowych rdzeniach transformatorów jest metoda obróbki powierzchniowej, określana jako rozdrabnianie ziaren struktury krystalicznej materiału. Blachy elektrotechniczne o zorientowanym ziarnie mają dzięki budowie krystalicznej doskonałe właściwości magnetyczne w wybranych kierunkach, ale kosztem dużych rozmiarów ziaren a tym samym domen magnetycznych, występują w nich relatywnie wysokie straty mocy. Staranna obróbka powierzchniowa blachy stalowej prowadzi do zwężenia domen magnetycznych. Udowodniono, że można uzyskać doskonałe właściwości magnetyczne, poddając obróbce powierzchniowej jedynie krytyczne obszary rdzenia.

Związek pomiędzy strukturą domenową materiałów magnetycznych i ich stratnością był przedmiotem moich badań przez wiele lat. Domeny można obserwować na powierzchni materiału magnetycznego wykorzystując metody magnetooptyczne, można analizować ich strukturę i ruch podczas procesu magnesowania, co prowadzi do lepszego zrozumienia zjawisk decydujących o właściwościach magnetycznych materiału oraz do wyjaśnienia wpływu naprężeń mechanicznych. Badania te stały się pomocne do analizy udziału strat od prądów wirowych i strat histerezowych w ogólnym bilansie strat energii w rdzeniu i pozwoliły sformułować zalecenia dotyczące doboru wielkości ziaren, grubości i składu chemicznego blachy oraz parametrów obróbki termiczno-magnetycznej w celu optymalizacji właściwości magnetycznych.

Moje obecne badania skoncentrowane są na przewidywaniu przyszłych trendów rozwoju materiałów konstrukcyjnych z uwzględnieniem wyzwań, jakie stawia współczesny Świat w zakresie zrównoważonego gospodarowania zasobami energii. Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi analizy numerycznej, takich jak sztuczne sieci neuronowe, z wyrafinowanymi systemami pomiarowymi, w których materiał ulega magnesowaniu w warunkach silnych odkształceń jest przedmiotem badań, które dostarczają zarówno dokładniejszych charakterystyk pracy urządzeń elektromagnetycznych oraz są źródłem danych dla metody elementów skończonych wykorzystywanej przez ich projektantów.

Uważam, że badacze, projektanci i użytkownicy stali elektrotechnicznych oraz innych miękkich materiałów magnetycznych, mogą w kilku następnych dekadach odegrać ważną rolę w rozważnym gospodarowaniu energią i jej stratami, przysparzając znaczących korzyści dla użytkowników materiałów magnetycznych oraz dla całej populacji.

http://www.pollub.pl/index.html?kat=627

http://www.ime.pw.edu.pl/zme/dyd/mater/kme/kme04.pdf

---