POLITECHNIKA POZNAŃSKA LABORATORIUM MATERIAŁÓW O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH FIZYCZNYCH	Paweł Wojtalewicz
	WYDZIAŁ
	BMiZ
PROWADZĄCY	ROK STUDIÓW
dr inż. A. Miklaszewski	I st. II
Ćwiczenie odrobiono dnia:	Sprawozdanie oddano dnia:
18.11.2014r.	16.12.2014r.
NR	TEMAT ĆWICZENIA:
3.	Magnetycznie miękkie materiały kompozytowe

Odpowiedzi na pytania:

Ad. 1.

Rysunek 1. zawiera obraz TEM struktury taśmy ze stopu Co₆₈Fe₄Mo₁Si_13,5B_13,5 po procesie wyżarzania wykonany z wykorzystaniem kontrastu dyfrakcyjnego oraz obraz dyfrakcyjny wskazanego materiału, pochodzący również z mikroskopu transmisyjnego.

Dyfrakcja elektronowa wyżarzonej taśmy ukazuje zbiór rozmytych pierścieni, ujawniających strukturę amorficzną. Należy jednak dostrzec obecność drobnych, jasnych punktów, układających się w znacznie wyraźniejsze pierścienie. Są one rezultatem istnienia nanokrystalitów w amorficznej osnowie. W nanomateriałach bowiem w tworzeniu obrazu dyfrakcyjnego bierze udział wiele ziaren. Materiał o większych ziarnach dałby notomiast obraz punktowy, pochodzący z obszaru jednego krystalitu.

Kontrast dyfrakcyjny wynika z faktu, że każdy fragment próbki, który spełnia warunek Bragga (względem kierunku wiązki elektronów) będzie silnie rozpraszał wiązkę. W badaniach uzyskano obraz w jasnym polu poprzez wycentrowanie przesłony obiektywu na wiązce przechodzącej. Obszary silniej rozpraszające wiązkę można zaobserwować jako ciemne. Stanowią one nanokrystality w osnowie amorficznej, widocznej jako jasne tło. Obraz z mikroskopu transmisyjnego daje informacje o równomierności rozłożenia tychże nanokrystalitów oraz pozwala stwierdzić, czy nie tworzą one aglomeratów.

Rysunek 2. przedstawia obrazy SEM nanokrystalicznego materiału kompozytowego o różnym udziale objętościowym proszku stopu Co₆₈Fe₄Mo₁Si_13,5B_13,5 w osnowie silikonowej. W badaniach wykorzystano sygnał pochodzący od elektronów wstecznie rozproszonych. W obrazowaniu wykorzystano kontrast związany z różną zdolnością emisji elektronów wstecznie rozproszonych przez jądra różniące się liczbą atomową. Obszary ciemne stanowią matrycę polimeru silikonowego (lżejsze jądra, mniejsze Z, a w konsekwencji rzadsze odbicia elektronów od jąder atomów), natomiast pola jaśniejsze ukazują cząstki proszku stopu (przede wszystkim znacznie cięższe jądro kobaltu). Obraz SEM daje informacje o wielkości tychże cząstek, ich udziale objętościowym oraz równomierności rozmieszczenia w osnowie.

Na podstawie obserwacji pod mikroskopem skaningowym można stwierdzić, że przy większej zawartości proszku Co₆₈Fe₄Mo₁Si_13,5B_13,5 cząstki rozmieszczone są równomiernie w polimerze silikonowym. Natomiast wraz ze zmniejszeniem objętości proszku w kompozycie lokalnie występują skupiska cząstek proszku. Ponadto warto dostrzec, iż zmielenie w krótkim czasie wstępnie skrystalizowanej taśmy metalicznej prowadzi do otrzymania proszku o ziarnach o ostrych krawędziach, które z pewnością będą wiązać się mechanicznie mocniej z polimerowym lepiszczem.

Ad. 2.÷4.

Wykreślone pętle histerezy materiałów kompozytowych różniących się udziałem objętościowym nanokrystalicznego proszku pozwalają stwierdzić, że wzrost tegoż udziału implikuje wzrost magnetyzacji nasycenia M_s [A/m]. Parametr ten informuje o maksymalnej, możliwej do uzyskania w materiale, magnetyzacji, która nie będzie już rosła w miarę dalszego zwiększania zewnętrznego pola magnetycznego. Duża wartość magnetyzacji nasycenia jest natomiast jedną z charakterystycznych właściwości materiałów magnetycznie miękkich. Jednakże samą dużą wartość M_s trudno przełożyć na konkretną aplikację, bowiem:

1. jakikolwiek materiał magnetyczny jest charakteryzowany zespołem właściwości fizycznych i podanie jednej z nich nie oddaje pełnego obrazu sprawy;

2. wartość magnetyzacji nasycenia warto odnieść do natężenia zewnętrznego pola magnetycznego (i porównywać podatności magnetyczne χ_m = M/H [-] różnych materiałów) – materiał mający wprawdzie dużą wartosć M_s, aczkolwiek osiąganą w polach o ogromnym natężeniu jest nieużyteczny jako magnetyk miękki.

Okazuje się jednak, że badane kompozyty o różnym udziale objętościowym nanokrystalicznego proszku osiągały magnetyzację nasycenia przy bardzo zbliżonym natężeniu zewnętrznego pola magnetycznego H [A/m]. Stąd też wniosek, że wzrost tegoż udziału pociąga za sobą nie tylko wzrost magnetyzacji nasycenia M_s [A/m], aczkolwiek również podatności magnetycznej χ_m [-] oraz przenikalności względnej μ_w = 1 + χ_m [-], czego potwierdzenie można znaleźć na rysunku 4.

Znajomość parametrów: M_s, χ_m, μ_w jest nadal nie wystarczająca, aby klasyfikować badane nanokompozyty jako materiały magnetycznie miękkie i dla nich szukać zastosowań. Niezwykle istotną właściwością tej klasy materiałów jest bowiem również mała wartość pola koercji H_c [A/m]. Wielkość ta informuje, jaka wartość natężenia zewnętrznego pola magnetycznego, o kierunku zgodnym i zwrocie przeciwnym do pierwotnie przykładanego do materiału pola, jest konieczna do zaniku jego namagnesowania. Materiały miękkie magnetycznie dają się natomiast w łatwy sposób przemagnesować.

Na podstawie przedstawionych pętli histerezy dla badanych kompozytów o różnym udziale objętościowym nanokrystalicznego proszku (rys. 3) należałoby stwierdzić, iż materiały te są superparamagnetykami, bowiem:

1. pętle histerezy są tak wąskie, iż są one widoczne raczej jako linie M(H);

2. kompozyty te charakteryzują się zarówno zerową koercją H_c [A/m], jak i zerową remanencją M_r [A/m] – „pętle” przechodzą przez zero.

Pojawienie się zjawiska superparamagnetyzmu wykluczyłoby jednak badane kompozyty z obszaru zastosowań typowych dla materiałów magnetycznie miękkich. Przyczyną superparamagnetyzmu jest występowanie w materiale jednodomenowych nanokrystalitów o średnicy rzędu 2÷5 nm. Dla takich materiałów energia termiczna krystalitów przewyższa energię anizotropii magnetokrystalicznej, co stwarza możliwość przeorientowania się momentu magnetycznego jednodomenowych cząstek. Mimo iż orientacja momentów magnetycznych poszczególnych atomów zostaje zachowana, następują ciągłe fluktuacje momentów magnetycznych całych krystalitów. W wyniku tego zjawiska moment magnetyczny materiału uśrednia się do zera. Relaksacja superparamagnetyczna oznacza natomiast dyssypację energii magnetycznej namagnesowanego materiału pod postacią ciepła. Fakt ten kompletnie wyklucza superparamagnetyki z jakichkolwiek szeroko pojętych aplikacji elektrotechnicznych. Jest jednak wykorzystywany w hipertermii, która jest nowoczesną metodą leczenia nowotworów.

Okazuje się jednak, że badane kompozyty charakteryzują się niezerową koercją oraz remanencją, jednakowoż ich wartości są bardzo małe w stosunku do najmniejszych działek zastosowanych na osiach wykresu (Rys. 3.). Na podstawie danych literaturowych można poza tym stwierdzić, że wzrastający udział objętościowy proszku stopu Co₆₈Fe₄Mo₁Si_13,5B_13,5 w materiale kompozytowym (w przedziale udziałów 67÷86%_obj.) przyczynia się do wzrostu koercji [1].

Przedstawiony powyżej zespół właściwości fizycznych, charakteryzujących badane kompozyty, a mianowicie duża wartość magnetyzacji nasycenia, podatności magnetycznej oraz przenikalności względnej przy niewielkiej koercji oraz bardzo wąskiej pętli histerezy, której pole jest wprost proporcjonalne do strat energii na przemagnesowanie, determinuje potencjalne aplikacje tychże materiałów:

• do transformacji energii elektrycznej prądu przemiennego – jako rdzenie transformatorów (przede wszystkim ze względu na niewielką stratność – niewielkie wartości pól koercji, a jednocześnie niewielkie pola otoczone pętlą histerezy - umożliwiającą wysokosprawne przetwarzanie energii);

• w generacji energii elektrycznej – np. w alternatorze zasilającym instalację elektryczną w samochodzie (również ze względu na niewielką stratność, dla przykładu: prądnice prądu stałego o mniejszych wydajnościach muszą mieć większe gabaryty, co zwiększa masę pojazdu);

• do zamiany energii elektrycznej na mechaniczną – w silnikach elektrycznych np. w samochodach hybrydowych lub elektrycznych (przede wszystkim ze względu na dużą indukcję nasycenia, a jednocześnie magnetyzację nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej podawanej na oś kół, proporcjonalnej do kwadratu indukcji);

• do ekranowania magnetycznego (przede wszystkim ze względu na dużą wartość względnej przenikalności magnetycznej – łatwo magnesujący się ekran izoluje dane urządzenie, np. sprzęt audio, przed zewnętrznym polem magnetycznym, chroniąc je przed przepięciami);

• w czujnikach magnetycznych.

Ad. 5.

Tradycyjne materiały magnetycznie miękkie są gruboziarnistymi materiałami jednofazowymi. Duża średnica ziaren umożliwia bowiem łatwe przemieszczanie się ścian domen w ich obrębie, a zarazem łatwe przemagnesowanie materiału.

Zupełnie odmienna sytuacja występuje dla nanokrystalicznych ferromagnetyków miękkich, do których można zaliczyć badane kompozyty. Są to materiały dwufazowe złożone z nanokrystalitów ferromagnetycznej fazy Co₆₈Fe₄Mo₁Si_13,5B_13,5 w amorficznej osnowie polimeru silikonowego. Cechą charakterystyczną nanokrystalicznych ferromagnetyków jest bardzo drobne ziarno o średnicy na poziomie 10÷15nm, mniejszym od długości wymiany magnetycznej, czyli od pewnej średnicy krytycznej, rozdzielającej ziarna jednodomenowe i wielodomenowe (Rys. I). Zwiększenie wielkości tych cząstek spowodowałoby wzrost pola koercji kompozytu oraz spadek początkowej przenikalności magnetycznej. Materiał stałby się magnetycznie twardy, osiągając maksimum koercji dla rozmiaru ziarna równego długości wymiany magnetycznej. Z drugiej jednak strony nadmierne zmniejszenie średnicy nanokrystalitów mogłoby pociągnąć za sobą superparamagnetyczne właściwości kompozytu.

Rysunek I - Poglądowa zależność pola koercji od wielkości ziarna i przełożenie tejże wielkości na kształt pętli histerezy magnetycznej

Oprócz wielkości cząstek ważna jest również ich morfologia. Dla materiału magnetycznie miękkiego najkorzystniejszy jest kształt jak najbardziej zbliżony do kuli, która to nie posiada kierunków wyróżnionych. Fakt ten sprzyja niewielkiej anizotropii magnetokrystalicznej cechującej ferromagnetyki miękki. Mechaniczna synteza taśmy ze stopu Co₆₈Fe₄Mo₁Si_13,5B_13,5 będzie natomiast przyczyniała się powstawania ziaren o kształcie spłaszczonym i wydłużonym, przekładającym się na zwiększoną anizotropię.

Ad. 6.

Kompozyty formowane znajdują swoje potencjalne zastosowanie w technice wysokich częstotliwości. Typowym przykładem zastosowań są rdzenie w transformatorach impulsowych, przetwornicach mostkowych, półmostkowych i przetwornicah przepustowych jedno- lub dwutranzystorowych, które są kluczowymi elementami zasilaczy inwertorowych. Zastosowanie kompozytowych rdzeni o wymaganym kształcie jest szczególnie ważne w przetwornicach przepustowych, gdzie niemożliwe jest stosowanie rdzeni toroidalnych ze szczeliną powietrzną.

Rosnąca izolacja cząstek poprzez matrycę polimerową (malejący ich udział w matrycy) zmniejsza wprawdzie magnetyzację nasycenia oraz przenikalność magnetyczną kompozytu, aczkolwiek zmniejsza również wartość koercji. Zmniejszona koercja oznacza węższą pętlę histerezy, a zarazem mniejsze straty energii na cykl magnesowania. Rdzeń transformatora wysokiej częstotliwości, zbudowany z materiału o dużej H_c, wykonując bardzo wiele takich cykli na sekundę, dyssypowałby zbyt wiele energii pod postacią ciepła. Nie dość, że znacznie by się nagrzewał, to transformacja energii w takiej maszynie elektrycznej byłaby kompletnie niewydajna. Udział cząstek metalicznych nie może być jednak zbyt mały. Zbyt duże odległości między nimi uniemożliwiłyby bowiem oddziaływania wymienne między nanokrystalitami, co spowodowałoby zanik makroskopowych właściwości magnetycznie miękkich.

Bardzo istotnym powodem izolowania cząstek ferromagnetycznych poprzez osnowę polimeru silikonowego jest jej duża rezystywność. Właściwość ta przekłada się na znaczną wartość rezystancji rdzenia, zbudowanego ze wskazanego kompozytu, a zatem mniejszą przewodność dla prądów wirowych w nim powstających. Zjawisko to przyczynia się natomiast do strat energii pod postacią ciepła.

___________________________________________________________________________[1] J. Konieczny, L. A. Dobrzański, Jerzy J. Wysłocki, A. Przybył – „Magnetycznie miękkie materiały kompozytowe polimer - cząstki proszku stopu Co68Fe4Mo1Si13,5B13,5”