Основные электронные материалы: Часть 7 - Магнитные материалы
1 Введение в магнитные материалы
Магнитные материалы - это вещества, которые проявляют магнитные свойства благодаря своей внутренней структуре, что позволяет им генерировать магнитное поле или подвергаться воздействию внешнего магнитного поля. Эти материалы могут либо притягивать, либо отталкивать другие материалы, и их магнитное поведение является основополагающим для многих современных электронных устройств.
Магнитные материалы незаменимы в электронной промышленности благодаря своей способности хранить, передавать и преобразовывать энергию. Они используются в различных приложениях, от энергоэффективных устройств до передовых коммуникационных технологий. Эти материалы имеют решающее значение для таких компонентов, как двигатели, трансформаторы, датчики, магнитные накопители и антенны, что делает их незаменимыми для таких отраслей, как электроника, телекоммуникации, энергетика, автомобилестроение и здравоохранение.
2 Типы магнитных материалов, используемых в электронике
2.1 Твердые магнитные материалы (постоянные магниты)
Твердые магнитные материалы, также известные как постоянные магнитные материалы, - это материалы, которые могут сохранять свои магнитные свойства в течение длительного времени после намагничивания и не теряют своих магнитных свойств. Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются способность сохранять свой первоначальный магнетизм в течение длительного времени после намагничивания, большая коэрцитивная сила (Hc=10^4~10^6 А/м), более толстые линии гистерезиса, высокое максимальное произведение магнитной энергии (BH)max и постоянный магнетизм.
2.1.1 Сплавы алнико
Сплавы алнико являются широко используемыми постоянными магнитными материалами с высокой коэрцитивной силой и постоянным магнетизмом. Основные преимущества сплавов алнико в качестве постоянных магнитов включают высокую коэрцитивную силу, высокую температуру Кюри и хорошую температурную стабильность. Сплавы алнико обладают высокой коэрцитивной силой и могут сохранять свои магнитные свойства под действием сильного внешнего магнитного поля и нелегко размагничиваются. Кроме того, его температура Кюри достигает 860°C, а максимальная рабочая температура - 525-550°C, что позволяет ему сохранять хорошие магнитные свойства в условиях высоких температур. Алнико обладает высоким постоянным магнетизмом и может сохранять свои магнитные свойства в сильных магнитных полях. Он обладает хорошей коррозионной стойкостью и может использоваться в суровых условиях. Кривая размагничивания сплавов Alnico изменяется нелинейно, что означает, что они проявляют различные свойства в процессе размагничивания.
Рис. 1 Магнит из сплава Алнико
2.1.2 Титано-кобальтовый сплав
Титано-кобальтовый сплав - один из наиболее распространенных типов постоянных магнитов. Титано-кобальтовые сплавы способны поддерживать высокую магнитную индукцию (1,0-1,25 Т) и магнитное энерговыделение (2,2×10⁵ эрг/см³) в диапазоне напряженности магнитного поля до 8,75-11,94 кА/м. Это превосходное свойство гистерезиса позволяет сплавам Ti-Co иметь низкие потери энергии при реверсе магнитного поля, что повышает эффективность преобразования энергии и особенно подходит для моторных систем с часто меняющейся нагрузкой. Титано-кобальтовые сплавы способны достигать магнитной индукции до 1,25 Тл в рабочем диапазоне напряженности поля 8,75-11,94 кА/м. Такая высокая сила магнитной индукции позволяет создавать сильные магнитные моменты и повышать эффективность при работе в высоких магнитных полях. Титано-кобальтовые сплавы могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и не размагничиваются даже в высокотемпературных средах. Это позволяет использовать их в электродвигателях и генераторах, работающих при высоких и переменных температурах, обеспечивая надежную работу. Титано-кобальтовые сплавы могут обладать высокими магнитными свойствами при сохранении высокой механической прочности и термостойкости благодаря точно подобранному химическому составу (например, кобальт, ванадий и другие элементы). Это позволяет им превосходно работать в широком диапазоне сложных условий эксплуатации.
Рис. 2 Титано-кобальтовый сплав
2.1.3 Редкоземельные кобальтовые постоянные магниты
Редкоземельные кобальтовые постоянные магниты бывают двух типов - RCo5 и R2Co17, где R обозначает редкоземельные элементы, такие как самарий, празеодим, церий, лантан и др. Первые имеют гексагональную кристаллическую структуру CaCu5, а вторые - трехгранную. Первый имеет гексагональную структуру кристаллической системы типа CaCu5, второй - трехстороннюю структуру кристаллической системы.Тип RCo5 характеризуется высокой магнитной анизотропией кристалла, тип R2Co17 характеризуется высокой силой магнитной индукции и точкой Кюри, железо, медь и другие элементы частично заменяют кобальт, был превращен в очень высокоэффективный материал.
Кобальтовые магниты характеризуются чрезвычайно высокой коэрцитивной силой и магнитной энергией продукции, являются классом постоянных магнитов с отличной производительностью. Процесс подготовки в основном принимает метод порошка и метод литья, и метод порошка принимает формовку магнитного поля, гидростатическое давление и спекание жидкой фазы и другие процессы. В основном используется в трубках бегущей волны, магнетронах и других электровакуумных приборах и микроволновых устройствах, таких как циркуляторы для обеспечения магнитного поля. Он также широко используется в области микродвигателей, микрореле, магнитных подшипников, электронных часов и других небольших точных приборов и счетчиков.
Рис. 3 Постоянные магниты из редкоземельного кобальта
2.2 Мягкие магнитные материалы
Мягкие магнитные материалы относятся к тем, у которых намагничивание происходит при Hc не более 1000A/m, такие материалы называются мягкими магнитами. Типичные мягкие магнитные материалы могут достигать максимальной силы намагничивания при минимальном внешнем магнитном поле. Мягкий магнитный материал - это магнитный материал с низкой коэрцитивной силой и высокой проницаемостью. Мягкие магнитные материалы легко намагничиваются и размагничиваются и широко используются в электрическом и электронном оборудовании. Наиболее широко используемыми магнитомягкими материалами являются железо-кремниевые сплавы (листовая кремнистая сталь) и различные магнитомягкие ферриты и т.д.
2.2.1 Мягкий магнит из кремниевой стали
Мягкий магнит из кремниевой стали обладает рядом существенных преимуществ, благодаря которым он широко используется в силовой электронике. Во-первых, высокая магнитная индукция насыщения кремниевой стали означает, что при одинаковых условиях магнитного потока можно использовать меньшее сечение материала, что позволяет эффективно экономить материал и миниатюризировать компоненты. Во-вторых, кремниевая сталь имеет низкие магнитные потери, особенно в переменных магнитных полях, а ее высокое удельное сопротивление эффективно снижает потери на вихревые токи, а низкие гистерезисные потери обеспечивают отличную производительность во время работы. Кроме того, кремниевая сталь также имеет хорошие показатели обработки, легко обрабатывается в листовые материалы, подходит для штамповки, резки и других методов обработки, общие формы включают холоднокатаный лист кремниевой стали, холоднокатаную неориентированную полосу из электротехнической стали и холоднокатаную ориентированную полосу из электротехнической стали, широко используется в электронных системах и бытовой технике в низкочастотных трансформаторах и дросселях и других компонентах. Наконец, кремнистая сталь особенно хорошо проявляет себя в низкочастотных и мощных приложениях, особенно в сердечниках для силовых трансформаторов, распределительных трансформаторов и трансформаторов тока, которые широко используются в силовой электронике с частотой до 400 Гц.
Рис. 4 Мягкий магнит из кремниевой стали
2.2.2 Мягкий магнитный феррит
Мягкий магнитный феррит характеризуется низкой плотностью потока насыщения, низкой проницаемостью, низкой температурой Кюри, низкими потерями на средних и высоких частотах и низкой стоимостью. Первые три низкие характеристики - это его недостатки, ограничивающие сферу его применения, и в настоящее время (начало 21 века) его пытаются улучшить. Два последних минуса - это его преимущества, облегчающие доступ на высокочастотный рынок, над расширением которого сейчас (в начале XXI века) работают.
Рис. 5 Мягкий магнитный феррит
Мягкие магнитные материалы широко используются в электронике благодаря своим отличным магнитным свойствам. Они обычно используются в качестве материалов для сердечников трансформаторов, индукторов, трансформаторов тока и напряжения, где их низкие потери на гистерезис и высокая сила магнитной индукции насыщения повышают эффективность этих компонентов и снижают потери энергии. Мягкие магнитные материалы также широко используются в статорах и роторах электродвигателей и генераторов для повышения плотности мощности и эффективности, особенно в высокочастотных двигателях. Кроме того, они используются для электромагнитного экранирования, чтобы уменьшить электромагнитные помехи (EMI) в электронном оборудовании и обеспечить стабильную работу. Мягкие магнитные материалы также играют важную роль в технологии индукционного нагрева, повышая эффективность нагрева за счет взаимодействия с высокочастотными токами в широком спектре приложений, таких как нагрев металла, формовка пластмасс и сварка. В системах управления электропитанием магнитомягкие материалы используются в фильтрах и оборудовании электропитания для повышения стабильности и эффективности за счет низких магнитных потерь. Кроме того, магнитомягкие материалы используются в магнитных датчиках, пассивных компонентах и других электронных узлах, таких как датчики положения, датчики скорости, а также магнитные конденсаторы и переключатели. В целом, благодаря своим превосходным магнитным свойствам и технологичности, магнитомягкие материалы играют ключевую роль в электронной промышленности в самых разных областях, от управления питанием до коммуникаций, автоматизации и медицинских приборов.
2.3 Магнитные сплавы
Магнитные сплавы - это сплавы, состоящие из железа и других металлических элементов (например, кобальта, никеля, редкоземельных элементов и т. д.), которые обладают отличными магнитными свойствами и широко используются во многих областях, таких как электроника, связь и энергетика. В соответствии с различными магнитными свойствами магнитные сплавы обычно делятся на две категории: мягкие магнитные сплавы и твердые магнитные сплавы.
Мягкие магнитные сплавы: Эти сплавы характеризуются низкими потерями на гистерезис и хорошей проницаемостью, что делает их превосходными для таких применений, как трансформаторы, двигатели и индукторы. Такие распространенные магнитомягкие сплавы, как кремнистая сталь и железоникелевые сплавы, в основном используются в силовой электронике, бытовой технике, автомобильной электронике и других областях.
Твердые магнитные сплавы: Твердые магнитные сплавы обладают высокой магнитной энергией и напряженностью магнитного поля, могут сохранять стабильные магнитные свойства и обычно используются при производстве постоянных магнитов. К распространенным магнитотвердым сплавам относятся неодим-железо-бор (NdFeB), алюминий-никель-кобальт (AlNiCo) и сплавы на основе кобальта. Они широко используются в таких высокотехнологичных областях, как электродвигатели, датчики, акустические системы и магнитно-резонансная томография (МРТ).
Магнитные сплавы демонстрируют различные эксплуатационные характеристики в практических приложениях. Например, магниты неодим-железо-бор (NdFeB) стали незаменимыми материалами в современной промышленности и электронике благодаря высокой магнитной энергии и мощной магнитной силе, и широко используются в электродвигателях, ветряных турбинах, акустических системах и других изделиях. Сплавы альнико, с другой стороны, широко используются для магнитных компонентов в высокотемпературных и специальных средах благодаря их хорошей термостойкости и стабильности.
Рис. 6 Неодимово-железо-борные (NdFeB) магниты
3 Свойства магнитных материалов для электроники
3.1 Магнитная проницаемость
Магнитная проницаемость - это физическая величина, характеризующая магнитные свойства магнитной среды. Обозначает сопротивление магнитному потоку или способность проводить магнитные силовые линии в магнитном поле после протекания тока через катушку в пространстве или в пространстве сердечника. Его формула μ = B / H, где H = напряженность магнитного поля, B = сила магнитной индукции, обычно используются символы μ, μ для обозначения проницаемости среды, или абсолютной проницаемости.
Магнитная проницаемость в электронных изделиях на влияние электромагнитных свойств очень важна, в основном в электромагнитной индукции, индуктивности и магнитном замыкании, электромагнитном экранировании и других аспектах. В процессе электромагнитной индукции магнитная проницаемость определяет способность материала реагировать на изменения магнитного поля, что в свою очередь влияет на величину индуцированного тока.
Выбор материалов с соответствующей проницаемостью может повысить эффективность и производительность таких устройств, как трансформаторы и индукторы. В индукторах материалы с высокой проницаемостью могут улучшить соотношение между индуцированным током в катушке и напряженностью магнитного поля, повышая эффективность и чувствительность устройства. В магнитоудерживающих материалах материалы с более высокой магнитной проницаемостью могут эффективно уменьшить утечку магнитного поля и повысить концентрацию и эффективность магнитного поля.
Кроме того, магнитная проницаемость также играет важную роль в электромагнитном экранировании, и выбор материалов с высокой магнитной проницаемостью может эффективно поглощать, отражать или рассеивать энергию электромагнитных волн, а также уменьшать помехи и повреждения от электромагнитного излучения на электронное оборудование, оборудование связи и аэрокосмическое оборудование. Поэтому магнитная проницаемость играет важнейшую роль в оптимизации электромагнитных характеристик электронных изделий, повышении эффективности работы оборудования и снижении электромагнитных помех.
Рис. 7 Магнитная проницаемость
3.2 Плотность магнитного потока насыщения
Плотность магнитного потока насыщения (SMFD) - это предельное значение напряженности магнитной индукции (напряженности магнитного поля) внутри магнитного материала, которое постепенно достигается по мере увеличения напряженности приложенного магнитного поля. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля напряженность магнитного поля внутри материала больше не увеличивается, и это предельное значение является плотностью магнитного потока насыщения материала. Короче говоря, магнитная индукция насыщения - это максимальная напряженность магнитного поля, которую может выдержать материал. Сила магнитной индукции насыщения оказывает важное влияние на применение, которое выражается в нескольких аспектах.
Прежде всего, сила магнитной индукции насыщения материала определяет максимальную магнитную энергию, которую он может накопить в сильном магнитном поле, за пределами которого материал не способен к дальнейшему усилению своих магнитных свойств, что имеет решающее значение для разработки высокоэффективных магнитных компонентов (например, индукторов, трансформаторов, постоянных магнитов и т.д.). Материалы с высокой силой магнитной индукции насыщения могут работать при более высоких напряженностях магнитного поля, обеспечивая больший магнитный поток для мощных и высокоэффективных устройств.
Во-вторых, в таких магнитных компонентах, как индукторы и трансформаторы, высокая сила магнитной индукции насыщения означает, что в одном и том же объеме можно хранить больше магнитной энергии, что позволяет создавать миниатюрные конструкции. Например, использование материалов с высокой силой магнитной индукции насыщения в трансформаторах позволяет уменьшить размер сердечника и снизить вес устройства при сохранении высокой производительности и эффективности.
Кроме того, различные области применения предъявляют разные требования к силе магнитной индукции насыщения, и в высокочастотном электронном оборудовании, обработке сигналов и мощном электрооборудовании выбор материалов с высокой силой магнитной индукции насыщения может эффективно повысить производительность системы. В силовых трансформаторах эта характеристика может увеличить плотность магнитного потока, уменьшить потери в сердечнике и тем самым повысить эффективность трансформатора.
Наконец, магнитная индукция насыщения также зависит от температуры, причем у большинства материалов магнитная индукция насыщения уменьшается при повышении температуры, что особенно важно для применения в высокотемпературных рабочих средах, особенно в автомобильной электронике, аэрокосмической промышленности и энергетическом оборудовании, где очень важно выбирать материалы, сохраняющие высокую магнитную индукцию насыщения при высоких температурах.
Рис. 8 Плотность магнитного потока насыщения
3.3 Коэрцитивная сила
Коэрцитивная сила является одним из важных свойств магнитных материалов и обозначает способность материала сохранять свои магнитные свойства после снятия магнитного поля, или минимальную напряженность внешнего магнитного поля, необходимую для изменения направления намагниченности материала. Она отражает способность материала сопротивляться изменению направления намагниченности и поэтому имеет решающее значение для характеристик постоянных магнитов. Влияние коэрцитивной силы на постоянные магниты в основном отражается на магнитной стабильности, устойчивости к размагничиванию, соотношении напряженности магнитного поля и объема, а также на выборе применения. Более высокая коэрцитивная сила означает, что материал может сохранять сильные магнитные свойства даже под воздействием внешнего магнитного поля или изменения температуры в течение более длительного периода времени, что очень важно для приложений, требующих долгосрочной стабильности, таких как электродвигатели, генераторы и датчики.
Кроме того, чем выше коэрцитивная сила, тем сильнее способность материала к размагничиванию, даже при высоких температурах или сильных внешних магнитных полях и других жестких условиях, материал не легко теряет свои магнитные свойства, поэтому производительность постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой в сложных условиях эксплуатации является более превосходной, широко используется в автомобильной, аэрокосмической и других областях. Постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой могут создавать более сильные магнитные поля в меньшем объеме, что особенно важно для миниатюрного оборудования, точных приборов и мобильных устройств. Например, в миниатюрных двигателях, датчиках и высокоэффективных магнитных приводах постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой могут обеспечить достаточную магнитную силу для повышения эффективности и производительности оборудования. Требования к коэрцитивности варьируются в зависимости от области применения: материалы с высокой коэрцитивностью часто выбирают для приложений, требующих сильных и стабильных магнитных полей, таких как электродвигатели, генераторы с постоянными магнитами и магнитные приводы, в то время как материалы с более низкой коэрцитивностью достаточно для приложений, не требующих сильных магнитных полей, что позволяет снизить затраты.
4 Магнитные материалы в электронных устройствах
Магнитные материалы играют важнейшую роль в различных электронных устройствах, включая источники питания, трансформаторы, системы хранения данных, двигатели, датчики и устройства беспроводной связи, благодаря своей способности взаимодействовать с магнитными полями и облегчать преобразование энергии, хранение данных и передачу сигналов.
4.1 Источники питания и трансформаторы
В источниках питания и трансформаторах магнитные материалы необходимы для преобразования и регулирования напряжения. Например, в трансформаторах используются магнитные сердечники из мягких магнитных материалов, таких как кремниевая сталь или феррит. Эти материалы повышают эффективность электромагнитной индукции, позволяя трансформатору эффективно повышать или понижать напряжение. Магнитные свойства позволяют передавать электрическую энергию от одной катушки к другой без прямого электрического контакта, что делает трансформаторы незаменимыми в системах распределения электроэнергии, где они преобразуют высоковольтное электричество для безопасного использования в домах и на производстве.
4.2 Хранение данных
Магнитные материалы также играют важную роль в системах хранения данных, особенно в жестких дисках (HDD) и магнитных лентах. В жестких дисках для хранения цифровой информации используются тонкие слои магнитного материала. Головки чтения/записи диска изменяют магнитное выравнивание на поверхности диска, позволяя записывать или извлекать данные. Магнитные ленты, обычно используемые для резервного хранения данных, также используют аналогичные принципы для хранения данных в магнитном поле, что позволяет сохранять их в течение длительного времени.
4.3 Двигатели и датчики
В двигателях и датчиках магнитные материалы способствуют преобразованию электрической энергии в механическую и наоборот. Например, постоянные магниты и электромагниты используются в конструкции электродвигателей, в том числе бесщеточных, которые широко применяются в различных областях - от автомобилестроения до робототехники. Датчики, такие как датчики тока, используют магнитные материалы для обнаружения и измерения магнитных полей, создаваемых электрическими токами, обеспечивая критически важную обратную связь в системах управления.
Рис. 9 Магнитные датчики
Магнитные материалы играют не менее важную роль в технологиях беспроводной связи. В беспроводных устройствах такие компоненты, как антенны, модуляторы, демодуляторы и радиочастотные (РЧ) компоненты, полагаются на магнитные материалы для оптимизации передачи и приема сигнала. Эти материалы помогают фокусировать и направлять электромагнитные волны, улучшая работу систем связи, таких как мобильные телефоны, Wi-Fi роутеры и спутниковая связь.
5 Заключение
Магнитные материалы необходимы в широком спектре электронных устройств, играя ключевую роль в преобразовании энергии, хранении данных, управлении движением и передаче сигналов. В источниках питания и трансформаторах они обеспечивают эффективное регулирование напряжения, а в системах хранения данных, таких как жесткие диски и магнитные ленты, они способствуют надежной записи и извлечению данных. В двигателях и датчиках магнитные материалы являются неотъемлемой частью преобразования энергии и точных измерений, обеспечивая работу всего - от электромобилей до промышленных роботов. Кроме того, магнитные компоненты в устройствах беспроводной связи улучшают работу антенн и радиочастотных компонентов, обеспечивая оптимальную передачу и прием сигнала. В целом, магнитные материалы являются основой функциональности и производительности современной электроники.
Stanford Advanced Materials (SAM) является ключевым поставщиком высококачественных магнитных материалов, обеспечивая эти критически важные приложения надежными материальными решениями.
Читать далее:
Основные электронные материалы: Часть 1 - Кремний
Основные электронные материалы: Часть 2 - Карбид кремния
Основные электронные материалы: Часть 3 - Германий
Основные электронные материалы: Часть 4 - Соединения галлия
Основные электронные материалы: Часть 5 - Материалы на основе углерода
Основные электронные материалы: Часть 6 - Проводящие и изолирующие материалы
