Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления работ в области исследования аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов и создание на их основе новых систем электромагнитной совместимости 14
1.1. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы 14
1.2. Приборное и методическое обеспечение исследований структуры нанокристаллическнх материалов 23
1.3. Нормативные документы, регламентирующие защиту от электромагнитного излучения. Электромагнитная совместимость. 27
1.4. Радиопоглощающие материалы 28
1.5. Материалы для экранирования магнитных полей промышленной частоты 33
1.6. Постановка задачи исследования 37
Глава 2. Материалы и методы исследования 39
2.1. Материалы 40
2.2. Разработка метода контроля лент аморфных сплавов на основе системы плоских катушек 40
2.3. Разработка метода выходного контроля экранирующих материалов в катушке поля 44
2.4. Метод ятомно-силовой микроскопии 46
2.5. Метод универсальной дезинтеграторно-активаторной обработки для получения порошков 47
Глава 3. Исследование нанокристаллических сплавов для получения радиопоглоцдающих материалов в диапазоне частот 100 —10000 МГЦ 50
3.1. Морфологический анализ порошков, полученных методом УДА обработки лент нанокристалличских сплавов 51
3.2. Кинетика кристаллизации лент и порошков нанокристаллических сплавов 59
3.2.1. Рентгеновский метод 60
3.2.2. Атомно-силовая микроскопия 73
3.3. Влияние структуры порошков на свойства композиционных материалов 79
3.3.1. Магнитные свойства 79
3.3.2. Диэлектрические свойства 93
3.4. Влияние дисперсности порошка и его структуры на радиологлощающие характеристики 98
Глава 4. Исследование аморфных сплавов для получения защитных материалов от магнитных полей промышленной частоты (50 ГЦ) 110
4.1. Эффективность экранировании лент аморфных сплавов в состоянии поставки 111
4.2. Влияние термообработки на экранирующие свойства и структуру лент аморфных сплавов 118
43. Разработка конструкции магнитного экрана 122
А.Ц. Зависимость эффективности экранирования от режимов термообработки аморфных сплавов 124
Глава 5. Разработка технологии получения композиционных материалов из аморфных и нанокристаллических сплавов для защиты от магнитных и электромагнитных полей 134
5.1. Радиологлощающие материалы для защиты от электромагнитных полей 134
5.2 Экраны для защиты от статических и переменных магнитных нолей 139
Выводы 149
Список литературы 153
Приложения 161
- Приборное и методическое обеспечение исследований структуры нанокристаллическнх материалов
- Разработка метода выходного контроля экранирующих материалов в катушке поля
- Кинетика кристаллизации лент и порошков нанокристаллических сплавов
- Влияние термообработки на экранирующие свойства и структуру лент аморфных сплавов
Введение к работе
Разработка новых материалов и технологий их получения является объективной необходимостью технического и социального развития общества. Без них невозможно представить существенные достижения ни в одном из важных направлений науки и техники. Традиционные кристаллические материалы к настоящему времени практически достигли предела своих физико-механических и эксплуатационных свойств. Поэтому в последние годы отмечается быстрый рост научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу материалов с аморфной и нанокристаллической структурой. Для развития работ в этом направлении в настоящее время Президентом РФ утверждено приоритетное направление развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Индустрия наносистем и материалы» и соответствующая критическая технология «Нанотехнологии и наноматериалы». Реализация разработок этого направления открывает реальные перспективы создания новых видов конкурентоспособной продукции гражданского и двойного применений.
Одной из важнейших проблем является разработка новых более эффективных систем защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона и магнитных полей промышленной частоты, удовлетворяющих современным требованиям директивы совета Европы №89/336 и российских СанПиН и ГОСТов по электромагнитной совместимости (ЭМС) [1]. Без выполнения этих требований невозможна сертификация и соответствующая реализация целого ряда изделий.
Применение защитных материалов и покрытий с целью снижения взаимного влияния радиокомпонентов, улучшения электромагнитной совместимости различных систем, а также экологических условий окружающей среды [2] является важнейшим направлением развития техники на современном этапе.
Для создания систем электромагнитной защиты наиболее распространенными материалами являются ферриты и кристаллические сплавы на основе железа (пермаллои, альсиферы). Анализ современных тенденций показывает, что по совокупности магнитных свойств имеется реальная перспектива замены этих материалов аморфными и нанокристаллическими магнитомягкими сплавами.
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию структуры и магнитных свойств аморфных и нанокристалличекских сплавов, в
5 литературе отсутствуют четкие рекомендации по их использованию в системах электромагнитной защиты. Это связано, в первую очередь, с тем, что недостаточно изучены зависимости эффективности защиты от магнитных и структурных характеристик аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов. Недостаточно ясными являются также режимы оптимизации свойств аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов и технологические режимы получения на их основе систем электромагнитной защиты для каждого конкретного случая применения. Существенным является и отсутствие простых измерительных систем, позволяющих эффективно оценивать возможность применения аморфных и нанокристаллических сплавов в системах электромагнитной защиты.
Все это сдерживает создание, широкое внедрение и коммерциализацию эффективных систем электромагнитной защиты.
Кроме этого, недостаточно изучены физико-химические и технологические особенности аморфных магнитомягких материалов при создании систем электромагнитной защиты. Существует возможность оптимизации свойств магнитомягких материалов и технологических режимов получения систем электромагнитной защиты для каждого конкретного случая применения.
Практика показывает, что для изготовления защитного материала необходимо проводить работы, как по оптимизации свойств его компонентов, так и по оптимизации конструкции. При этом считается, что в готовом материале 60% свойств обеспечивается характеристиками компонентов, а 40% — конструкцией.
В работе проводится как оптимизация магнитных свойств аморфных и нанокристаллических материалов, так и конструкций систем электромагнитной защиты.
Цель настоящей работы заключается в создании на основе аморфных (Co-Fe-Ni-Si-B) и нанокристаллических (Fe-Cu-Nb-Si-B) магнитомягких сплавов эффективных систем защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона и магнитных полей промышленной частоты.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
В части создания систем защиты от электромагнитных полей частотой 100 -10000 МГц:
Определение основных характеристик материала, влияющих на эффективность защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона.
Выявление закономерностей изменения структуры нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР при различных режимах термической обработки.
Разработка новых методов выявления и идентификации нанокристаллов в аморфной матрице при низкотемпературной обработке.
Изучение влияния фракционного состава, объемного содержания и нанокристаллической структуры порошка-наполнителя в магнитодиэлектрическом композите на высокочастотные магнитные и диэлектрические свойства.
Разработка конструкции и способа получения эффективной системы защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона.
В части создания систем защиты от магнитных полей промышленной частоты 50 Гц:
Определение основных магнитных характеристик материала, влияющих на эффективность защиты от магнитных полей промышленной частоты.
Разработка систем входного и выходного контроля экранирующих свойств аморфных сплавов.
Выявление закономерностей изменения структуры аморфных сплавов АМАГ-172 и 71КНСР при термической обработке и влияние этих изменений на их экранирующие характеристики.
Разработка конструкции и способа получения эффективной системы защиты от магнитных полей промышленной частоты.
Научная новизна данной диссертационной работы состоит в следующем:
1. Установлены основные характеристики нанокристаллических и аморфных магнитомягких материалов, определяющие эффективность защиты от электромагнитных полей и магнитных полей промышленной частоты.
2. Разработан новый метод на основе атомно-силовой микроскопии, позволяющий выявлять и идентифицировать нанокристаллы в аморфных сплавах.
Установлено влияние фракционного состава, режимов термообработки и объемного содержания порошков на магаитные и диэлектрические свойства магнито диэлектрических композитов. Предложена модель нанокристаллической структуры порошкового материала.
Установлены связи между размером и объемным содержанием нанокристаллов в аморфной матрице порошка-наполнителя и высокочастотными магнитными свойствами магнитодиэлектрических композитов.
Разработана конструкция и способ получения системы защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона.
Разработана система входного и выходного контроля экранирующих свойств аморфных сплавов на основе плоских катушек и катушки поля.
Определены связи статических магнитных и экранирующих свойств аморфных магнитомягких сплавов в исходном и термообработанном состоянии.
Определены основные закономерности изменения структуры аморфных магнитомягких сплавов при термообработке и их связь с экранирующими свойствами.
Разработана конструкция и способ получения магнитного экрана.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее научные результаты позволили:
Изготовить радиопоглощающие покрытия с уровнем отражения минус 10 дБ и менее в диапазоне частот от 700 до 4000 МГц.
Разработать, провести комплексные испытания и изготовить опытную» партию комплектов одежды для защиты сварщиков и обслуживающего.: персонала от статических и переменных магнитных полей частотой 50 Гц; ir напряженностью до 1000 А/м с уровнем экранирования не менее 20.
Разработать конструкцию, изготовить и испытать опытный образец экрана силового кабеля для снижения магнитных полей частотой 50 Гц и напряженностью до 120 А/м с уровнем экранирования до 500 раз.
Разработать конструкции экранов магнитных полей для защиты чувствительных элементов навигационных комплексов в полях до 400 А/м с уровнем экранирования 10 - 15.
Полученные результаты могут быть использованы также для:
5. Оптимизации режимов получения лент аморфных сплавов на основе Co-Fe-Ni-Si-B и Fe-Cu-Nb-Si-B в условиях промышленного производства и разработки технологии изготовления защитных материалов на их основе.
6. Выбора режимов получения магнитодиэлектрических композитов с высокими высокочастотными магнитными свойствами для разработки новых многослойных конструкций радиопоглощающих материалов эффективных в диапазоне частот 30 — 10000 МГц,
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Переход из аморфного состояния в нанокристаллическое приводит к увеличению магнитной проницаемости магнитодиэлектрических композитов в 1,5-2 раза в диапазоне частот 100 - 1000 МГц. Высокочастотные магнитные свойства магнитодиэлектрических композитов определяются размером и объемным содержанием нанокристаллов a-(Fe, Si) в аморфной матрице сплава Fe-Cu-Nb-Si-B (АМАГ-200 и 5БДСР) при условии постоянства объемного содержания порошка-наполнителя в композите. Достижение высоких магнитных свойств в аморфной матрице обеспечивается при концентрации
0,9-1,6-10*51/нм3 наночастиц на единицу объема.
2. Модель нанокристаллической структуры порошков сплавов АМАГ-200 и 5БДСР, основанная на градиентном распределении размеров нанокристаллов по объему. Поверхностные слои порошка содержат нанокристаллы больших размеров, чем внутренние слои, а их объемное содержание меньше, чем во внутренних слоях.
3. Эффективность экранирования магнитного поля определяется величиной начальной магнитной проницаемости аморфных сплавов на основе кобальта. Коэффициент экранирования более 150 достигается при значении начальной магнитной проницаемости не менее 10000, что обеспечивается сплавом АМАГ-172 при термической обработке 400 С в течение 5 - 10 мин.
4. Новая конструкция и способ получения магнитного экрана из лент аморфных сплавов. Расположение лент внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты и фиксация их относительно друг друга с помощью эластичного материала обеспечивает 100 % сплошность магнитного экрана, чем достигается повышение коэффициента экранирования магнитных полей.
Ниже приводится аннотированное изложение диссертации по главам.
Первая глава посвящена анализу современного состояния разработок и исследований свойств аморфных и нанокристаллических сплавов. Показана перспективность использования сплавов с аморфной и нанокристалличсской структурой для изготовления систем электромагнитной защиты. Определены основные характеристики материалов, влияющие на эффективность систем электромагнитной защиты.
Во второй главе приводятся описания материалов, перспективных для изготовления систем электромагнитной защиты, и методики их исследования. Выбраны ленты аморфных сплавов на основе кобальта: АМАГ-172, АМАГ-170, 84КХСР, 71КНСР и нанокристаллических сплавов на основе железа: АМАГ-200 и 5БДСР, изготовленных на российских предприятиях в условиях промышленного производства.
Разработаны две измерительные системы: на основе плоских катушек для оперативного контроля экранирующих свойств лент аморфных сплавов; на основе катушки поля для контроля экранирующих свойств магнитных экранов из лет-аморфных сплавов. Показана возможность применения метода атомно-сшювой микроскопии для выявления и идентификации нанокристаллов на поверхности аморфных сплавов.
10 Для получения порошков заданного фракционного состава использована ударная дезинтеграторная технология получения порошков из лент аморфных сплавов.
Третья глава посвящена исследованию лент и порошков нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР. Проведен морфологический анализ порошков нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР, полученных методом дезинтеграторно-активаторного размола. Рассмотрены механизмы образования порошков различных фракций. Показано, что при дезинтеграторном размоле уменьшение размеров частиц порошка сопровождается частичным переходом в нанокристаллическое состояние.
Исследованы процессы перехода структуры лент и порошков из аморфной в нанокристаллическую при термообработке с привлечением как традиционного метода рентгеновской дифракции, так и разработанного метода атомпо-силовой микроскопии. Показано, что по сравнению с лентой, которая может рассматриваться в качестве базы сравнения, порошки различных фракционных составов и полученные по различным технологическим режимам кристаллизуются по-разному. Полученные данные объясняются влиянием остаточных напряжений и развитием процессов частичной кристаллизации в порошках.
Изучено влияние фракционного состава порошка-наполнителя на высокочастотные магнитные и диэлектрические свойства магнитодиэлектрических композитов. Показано, что магнитная проницаемость в большей степени определяется нанокристаллической структурой и в меньшей — размером частиц порошка. Диэлектрическая проницаемость в большей степени определяется размером частиц порошка и в меньшей — нанокристаллической структурой. Полученные данные объясняются тем, что магнитные свойства магнитодиэлектрических композитов, в основном, определяются Fie смещением границ доменов, а вращением векторов намагниченности нанокристаллов a-(Fe, Si). Максимальные магнитные свойства достигаются при определенной концентрации нанокристаллов в аморфной матрице.
На основе полученных в процессе исследований данных проведены расчеты коэффициентов отражения исследованных материалов. Для изготовления радиопоглощающего материала с уровнем отражения минус ЮдБ и менее и толщиной 8 мм и менее порошки сплавов необходимо термообрабатывать при температуре 490 С в течение 30 мин. На основе этого режима термообработки изготовлены образцы радиопоглощающих материалов. Способ их изготовления и результаты испытаний описаны в главе 5.
Четвертая глава посвящена исследованию аморфных сплавов на основе кобальта: АМАГ-170, АМАГ-172, 84КХСР, 71КНСР.
На основе аморфных сплавов АМАГ-172 и АМАГ-170, принадлежащих различньш режимам получения, показано, что экранирующие свойства лент, определенные в системе плоских катушек, в большей степени определяются начальной магнитной проницаемостью. Достижение коэффициента экранирования более 200 возможно при значениях начальной магнитной проницаемости не ниже 10000.
Серия термообработок в интервале температур 300 - 490 С показала, что для повышения коэффициентов экранирования в 3 и более раз наиболее оптимально термообрабатывать ленты при температуре 400 С в течение 5 — 10 мин. Все образцы термообработанных лент являлись рентгеноаморфными. Это позволило в ходе работы анализировать ширину «гало» и использовать полученные результаты для оценки степени аморфности материала. Показано, что при термообработке при температурах 100 С и 300С в течение 30 - 60 мин приводит к уменьшению ширины «гало», что можно связать с процессами химического и топологического упорядочения в аморфном сплаве. При увеличении температуры термической обработки до 400С и временах выдержки 5 и 10 мин ширина «гало» увеличивается. Это увеличение объясняется тем, что на фоне «гало» появляется сильно размытый пик от нанокристаллической фазы, неопределяемой рентгеновским методом. При дальнейшем увеличении температуры вклад этого пика в «гало» становится больше, а сам пик становится уже, что и приводит к уменьшению ширины «гало». Проведенные исследования подтверждают правильность выбора режима термообработки лент аморфных сплавов для получения на порядок более высоких экранирующих свойств, чем в исходных нетермообработанных лентах.
С учетом того, что ленты сами по себе являются только исходным сырьем для изготовления экранов, рассмотрены существующие конструкции магнитных экранов из лент аморфных сплавов. Определены их преимущества и недостатки.
На основе рассмотренных аналогов и прототипов разработан и запатентован магнитный экран, отличающийся от известных аналогов тем, что аморфные ленты расположены внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты и зафиксированы относительно друг друга с помощью эластичного материала.
Разработанная конструкция экрана является базовой, что позволило провести исследования влияния температуры обработки и количества слоев экрана на экранирующие свойства. Показано, что изготовленные по разработанной конструкции магнитные экраны из лент аморфных сплавов АМАГ-172, 71КНСР, 2НСР, термообработанных по режиму 400 С в течение 10 мин обладают макимальными экранирующими свойствами. Коэффициент экранирования в таких сплавах достигает 100 и более. Наилучшими экранирующими свойствами обладает аморфный сплав на основе кобальта АМАГ-172.
Сочетание экрана из сплава АМАГ-172 с экраном из сплава 2НСР, обладающего высокой индукцией насыщения, позволяет увеличить коэффициент экранирования до 200 и более. Требуемый уровень магнитного поля 0,5 мкТл внутри такого экрана достигается в полях до 100 мкТл, что в 20 раз выше, чем для экрана из сплава Vitrovac 6025.
На основе выбранного режима термообработки и конструкции экрана изготовлены образцы защитных изделий. Способ их изготовления и результаты испытаний описаны в главе 5.
В пятой главе на основе проведенных исследований разработаны технологии получения радиопоглощающих материалов (РПМ) в диапазоне электромагнитных полей и магнитных экранов в диапазоне полей промышленной частоты.
На процесс изготовления РПМ материалов с коэффициентом отражения минус 10 дБ в диапазоне частот 700 - 4000 МГц и толщиной менее 8 мм разработаны технические условия ТУ 38Л405-365-2004 «Пластины резиновые радиопоглощающие «Лист-У-10», «Лист-У-15» и «Лист-У-30»».
Пластины «Лист-У-10» изготовлены из порошка фракцией менее 50 мкм, полученного из исходной ленты, имеют толщину 4 мм и уровень отражения минус
13 10 дБ и менее в диапазоне частот 2-4 ГГц. Пластины «Лист-У-15» изготовлены из порошка фракцией менее 50 мкм, полученного из термообработанной ленты, имеют толщину 6 мм и уровень отражения минус 10 дБ и менее в диапазоне частот 1,2 - 2,3 ГГц. Пластины «Лист-У-30» изготовлены из порошка фракцией от 100 до 50 мкм, полученного из исходной ленты, имеют толщину 8 мм и уровень отражения минус 10 дБ и менее в диапазоне частот 0,7 - 1,5 ГГц.
Разработан и запатентован способ получения магнитных экранов из лент аморфных сплавов.
Разработанные конструкции магнитных экранов от постоянных и переменных магнитных полей частотой 50 Гц использованы при изготовлении защитной одежды и в силовых кабелях. Испытания показали, что при экранировании изготовленной защитной одеждой магнитного поля индукцией 1000 мкТл, создаваемого работающим сварочным аппаратом, удается добиться снижения магнитного поля более чем в 10 раз и тем самым существенно уменьшить вредное влияние магнитного поля на тело человека. Использование разработанных экранов при экранировании магнитных полей силовых кабелей позволяет добиться снижения поля индукцией 100 мкТл до 500 раз и тем самым уменьшить расстояние до кабеля, при котором возможно нахождение обслуживающего персонала и чувствительного электронного оборудования.
Приборное и методическое обеспечение исследований структуры нанокристаллическнх материалов
В настоящее время имеется ряд общепринятых методик аттестации материалов, накоплен богатый опыт применения разных методов исследования их характеристик, определена точность и исследованы ошибки получаемых этими методами результатов измерений. Основными методами исследования материалов данного класса до сих пор остаются просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и методы рентгеновской дифракции.
Рентгеновский дифракционный анализ субмикрокристаллических материалов был разработан в 50 -х годах прошлого столетия [27]. В настоящее время основные возможности этого метода, определение размеров областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей и среднеквадратичных смещений атомов от узла решетки из анализа физического уширения дифракционных линий рентгеновского спектра, остаются неизменными. Однако, следует указать, что применение этих методов в исследованиях наноструктурных материалов вызвало дополнительное их развитие: усовершенствованы методы расчета и измерений [33, 34, 35, 36], созданы программы для компьютерной обработки результатов эксперимента [37].
Менее статистическим, но также широко применяемым для аттестации структуры нанокристаллических материалов, является метод просвечивающей электронной микроскопии. В последнее время метод просвечивающей микроскопии высокого разрешения используется для исследования строения объема и границ нанозерен [27].
К основным недостаткам метода просвечивающей микроскопии относятся: сложность изготовления образцов фольги, быстрое окисление их поверхности, возможность локального разогрева фольги и, как следствие, существенное локальное изменение структуры [41]. Кроме этого, так как кристаллизация исследуется в фольге толщиной, сравнимой с размером нанокристаллов, а не во всем объеме нанокристаллического материала (рис. 1.6 а), то возникает вопрос об однозначной интерпретации полученных данных о структуре.
Рентгеновские методы определения размеров областей когерентного рассеяния (ОКР), которые и считаются размерами нанокристаллов, обладают большой трудоемкостью, так как в формулы для расчета размера ОКР и их объемного содержания входит параметр уширения (т), связанный с микронапряжениями в нанокристаллах (рис. 1.6 б). В связи с этим необходимо проводить вычисления по разделению этих составляющих. Кроме того, данный метод в зависимости от типа рентгеновского излучения дает данные с глубины до 20 мкм и не позволяет напрямую вычислять распределение нанозерен по размерам
Следует также отметить, что получаемые с помощью этих методов данные не позволяют одновременно сопоставить структуру материала с его физико-механическими свойствами (магнитный момент, проводимость, модуль упругости, твердость). Все это сдерживает дальнейшее развитие в области понимания связей наноструктуры с макро физико-механическими свойствами. Для этого необходимо разрабатывать новые более чувствительные и универсальные приборы и методы.
На сегодняшний момент интенсивно развиваются новые методы исследования наноматериалов, к которым относятся методы сканирующей зондовой микроскопии [38, 39]. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. Сегодня практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонко пленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии — технологии создания структур с нанометровыми масштабами.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), первый из семейства зондовых микроскопов, был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомарного. Настоящее признание данная методика получила после визуализации атомарной структуры поверхности ряда материалов и, в частности, реконструированной поверхности кремния. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.
Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой микроскоп (ЭСМ), ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами [38].
Одним из наиболее перспективных методов исследования является АСМ, позволяющий контролировать различные характеристики поверхности, такие как ее рельеф, различные механические свойства материала, включая модуль упругости и твердость. Основным рабочим элементом АСМ является кантидлевер - тонкая игла, прикрепленная к резонатору, имеющему определенную резонансную частоту и добротность (рис. 1.7). При приближении к поверхности и возникновении контакта между поверхностью и кантиллевером происходит изменение амплитуды, частоты и фазы колебаний. Регистрируя эти данные и проводя их обработку можно получить картину рельефа поверхности [40, 41] или карту распределения модуля упругости по сканируемой поверхности (рис. 1.8) [42]. Так как нанокристаллические материалы являются двухфазными материалами, то представляется реальным различить нанокристаллическую фазу в оставшейся аморфной.
На сегодняшний день зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся область техники и прикладных научных исследований. Использование АСМ для получения картин рельефа поверхности и распределения модуля Юнга на сканируемой поверхности является одним из перспективных методов исследования нанокристаллических магнитомягких материалов.
Необходимость обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий, аппаратуры и оборудования (технических средств) обусловлена тем, что техническим средствам присущи, за редким исключением, свойства электромагнитной эмиссии и электромагнитной восприимчивости. Электромагнитная эмиссия от технических средств приводит к загрязнению окружающей среды излучаемыми и кондуктивными помехами, способными нарушить нормальное функционирование технических средств и неблагоприятно повлиять на биологические объекты. Нарушения функционирования технических средств, возникающие вследствие их электромагнитной восприимчивости, могут причинить вред здоровью людей, имуществу физических и юридических лиц, окружающей природной среде и быть опасными для жизни людей [1].
Для урегулирования вопросов в области ЭМС Советом Европы в 1989 году выпущена Директива №89/336 . Следующие редакции №91/263 и №92/31 выпущены в 91 и 92 гг. соответственно. По данным [1] в рамках Директивы под ЭМС понимается — способность устройства, отдельного блока оборудования или системы в целом, функционировать удовлетворительно в их электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех чему-либо в этой обстановке.
Разработка метода выходного контроля экранирующих материалов в катушке поля
Для проведения измерений была создана измерительная система на основе катушки поля, представленная на рис. 2.3. Переменное магнитное поле частотой 50 Гц в катушке поля создается с помощью имитатора магнитного поля ИМППЧ-300. Величина поля в центре катушки контролируется датчиком поля Нева-04. Катушка поля имеет следующие характеристики: диаметр — 90 см, высота — 15 см. Для того, чтобы испытуемый цилиндрический экран находился в однородном магнитном поле катушки, его диаметр должен быть не более 12 см. Для проведения испытаний по эффективности экранирования, как и для системы плоских катушек, была построена градуировочная зависимость величины поля в центре катушки в отсутствии цилиндрического экрана (рис. 2.4). Градуировочная зависимость линейна в рассматриваемом диапазоне значений напряженности поля, а коэффициент связи показаний обеих приборов равен —1,20, что меньше на 5 % для соотношения между напряженностью и индукцией магнитного поля в вакууме (1,26). Исходя из того, что величина достоверности аппроксимации (R2) составляет 0,99, это различие может быть объяснено погрешностью измерительных приборов Нева-04 и ИМППЧ-300. После этого проводились измерения сигнала датчика поля, помещенного внутрь цилиндрического экрана. Степень ослабления магнитного поля рассчитывалась по формуле: где Ввых (без экрана) — индукция поля в центре катушки без экрана (мкТл), Ввых (с экраном) — индукция поля в центре катушки с экраном (мкТл). По полученным данным строятся зависимости Кэ от величины индукции внешнего магнитного поля в катушке. На разработанную систему выходного контроля экранирующих материалов получен аттестат №432-4297-03 в ФГУ «Тест-С.-Петербург».
Для выявления и идентификации нанокристаллических объектов в аморфной матрице используется атомно-силовой микроскоп (АСМ) «Наноскан» [42], "который предназначен для изучения морфологии и свойств поверхностей твердых тел с субмикронным и панометровым разрешением. Чувствительным элементом прибора является пьезорезонанспый зонд с высокой изгибной жесткостью консоли и закрепленной на его свободном конце острой иглой. Зонд колеблется в направлении нормали к поверхности образца с резонансной частотой. Использование режима резонансных колебаний позволяет осуществлять контроль контакта острия зонда с поверхностью по двум параметрам: амплитуде и частоте колебаний зонда. По изменению амплитуды и частоты колебаний зонда АСМ «Наноскан» осуществляет построение карт рельефа поверхности и карт модуля упругости по сканируемой поверхности. Разрешающая способность АСМ при измерении рельефа в направлении нормали (Z) к поверхности образца 1нм, в латеральной плоскости (XY) - 10 нм. Высокая изгибная жесткость консоли зонда позволяет также проводить индентирование и склерометрию поверхности. Диапазон измеряемых значений твердости до 350 ГПа.
Максимальный размер области сканирования 8мкм х 8мкм и высотой 5мкм. Размеры исследуемых образцов — диаметр до 100 мм и масса до 100 г. Изготовление образцов проводится следующим образом. Вначале из лент нанокристаллических магнитомягких сплавов вырезаются пробы размером до 1см в длину и фиксируются с помощью молекулярного клея на предварительно изготовленной жесткой подложке толщиной от 2мм до 5 мм. Затем из полученного образца изготавливается шлиф методом механического полирования. Режимы полирования указаны в табл. 2.2. Шлифы, изготовленные по указанным выше режимам полировки, имеют высоту рельефа на площади 1 мкм х 1 мкм не более 6 нм. При этом с поверхности ленты снимается слой толщиной до 1 мкм. Получаемые картины распределения модуля Юнга (рис. 2.5) показывают возможность использования данного метода для исследования процессов образования и роста нанокристаллов в аморфной матрице. Это позволяет использовать его для построения зависимости магнитных свойств материала от размера и объемного содержания нанокристаллов в аморфной матрице. Выбор способа получения порошка из аморфной ленты является одним из ключевых моментов в создании защитного материала. Это связано с тем, что в исходном состоянии прочностные свойства аморфных сплавов достаточно высокие. Например, модуль Юнга (Е) для сплава FegoPnCy Е=121 ГПа [64], FegoB2o - Е=170ГПа [65], Fe73 5Cu,Nb3Si13,5B9 Е=180ГПа [19]. Предел прочности и пластичности для сплава Fe73s5CuiNb3Sii3,5B9 - as=2000 МПа, aB=2100 МПа; для сплава Fe5Co7oSii5Bio - aB=1880 МПа [19]. В реальной практике считается, что для измельчения аморфного материала необходимо воздействие с ускорением более g. Единственным методом, позволяющим получать порошок из аморфной ленты, является дезинтеграторно-активаторный размол, обеспечивающий требуемые ускорения измельчаемого материала. Другим важным преимуществом дезинтегратороного размола является то, что может быть получен как крупный порошок размером 100-200 мкм и более, так и мелкий размером 50 мкм и менее.
Кинетика кристаллизации лент и порошков нанокристаллических сплавов
Перспектива использования нанокристаллических материалов при создании защитных материалов на частоты более 1 МГц заключается в том, что при этих частотах магнитные свойства ферромагнетиков, в основном, определяются не смещением границ доменов, а вращением векторов намагниченности. Так как нанокристаллические ферромагнитные материалы представляют собой набор нанокристаллических частиц o (Fe, Si), находящихся в суперпарамагнитном состоянии и расположенных в остаточной аморфной матрице, то магнитные свойства на высоких частотах должны определяться вращением векторов намагниченности нанокристаллов. С учетом этого были поставлены эксперименты, направленные на выяснение роли дисперсности и способа получения порошка на процессы его нанокристаллизации в процессе термообработки. Как отмечено ранее (см. главу 1), новый класс нанокристаллических магнитомягких сплавов системы FeCuNbSiB получается кристаллизацией из аморфного состояния [11]. При этом процесс кристаллизации протекает в две стадии. На первой стадии при температурах 500 — 530 С происходит образование и рост нанокристаллов cc-(Fe, Si). На второй стадии при температурах 600 — 650 С происходит образование соединений Fe2B, Fe3B, (Fe,Nb)2B и FeNbB, которые являются немагнитными, и их влияние на высокочастотные магнитные свойства вероятнее всего является несущественным. С другой стороны, имеются работы [13,69,72], указывающие на то, что процесс образования нанокристаллов может происходить и при более низких температурах 400 — 430 С. При этом в работе [69] авторами отмечается, что по сравнению с исходным аморфным состоянием при температурах выше 430 С происходит резкое изменение магнитных свойств сплава системы FeCuNbSiB: уменьшается коэрцитивная сила (Не) и константа магнитострикции (Xs), повышается магнитная проницаемость (и.). Незначительное изменение этих параметров при температурах ниже 430 С авторами связывается с процессами релаксации закалочных напряжений.
Поэтому минимальной температурой обработки выбрана температура 430 С. Верхний температурный предел, при котором имеет смысл исследовать кристаллизационные процессы, не должен превышать 600 С. Для проведения исследования были выбраны два типа нанокристалличеекгх сплавов, промышленно выпускаемых в нашей стране: АМАГ-200 и 5БДСР, составы которых представлены в табл. 2.1 (глава 2). Исследования структуры указанных сплавов проводились как с помощью традиционного метода рентгеновской дифракции, так и с помощью метода, основанного на атомно силовой микроскопии (АСМ). Ниже представлены результаты, полученные с помощью этих методов исследования. Проведено их сравнение, обсуждены основные достоинства и недостатки. 3.2.1, Рентгеновский метод Для исследования процессов нанокристаллизации, а именно, изменения размеров нанокристаллов и их объемного содержания в аморфной матрице, в исследуемых сплавах на основе железа были выбраны 2 дифракционных пика от плоскостей одного семейства, отличающихся порядком отражения - [110] и [220] с межплоскостными расстояниями 2,0268 и 1,0134А, соответственно. Анализ проводился на дифрактометре ДРОН-2.0 в СоКа характеристическом излучении. Образцы сплавов АМАГ-200 и 5БДСР исследовались в виде ленты и порошка после различных видов термической обработки. В табл. 3.1 приведено описание исследованных образцов и результаты расчетов. Приняты следующие условные обозначения: с — деформация решетки в нанокристаллах; D - средний размер нанокристаллов; V — объемное содержание нанокристаллов ct-(Fe, Si) в аморфной матрице; С — концентрация нанокристаллов в единице объема, вычисляемая а — параметр решетки нанокристаллов. Параметр кристаллической решетки определялся по отражению [220] с использованием квадратичной формулы: Погрешность определения параметра решетки, определенная для кремниевого эталона, не превышает 0,001 А. Экспериментально определенное по линии [220] о значение параметра для эталона аэт=2,8687А (табличные данные для чистого ОЦК железа 2,8667 А), а параметры ячейки исследуемого сплава для материалов, терм обработанных по разным режимам, приблизительно равны а =(2,8400±0,0005)А. Во всех исследованных сплавах деформация решетки є находится в интервале от 0,15% до 0,24%. Эту величину можно считать существенной и говорить о достаточно высоком уровне остаточных внутренних напряжений, которые существуют в сплаве даже после термической обработки. Оценить уровень напряжений, возникающих в исследованных сплавах можно, если задаться некоторым значением модуля Юнга (Е). По литературным данным [27] для сплавов. системы FeCuNbSiB модуль Юнга равен ІбОГПа. Расчеты показывают, что уровень микронапряжений в ленте или порошке после термообработки примерно-одинаковый 180 - 190МПа. В порошках, которые не подвергались отжигу после" дезинтеграторной обработки, наблюдается повышение уровня микронапряжений. .. практически в два раза до 364 - 392 МПа, Эта разница может быть объяснена напряжениями, возникающими при соударении частиц в процессе размола. При этом следует отметить и несколько большие напряжения для более мелкой фракции порошка. В настоящее время однозначно ответить на вопрос о влиянии внутренних напряжений на магнитные свойства пока трудно. С целью более подробного изучения этого вопроса необходимо провести исследования и при других временах термообработки, что является задачей отдельного и самостоятельного исследования. Однако, увеличение времени термообработки возможно приведет к росту крупных кристаллов на поверхности порошков и снижению магнитных свойств. Поэтому данный параметр в настоящей работе не рассматривался. Средние размеры нанокристаллов D (размеры областей когерентного рассеяния) находятся в интервале от 28 до 37 им и достоверно определяются при температурах обработки 490 С и более. Сравнение с литературными данными для данной группы сплавов показывает несколько завышенные значения размеров нанокристаллов для исследованных материалов. В работах [12, 70] показано, что при кристаллизации аморфного сплава Fe-Cu-Nb-Si-B при 400-600 С получен сплав с нанокристаллической структурой. В этом сплаве в аморфной матрице равномерно распределены зерна ОЦК фазы a-(Fe, Si) размером 10 — 20 нм.
Влияние термообработки на экранирующие свойства и структуру лент аморфных сплавов
Перед проведением термообработок необходимо, прежде всего, определить наиболее оптимальные интервалы температур и времен изотермической выдержки. На основе проведенного в главе 1 анализа литературных данных наиболее оптимально проводить термообработку при температурах 400 - 450 С и временах изотермической выдержки от 5 до 60 мин.
Для проведения исследований был выбран сплав 71КНСР, разработанный в ЦНИИЧермет, технология получения которого представляется наиболее отработанной. Была проведена серия термообработок, которая показала, что наибольший коэффициент экранирования имеют образцы, прошедшие термообработку при температуре 400 С и временах изотермической выдержки 5 -10 мин (рис. 4.4).
Полученные данные позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, с помощью разработанного метода была выбрана оптимальная температура обработки лент аморфных сплавов: 400 С в течение 5—10 мин. Во-вторых, разработанный метод плоских катушек может быть использован и для оценки экранирующих свойств лент аморфных сплавов после их термообработки.
Для оценки изменения структуры аморфных сплавов представляет интерес провести рентгеноструктурные исследования. Это позволит дополнительно уточнить температуру и время изотермической выдержки, при которых достигаются максимальные экранирующие свойства.
Как отмечено в начале главы, обработка аморфных сплавов при температурах выше 350 С приводит к образованию в аморфной матрице нанокристаллов є-Со. Присутствие в аморфной матрице кобальтового сплава нанокристаллических выделений є-Со может быть надежно зафиксировано с помощью просвечивающей микроскопии. Однако, этот метод достаточно трудоемок. В то же время, если в аморфном материале происходят структурные изменения, то они могут быть зафиксированы более простым методом рентгеновского рассеяния по изменению параметров «гало», которым описывается аморфное состояние.
Все образцы, результаты исследования которых приведены в данном разделе, являлись рентгеноаморфными. Это позволило в ходе работы анализировать ширину «гало» и использовать полученные результаты для оценки степени аморфности материала. Зависимости ширины «гало» от термической обработки ленты приведены на рис. 4.5, который показывает, что при термообработке при температурах 100 С и 300С в течение 30 - 60 мин ширина «гало» несколько уменьшается, что можно связать с процессами упорядочения в аморфном сплаве. При увеличении температуры термической обработки до 400С и временах выдержки 5 и 10 мин ширина «гало» увеличивается. Это увеличение можно объяснить, если предположить, что на фоне «гало» появляется сильно размытый пик от нанокристаллической фазы, не разрешаемый рентгеновским методом. При дальнейшем увеличении температуры вклад этого пика в «гало» становится больше, а сам пик становится уже, что и приводит к уменьшению ширины «гало». Аналогичные зависимости наблюдаются и при исследовании лент сплава АМАГ-172 (рис. 4.5 б).
Основываясь на полученных результатах и, рассматривая ширину «гало», как параметр, характеризующий степень аморфности, можно представить следующий механизм формирования структуры в аморфных сплавах. При температурах до 300 С в аморфных сплавах проходят процессы химического и топологического упорядочения, снятия закалочных напряжений. Соответствующее увеличение «степени порядка» приводит к уменьшению ширины «гало», а, следовательно, и степени аморфности. При повышении температуры до 400 С в аморфном сплаве начинаются процессы зарождения нанокристаллов. Их объемное содержание невелико, поэтому они неразрешимы рентгеновским методом. Однако, их присутствие приводит к увеличению ширины «гало», так как от них имеется вклад в общую ширину «гало». Дальнейшее увеличение температуры до 430 - 490 С приводит к дальнейшему увеличению числа нанокристаллов и их вклад в общую ширину «гало» становится более значительным.
Проведенные исследования подтверждают правильность выбора режима термообработки лент аморфных сплавов для получения на порядок более высоких экранирующих свойств, чем в исходных нетермообработанных лентах. Однако, ленты сами по себе являются только исходным сырьем для изготовления экранов, поэтому необходимо рассмотреть существующие конструкции магнитных экранов из лент, определить их преимущества и недостатки, и, в случае необходимости, усовершенствовать существующие конструкции. Этому вопросу посвящен следующий раздел.
Наиболее распространенным способом изготовления магнитных экранов является технология полотняного переплетения аморфных лент и изготовление из них полотен. Известные варианты описаны в главе 1 и обладают как рядом преимуществ, так и существенных недостатков. Использование технологии полотняного переплетения для изготовления магнитного экрана позволяет сразу получить достаточно прочную конструкцию. Поэтому данный способ является вполне очевидным при решении задачи разработки конструкции магнитного экрана. Однако при переплетении в местах пересечения лент образуются отверстия (несплошности) размером до 1 мм, и при изгибе такого полотна для его нанесения на криволинейные поверхности имеющиеся отверстия могут увеличиваться, что может привести к уменьшению эффективности экранирования. Кроме этого, технологически трудно изготовить ленты одинаковой ширины для основы или утка без применения промежуточной операции по резке лент на заданную ширину, что приведет к увеличению расхода материала и его стоимости соответственно. Необходимо отметить также, что в результате плетения получается двухслойное полотно, В случае достижения необходимых экранирующих свойств одним слоем лент, данный способ также экономически нецелесообразен. Следовательно, разрабатываемая конструкция магнитного экрана должна обеспечивать 100% сплошность и полное ее сохранение при изгибе экрана.
