Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологий магнитопластов 12
1.1. Магнитные дисперсные порошки (МДП) 16
1.2. Полимерное связующее для магнитопластов 22
1.3. Межфазные процессы в магнитопластах 27
1.4. Методы расчета постоянных магнитов и магнитных систем на основе МП 31
Глава 2, Объекты, методы и методики исследования 42
2.1. Объекты исследования 42
2.2. Магнитные наполнители 42
2.3. Методы и методики исследования 43
2.3.1. Подготовка исходных материалов 43
2.3.2. Определение степени отверждения 44
2.3.3. Метод определения реологических характеристик МП 45
2.3.4. Метод термогравиметрического анализа 45
2.3.5. Методика инфракрасной спектрометрии 46.
2.3.6. Методикарентгеноструктурного анализа 47
2.3.7. Методика определения пористости магнитных наполнителей. 48
2.3.8. Методика определения гистерезисных свойств МП. 49
2.3.9. Методика измерения намагниченности постоянных магнитов 50
2.3.10. Определение рабочей точки образцов МП на кривой размагничивания 51
2.3.11. Метод модификации магнитных порошков взрывной волной 54
2.3.12. Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 55
2.3.13. Метод туннельной и растровой электронной спектроскопии 56
Глава 3. Разработка наукоемкой технологии МП способом поликонденсационного наполнения 58
3.1. Принципы получения МП 58
3.2. Физико-химические закономерности технологии поликонденсационного наполнения 62
3.2.1. Влияние размера дисперсных частиц на свойства магнитных порошков и МП 66
3.2.2. Влияние состава композиции на свойства МП 70
3.2.3. Влияние характеристик магнитных порошков на свойства МП 72
3.3. Синтез полимерного связующего в структуре МП 74
3.3.1. Влияние продолжительности синтеза феиолоформальдегидного олигомера (ФФО) из мономеров в структуре МДП 83.
Глава 4. Взаимосвязь структура - свойства МП, сформировавшых по интеркаляционнои технологии ... 88
4.1.Термо- и теплостойкость МП 99
4.2. Химическая стойкость МП 107
4.3. Электропроводность МП 108.
Глава 5. Модификация магнитопластов 113
5.1. Магнитное текстурирование МП ИЗ
5.2. Армирование изделий из МП арамидной нитью СВМ 117
5.3. Модификация полимерного связующего в составе МП 117
5.4. Модификация состава путем гибридизации Nd-Fe-B 123
5.5. Модификация поверхности наполнителей в составе МП 124
Глава 6. Переработка МП в постоянные магниты 127
6.1. Гистерезисные свойства ферромагнитного наполнителя 127
6.2. Магнитная структура постоянных магнитов на основе МП 132
6.3. Выбор магнитотвердого материала для МП 134
6.4. Магнитные муфты на основе МП 143
6.5. Расчет параметров кольцевых изотропных многополюсных магнитов из МП 162
6.6. Многополюсное намагничивание магнитов из МП на основе сплавов Nd-Fe-B 167
6.7. Технологическая схема производства изделий из разработанных МП 168
Глава7. Технико-экономические параметры разработанной технологии 172
7.1. Сравнение разработанных МП с зарубежными и отечественными аналогами 172
7.2. Технико-экономическая эффективность применения изделий из разработанных МП 177
Основные итоги и выводы 186
Список литературы 189
Приложение 212
- Методы расчета постоянных магнитов и магнитных систем на основе МП
- Метод определения реологических характеристик МП
- Физико-химические закономерности технологии поликонденсационного наполнения
- Многополюсное намагничивание магнитов из МП на основе сплавов Nd-Fe-B
Введение к работе
Современные композиционные материалы условно подразделяются на
самостоятельные группы: на полимерной, керамической и металлической
основе. К последним относятся ферромагнитные металлические
уЬ композиционные материалы, представляющие собой интерметаллические
соединения металлов «редкая земля - кобальт» типа SmCo5, «редкая земля —
железо -бор» типа Nd-Fe-B, а также мапштопласты (МП), изготовленные из
^ этих ферромагнитных металлических или ферритовых порошков с
диэлектрическим полимерным связующим (резино-, термо- или реактопластом и др.).
Создание совремегаплх устройств, принцип действия которых основан
на использовании энергии магнитного поля (электродвигатели, генераторы,
магнитные муфты, клапаны и вентили, линейные приводы, магнитные
фокусирующие системы и др.), создаваемого постоянными магнитами,
невозможен без применения многих новых материалов, обеспечивающих
наилучшие эксплуатационные характеристики. МП, являясь постоянными
магнитами и обладая технологическими преимуществами полимерных
материалов — простотой формования сложных по форме и миниатюрных
изделий, возможностью соединения с другими материалами в процессе
изготовления, позволяют создавать изделия с высокими потребительскими
v качествами.
'Л
* МП применяются в электронике, электротехнике, радиотехнике,
\ вычислительной технике, медицине, аудио- и видеотехнике, других областях.
Vj Несмотря на это, в нашей стране объемы промышленного производства МП
1 не удовлетворяют растущие потребности отечественной промышленности.
В первую очередь это связано с тем, что недостаточно разработаны научные основы создания высокоэффективных МП. Теоретическая база о структуре и свойствах, технологических принципах, рациональном
проектировании изделий и конструкций на основе МП находятся на
начальной стадии, отсутствуют необходимые многолепше наблюдения
различных изделий из МП в эксплуатационных условиях, не разработаны
методы модификации таких материалов в соответствии с их
функциональным назначением.
Ъ Вместе с тем анализ работы большинства изделий из современных МП
показывает необходимость установления четкой связи между физико-химией
и технологией материала, конструированием и технологией переработки МП
" в изделие.
Актуальной при создании и эксплуатации изделий из МП является проблема утилизации отходов, решение которой, естествешю, положительно скажется на технико-экономических показателях таких материалов.
В настоящее время основными критериями оптимизации производства являются себестоимость изделия, качество и экологическая безопасность технологии.
В равной степени это относится и к новым технологиям, в том числе к новым интеркаляционньш системам. Для создания таких материалов применяются мономеры, традиционно используемые для получения сетчатых полимеров, в том числе взаимопроникающих сеток. Продолжается поиск оптимальных вариантов формирования решеток новых типов в интеркалированных композитах.
Фундаментальной проблемой современной химии и технологии МП, в
'* том числе, является поиск зависимости «структура-свойства».
В связи с широким спектром применения МП и их высокой
l^j эффективностью становится актуальной проблема создания малостадийной
современной технологии, обеспечивающей необходимое качество и стоимость изделий, а также рециклинг сырьевого потока.
Цель работы заключается в разработке научных основ технологии МП с повышенными магнитными и механическими характеристиками
способом поликонденсационного наполнения и переработки их в изделия специального назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить конкретные задачи:
разработать основы интеркаляции мономеров и синтеза
уЪ фенолоформальдегидного олигомера непосредственно в структуре
магнитного наполнителя;
«J
определить механизм взаимодействия «полимерное связующее-
магнитный наполнитель» и образующуюся микроструктуру МП;
изучить взаимосвязь «структура-свойства» сформованных МП и пути
их модификации;
получить новые высокоэнергоемкие МП, уровень магнитных свойств
которых превышал бы магнитные свойства существующих в
настоящее время МП;
определить параметры формования изделий из полученной
пресскомпозиции;
изучить магнитные, физико-химические и механические
характеристики разработанного материала;
разработать режимы намагничивания изготавливаемых изделий;
апробировать в производственных условиях изделия из
разработанных МП и определить их конкурентоспособность по
/
->
сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.
Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые:
1) разработана технология поликонденсационного наполнения МП,
У; основанная на интеркаляции смеси мономеров в пористую структуру
магнитного дисперсного порошка (МДП), что обеспечивает равномерное распределение частиц магнитных порошков в объеме материала, и, как следствие, значительное повышение магнитных, прочностных и
электрических свойств, термо- и хемостойкости по сравнению с МЦ, сформированными методом традиционного механического смешения;
2) теоретически обоснованы и изучены закономерности ингеркаляции
смеси мономеров в объем МДП, что позволило установить взаимосвязь
«структура — свойства» МП и изделий на их основе;
J^ 3) доказано влияние на структуру и свойства МП химического и
фракционного состава, дисперсности и пористости исходных магнитных
порошков, коэффициента объемного наполнения, что позволяет управлять
* процессами ингеркаляции мономеров и физико-химическим
взаимодействием в системе «МДП-полимерное связующее»; определены технологические параметры, обеспечивающие необходимые свойства МП;
показан эффективный путь повышения ингеркаляции мономерной смеси в структуру МДП путем модификации этой смеси малыми добавками олигооксипропиленгликоля и капролактама, что обеспечивает достаточную гомогенизированность и высокие физико-механические и эксплуатационные свойства МП;
установлена возможность совершенствования структуры МП путем модификации поверхности исходных МДП отжигом и текстурированием в магнитном поле, а также гибридизацией порошков Nd-Fe-B с Ре2Оз;
разработаны критерий применимости МДП для МП различного назначения и метод намагничивания магнитов из МП при повышенной температуре, которые позволяют эффективно намагничивать миниатюрные многополюсные магниты.
Практическая ценность и реализация результатов работы
'У, 1. Установлены закономерности формирования структуры МП,
полученных по интсркаляционной технологии, позволяющие повысить качество разработок новых устройств и приборов, использующих энергию магнитного поля. 2. Разработана и реализована в объеме мелкосерийного производства
технология высокоэффективных постоянных магнитов из МП, устройств на их основе, используемых в автомобильной, медицинской, электротехнической отраслях промышленности.
3. Разработана методика выбора магнитотвердого материала для МДП,
обеспечивающая повышение технологичности производства изделий из
J> разработанных МП.
4. Усовершенствована методика намагничивания малогабаритных
многополюсных постоянных магнитов из МП, позволяющая в условиях
" дефицита мощности намагничивающего оборудования осуществлять
«глубокое реверсивное промагничивание» магнитов для повышения их магнитных характеристик.
Изготовленные по разработанной технологии изделия (кольцевые, секторные и многополюсные магниты) внедрены и использованы на предприятиях: ОАО «Ростовский оптико-механический завод» (г.Ростов Великий Ярославской обл.); завод топливных фильтров «Волга» (г.Эш-ельс Саратовской обл.); ПТЦ «Авангард» (г.Саратов); НПФ «Магникон» (г.Саратов); ООО «СЭПО-ЗЭМ» (г.Саратов); ЗАО «Кировский машиностроительный завод им.Лепсе» (г.Вятка).
Учебное пособие и методические разработки автора, созданное им оборудование используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Технология полимерных композиционных материалов».
Достоверность и обоснованность научных положений, методических
и практических рекомендаций, полученных результатов и выводов
'Uf подтверждаются экспериментальными данными, полученными с
применением комплекса современных взаимодополняющих методов исследования: рентгеноструктурного и термогравиметрического анализа, инфракрасной и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, растровой и туннельной электрошюй микроскопии, рефрактометрического метода
ртутной порометрии, дифференциальной сканирующей калориметрии,
стандартных методов испытания магнитных, прочностных и
технологических характеристик. Разработанная технология получения МП и
переработки их в изделия прошла апробацию на действующих
промышленных предприятиях.
J> Положения, выносимые на защиту:
1. Физико-химический механизм взаимодействия МДП различного
химического состава и строения при формировании МП по
^ интеркаляционной технологии;
Взаимосвязь структуры и свойств МП как новых интеркаляционных систем;
Методы эффективного повышения магнитных и прочностных характеристик МП модификацией полимерного связующего, МДП и формуемого изделия;
Новая наукоемкая технология, включающая все стадии процесса: пропитка МДП мономерами, синтез полимерного связующего в структуре МДП, сушка и таблетирование пресскомпозиции, формование изделия, намагничивание готового изделия.
Новые решения по проектированию и намагничиванию изделии из разработанных МП.
Методы расчета постоянных магнитов и магнитных систем на основе МП
При расчетах силовых взаимодействий постоянных магнитов (ПМ) широко применяется зарядовое моделирование, позволяющее использовать закон Кулона для расчета сил взаимодействия магнитных зарядов. Применяют зарядовые модели и при расчетах распределений магнитной индукции и напряженности магнитного поля магнитных систем.
Постоянные магниты представляют в виде заряженных -тел, объемные Ри, и поверхностные о ю плотности зарядов которых находят как [219]: где: Ми - составляющая намагниченности М на нормаль к поверхности; Uo - магнитная постоянная; и ,- 4лг I0"7 гн/м.
Напряженность внешнего и внутреннего поля магнитов рассчитывается как следствие суммарного действия всех этих зарядов по аналогии с электростатикой, заменой диэлектрической проницаемости є на магнитную проницаемость и. и электрических зарядов магнитными. Так, для напряженности dH магнитного поля, обусловленной зарядом dq, справедливо где R - радиус-вектор, проведенный от заряда dq до исследуемой точки поля.
При этом dq должно быть принято равным pmd V или c dS, где рю и аи находятся из уравнений (1.1) и (1.2), a dV и dS - элементы объема и поверхности модели ПМ соответственно. Интегрирование осуществляется по поверхности и объему модели.
Вследствие слабой зависимости М от II в пределах рабочей области кривой размагничивания для систем с постоянными магнитами из высококоэрцитивных магнитотвердых материалов рш и ст принимаются независящими от взаимного размещения магнитов и не изменяющими своей величины даже при непосредственном соприкосновении одноименных полюсных поверхностей. Изменения плотностей зарядов, обусловленные изменениями намагниченности ПМ, при необходимости учитываются известными из технической литературы методами, например, введением размагничивающих факторов магнитов. Распределения В иН внешнего магнитного поля систем из нескольких магнитов находятся как векторная суперпозиция полей всех входящих в систему ПМ. Для однонаправленно намагниченных ПМ вследствие слабой зависимости М от И в пределах рабочей области кривой размагничивания величина М принимается постояшюй по объему. Вследствие этого divM и Рт равны нулю и можно рассматривать лишь поверхностные магнитные заряды. Тогда для однонаправленно намагниченных магнитов постоянного вдоль длины сечения вследствие перпендикулярности полюсных поверхностей направлению М магнитные заряды можно считать сосредоточенными только на полюсах магнитов (знаки "+" и "-" для полюсных поверхностей "N" и "S" соответственно), на всех остальных поверхностях ат=0. По аналогии с соответствующими задачами электростатики рассчитывают и напряженность внешнего магнитного поля ПМ с интегрированием только по полюсным поверхностям, при этомМп принимается равным +М и -М для полюсов "N" и "S" соответственно.
По аналогии с электростатикой, как и при взаимодействии электрических зарядов, с использованием закона Кулона находят и силы F взаимодействия ПМ [223]. Так, для точечных магнитных зарядов сила dF, действующая на заряд dq полем заряда dqb находится как: где R - радиус-вектор, проведенный от заряда dqi к заряду о .
Результирующая сила взаимодействия двух ПМ, как и при расчетах напряженности магнитного поля, находится интегрированием (1.6) с учетом (1.1) и (1.2). Интегрирование проводится по объему и поверхностям обеих зарядовых моделей ПМ. Если распределение H(R) для одного ПМ, например, первого, известно (интегрирование по его объему и поверхности проведено), то, как следует из (1.5) и (1.6) расчет силы F, действующей на второй ПМ, можно осуществлять с помощью более простого выражения где Стщирш в общем случае находятся из (1.1, 1.2), и достаточно интегрирования лишь по объему и поверхности модели второго ПМ. Для расчета составляющих силы достаточно знать или найти распределение H(R) лишь для соответствующих составляющих напряженности воздействующего на магнит внешнего магнитного поля. Безразлично при этом, конечно, с помощью какого источника создается эта напряжегаюсть Н воздействующего на ПМ внешнего поля. Поэтому таким образом можно рассчитывать и силы, воздействующие на ПМ, например, полями токовых катушек.
И здесь справедливы приведенные выше соображения для однонаправленно намагниченных ПМ (при M=const) и однонаггравленно намагниченных ПМ постоянного сечения. Для всех таких ПМ влиянием объемных магнитных зарядов можно пренебречь, а при постоянном сечении поверхностные заряды считать сосредоточенными лишь на полюсах с поверхностной плотностью, находимой из (1.4).
Таким образом, при использовании зарядовых представлений достаточно рассчитать распределение H=H(R) напряженности воздействующего магнитного поля лишь в области размещения ПМ, а для однонаправленно намагниченных ПМ лишь в области размещения их полюсных поверхностей. Все эти соотношения для сил, конечно, непосредственно следуют из соотношений для энергии соответствующих полей электрических и магнитных зарядов.
Таким образом, наиболее существенным недостатком описанных в технической литературе применений зарядового моделирования ПМ для расчета силовых взаимодействий является их применимость лишь для простейших магнитных систем, не содержащих магнитопроводов и имеющих значительные расстояния между магнитами. Как видно из приведенного выше обзора, такие МСС имеют очень ограниченное практическое применение. Возможности применения зарядовых моделей, как будет показано в настоящей работе, могут быть значительно расширены использованием также заимствованного из электротехники метода зеркальных отображений зарядов. Такие отображения до настоящего времени широко применялись лишь для расчетов распределений магнитного поля систем [232]. Близок по физической сущности к зарядовому моделированию магнитных систем и метод расчета распределений магнитного поля с помощью интегральных уравнений, известный как метод вторичных источников, однако отсутствует литература по применению этого метода для расчета магнитных сил.
Метод определения реологических характеристик МП
Метод термогравиметрического анализа (ТГА) применялся для оценки взаимодействия компонентов МП, скорости изменения массы, величин энергии активации процесса термического разложения, изучения характера разложения МП и их компонентов с использованием дериватографа системы Паупис-Эрдей фирмы MOM марки О -1500Д в соответствии с инструкцией к прибору. Измельченные образцы массой 0,2 г. нагревались в воздушной среде до 1000С с постоянной скоростью 10С/мин. Относительная ошибка при определении потерь массы и температуры не превышала 1%. Чувствительность по каналам ДТА - 1/3, ДГТ — 1/10. Точность измерения -0,1%. Энергию активации термического разложения рассчитывали по термограмма методом Пилояна по формуле [ 116]: где: Е - энергия активации, кДж/моль; С1-константа; Т -температура, К; ДТ - разность температур образца и эталона, С (определяют по кривой ДТА). После преобразования уравнения значение tga определяется графически из зависимости IgA/ = /(10 /7% где Л/ - отрезок прямой от точки на кривой ДТА до пересечения с базисной линией, мм. Метод ИКС применялся для качественной оценки взаимодействия компонентов в системе МП. ИК-спектры пропускания твердых ФФО, ферромагнитного наполнителя и образцов МП на их основе (содержание наполнителя — 50% ,« ;) регистрировали на спектрофотометре «Specord М-80» в области длин волн 400-4000 см"1. Приготовление объектов исследования осуществляли классическим суспензионным методом: образцы измельчали в вибрационной шаровой мельнице до тонкодисперсного состояния, добавляли несколько капель иммерсионной жидкости, тщательно растирали в агатовой ступке и далее полученную массу помещали между двумя пластинами (одна — из NaCl, другая из КБг). Для записи высококачественных спектров в качестве иммерсионной жидкости в области от 4000 до 2000 см"1 и 1500 — 1300 см"1 использовали гексахлорбутадиен; в области от 2000 до 1500 см" — вазелиновое масло. Время интегрирования равно 1с. Образцы отверждешюй смолы и МП получали прессованием при Т=160С. сплава Nd-Fe-B и МП на его основе проводилась на дифрактометре «Дрон-3» (железном излучении А=1,93А ; U=25 кВ; 1=20 мА). Для определения фазового состава образцов сплава скорость сканировшшя составляла 3 град/мин. Идентификация фазы осуществлялась с помощью картотеки JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standard).
Для определения размеров кристаллов образцы снимали со скоростью 1/4 град/мин. Зависимость размеров кристаллов от ширины дифракционного пика определяли по формуле Селякова-Шеррера: где: L-средний размер кристаллов, А ; Х длина волны рентгеновского излучения, А ; р- полуширина пика, мм; 6-угол дифракции, градус. В качестве характеристического рефлекса был выбран рефлекс с максимальной интенсивностью при межплоскостном расстоянии d„=2,052 А". Абсолютная погрешность измерении данного метода не превышает 2%. Расчет межплоскостного расстояния проводился исходя из уравнения Вульфа и Бреггй: длина волны рентгеновского излучения, А. Величина вектора обратной решетки: S = l/d Степень кристалличности (&,%) равна отношению суммарного рассеяния кристаллитов к общему рассеянию от аморфных и кристаллических областей: где: J{S) - интенсивность когеренпюго рентгеновского рассеяния от образца как от аморфных, так и от кристаллических областей; JC(S) - интенсивность когерентного рентгеновского рассеяния от кристаллической области; J(S) и Je(S) определяются графически по рентгенограмме (зависимости интенсивности рассеяния, J усл. ед. от угла дифракции наполнителей Распределите суммарного объема пор по эквивалентным радиусам в диапазоне от 30 до 35 10 А оценивали с помощью ртутной порометрической устшювки «Порометра» марки ПА-ЗМ-П в соответствии с инструкцией к прибору. Расчет объема пор испытуемого образца производился на основании данных, полученных при измерении сопротивления в электрической цепи. Объем ртути V, вдавленной в поры испытуемого образца определяют по формуле: Np- поправка на сжатие ртути для данного давления, смЗ/г; т- навеска твердого тела, г; Д V- поправка на сжатие ртути в дилатометре. Эквивалентный радиус пор рассчитывается по формуле: гж=[2о со5б] / [980,465 10P„pl - [108 470,9 cosl42] / [Ю ЭЩвбЗ - [75667/FV], А где: Рщ,- приведенное давление, кг/мЗ; а- поверхностное натяжение ртути при 25 С (равно 470,9 дин/см); 9- угол смачивания; 103 980,665- переводной коэффициент; Точность измерения давления и сопротивления электрической цепи ±1%, Кривая размагничивания магнитотвердых материалов определяется как часть петли гистерезиса во втором квадранте, ограниченная остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Для снятия кривых размагничивания использовали образцы МП в форме куба 10x10x10 мм (отклонения площади поперечного сечения образца не превышало 0,5%). Запись петли гистерезиса осуществлялась на установке «Мускат» в замкнутой магнитной цепи в соответствии с инструкцией. Намагничивание образцов до насыщения осуществлялось в импульсном магнитном поле соленоида напряженностью в рабочей области 2400 кА/м. Измерительные каналы подключали к самописцу и калибровали : канал 11- по тесламетру; канал В- по никелиевому образцу. Диапазон измерения размагничивающего магнитного поля от 0 до 2000 кА/м; погрешность измерения магнитной индукции - не более 2%.
Физико-химические закономерности технологии поликонденсационного наполнения
Технология поликонденсационного наполнения базируется на процессах формирования сетчатой (трехмерной) структуры полимерной матрицы при отверждении полимерного связующего, внедренного (интеркалировашюго) в поры частиц МДП, адсорбированного на их поверхности и находящегося в прослойках между частицами [135,136]. Сформированная при таком распределении сетчатая структура полимерной матрицы выгодно отличается от линейной термопластичной матрицы большей прочностью, деформационной устойчивостью, термо- и теплостойкостью, менее резкой зависимостью свойств от перепада температур. Процесс формирования МП включает следующие стадии: пропитка МДП смесью фенола с формальдегидом, взятых в соотношении 1 : 1,4, в присутствии NaOH в качестве катализатора, синтез олигомера (смолы) при Т=90С до степени конверсии 80-85%, предотверждение (сушка) при Т=120С для удаления низкомолекулярных веществ (U2Ot а также не вступивших в реакцию фенола и формальдегида и др. побочных веществ), что сопровождается понижением текучести образовавшегося компаунда, формование изделия из МП при определенной температуре, давлении и продолжительности. Процесс синтеза и отверждения МЛ подчиняется закономерностям реакций поликонденсации.
На всех технологических стадиях (пропитка, синтез, предотверждение связующего и окончательное отверждение при формовании изделия из компаунда) происходят такие процессы, как: смачивание МДП, интеркаляция и адсорбция молекул мономеров из пропиточной смеси, синтез с образовшшем олигомерных макромолекул и их ориентация по рельефу поверхности внутри пор и наружной поверхности частиц, изменение структуры при формовании изделия. Все эти процессы определяют плотность МП, магнитные, электрические и механические свойства материала и изделий из него (табл.3.2). В МП, состоящих на 40-60% из мелкодисперсных порошков развивается два типа структур: 1) сетка из агрегатов частиц порошка, удерживаемая силами межмолекулярного и магнитного взаимодействия; 2) сопряженная с ней структурная сетка полимера, контактирующего с поверхностью частиц. Примечание: числитель - материал на основе Nd-Fe-B; знаменатель - материал на основе BaO 6Fe203. В случае поликонденсационного способа наполнения главенствующую роль играет второй тип структуры.
При обработке порошков смесью мономеров молекулы смеси интеркалируют в поры и дефекты кристаллической решетки, диффундируют в неплотности структуры и, взаимодействуя между собой при синтезе и отверждении, образуют полиструктуры. В массе порошка частицы обволакиваются жидкой пленкой, которая в процессе синтеза превращается в полимерную капсулу, препятствующую образованию и слипанию агрегатов из частиц. Поверхность самой частицы и внутренние микродефекты и поры, выступая центрами структур образования ориентируют макромолекулы полимера по рельефу поверхности. При поликонденсацжнлгом способе получают относительно структурно однородную композицию, так как в дисперсную массу магнитных порошков вводят не фенолоформальдегидные олигомеры со степенью превращения 10 и более, а низкомолекулярные компоненты — фенол, формальдегид и NaOH. Эти компоненты внедряются (интеркалируют) внутрь частиц через поры, сорбируются и смачивают их и наружную поверхность. При дальнейшем синтезе (поликонденсации) и отверждении в структуре высокодисперсного магнитного порошка с размерами частиц 140 мкм (Sya 150м/г) формируется гибрид металла и органического сетчатого полимера с ориентацией по рельефу поверхности [108,136-138]. В зависимости от условий формования изделий из МП морфология частиц изменяется с изменением пространства., . , . В результате при одном и том же содержании полимера в объеме МП при поликонденсационном способе толщина полимерных прослоек между частицами резко уменьшается по сравнению с толщиной полимерных прослоек при смесевом способе, что приводит к росту магнитных, электрических и механических свойств МП (табл. 3.2). Из приведенных в табл 3.2 данных видно, что на формирование структуры МП оказывает влияние не только способ наполнения, но и химическая природа магнитного порошка, величина его удельной поверхности. Велико значение фракционного состава, коэффициента объемного наполнения композиции, пористости порошков, которые в значительной мере определяют адгезионные и когезионные характеристики МП.
Многополюсное намагничивание магнитов из МП на основе сплавов Nd-Fe-B
Известно, что при повышении температуры коэрцитивная сила магнитных материалов снижается значительно быстрее намагниченности. Используя этот факт, намагничивание проводили при повышешюй температуре. Предварительный подогрев магнитов из МП до температуры 120 — 150С позволяет осуществлять многополюсное намагничивание при пониженном на 20% напряжении заряда конденсаторной батареи установки намагничивания (что соответствует снижению почти в 1,5 раза энергии намагничивающего импульса). При этом происходит увеличение на 3-5% амплитудных значений внешнего магнитного поля магнитов, что объясняется лучшим «промагничиванием» частей объема в области смены полярности полюсов. Магниты, намагниченные таким способом, обладают на 5-10% большей термостабильностью. Применение этого техпроцесса облегчает многополюсное намагничивание миниатюрных магнитов с использованием стандартного оборудования, Получение изделий из МП на основе термореактивного связующего осуществляется методом формования композиций в преесформе при повышенной температуре Т = 180-200С. Для увеличения производительности процесса изготовления изделий применялись многоместные пресс-формы, загрузка в которые точно отмеренного количества пресскомпозиции, особенно для миниатюрных изделий, затруднена. Поэтому в технологическую схему (рис.6.8) включается стадия таблетирования, режим которой обеспечивает получение заготовки-таблетки заданной массы в требуемом количестве. Для этого в приготавливаемую композицию вводится дополнительно 1,5-5%масс пластификатора — высокомолекулярного соединения, например ООПГ. Из полученной композиции при Т= 60-90С и давлении Р = 0,4-0,55 МПа формируются заготовки необходимой массы и конфигурации, пригодные для хранения и транспортировки, а также легко и быстро загружаемые в преесформу.
Окончательное формование деталей из МП, в том числе и деталей комбинированного типа, в состав которых входят помимо МП и другие элементы, например, стальной вал (рис.7.2д) , осуществляется в многоместных прессформах при повышенной температуре и давлении Р=300 МПа. В табл. 6.4. представлены результаты пооперационного хронометража при изготовлении 12-полюсного магнита для ротора датчика скорости автомобилей. Опыт использования технологии предварительного таблетирования в производственных условиях показал, что при этом наблюдается устойчивое повышение однородности механических и магнитных характеристик по объему магнита из МП. Так, при производстве роторов датчиков скорости разброс нормальной составляющей мапвггной индукции Вп, измеряемой по периметру внешней стороны магнита (рис. 6.9) снизился от уровня ± 1,5% до уровня ±0,5%, что говорит о повышении однородности в среднем в три раза. Анализ представленных в табл. 7.1 данных по разным МП свидетельствует, что разработанная интеркаляционная технология, базирующаяся на поликонденсационном способе наполнения, обеспечивает по сравнению с традиционным резкое повышение всех изученных характеристик МП: магнитных, прочностных, электрических, плотности; повышается термо- и хемостойкость. Так, в МП на основе сплава Nd-Fe-B возрастают: плотность — на 12%, о . - на 80%, (ВН), - в 1,5-2,0 раза, Pv снижается в 2,5 раза. Исключением является неизменность значений коэрцитивных сил Идв и Нем, которые определяются составом, химической природой и технологией МДП. Используемые нами МДП на основе быстрозакаленного сплава Nd-Fe-B разных марок характеризуются значениями НсВ = 280-500 кА/м, Нем = 430-1048 кА/м, которые мало изменяются в МП. Закономерность возрастания всех исследуемых свойств МП при интеркаляциоііном формировании структуры отмечается не только в МП на основе Nd-Fe-B, но и при использовании феррита бария, что придает им конкурентоспособность по магнитным характеристикам с отечественными и зарубежными аналогами, например с FMD-4510 (Япония). МП на основе Nd Fe-B поликонденсационного наполнения превосходят показатели TROMADYM (Германия) и FMD-4900H (Япония). По своим магнитным характеристикам разработанные МП занимают промежуточное положение (рис. 7.1) между наиболее энергоемкими ферритовыми магнитами (28БА190) и магнитами из РЗМ (КС37) и Nd-Fe-B (НЖБ 190), что обеспечивает их успешное применение во многих изделиях, выпускаемых серийно.
Похожие диссертации на Научные основы технологии поликонденсационного наполнения магнитопластов и переработки их в изделия различного функционального назначения
