Прикладные публикации сотрудников

Гадолиний

Tue, 15 Dec 2009 21:34:19 +0300

ГАДОЛИНИЙ

1. Гадолиний металлический

Физические и химические свойства

Гадолиний — светло-серый металл. Плотность 7,895 кг/дм³. Температура плавления 1312°C, температура кипения 3280°C. Ферромагнетик, точка Кюри 292 К.

Гадолинию свойственно наивысшее среди всех элементов сечение захвата тепловых нейтронов: 46 000 барн — такова эта величина для природной смеси изотопов гадолиния.

Гадолиний медленно окисляется на воздухе при комнатной температуре, быстро — выше 100°C. При длительном хранении на открытом воздухе он постепенно тускнеет, покрываясь оксидной пленкой. При нагревании металлический гадолиний реагирует с галогенами, азотом, водородом. Взаимодействует с минеральными кислотами, кроме плавиковой, не взаимодействует с растворами щелочей

Производство

Содержание гадолиния в земной коре 5,4*10^-4% по массе, в морской воде 6*10^-7 мг/л. Вместе с другими редкоземельными элементами находится в минералах гадолините, монаците, бастнезите, ксенотиме, апатите.

Монацитовые и бастнезитовые руды обычно вскрывают нагреванием с серной кислотой. При этом образуются сульфаты редкоземельных элементов, которые выщелачиваются из продукта реакции водой. Редкоземельные элементы извлекают из раствора осаждением в виде оксалатов или двойных сульфатов редкоземельных элементов и натрия, а уже затем эти соединения превращают в нужную техническую соль.

Универсальный способ получения совершенно чистых редкоземельных металлов заключается в восстановлении безводных фторидов кальцием. Безводные фториды редкоземельных металлов получают либо фторированием окислов безводным фтористым водородом при 575°С, либо прокаливанием фторидов, осажденных из водных растворов плавиковой кислотой, либо же сплавлением окислов редкоземельных металлов с бифторидом аммония.

Безводный фторид смешивают с порошком металлического кальция, Танталовый тигель с загрузкой нагревают в атмосфере аргона, пока не начнется реакция. По завершении реакции и редкоземельный металл, и шлак (фторид кальция) должны находиться в расплавленном состоянии.

Полученный таким способом Гадолиний кальциетермический по содержанию контролируемых примесей должен удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-210-72

Марка

ГдМ-1

ГдМ-2

ГдМ-3

Содержание суммы других редкоземельных металлов (европия, самария, тербия. Иттрия), % не более

0,1

0,8

1,3

Содержание других контролируемых примесей, % не более

Железа

0,01

0,03

0,04

Кальция

0,01

0,03

0,05

Меди

0.01

0,1

Тантала, молибдена или ниобия

0.02

0,2

0,3

Применение

Магнитные носители информации

Ряд сплавов гадолиния и особенно сплав с кобальтом и железом позволяет создавать носители информации с колоссальной плотностью записи. Это обусловлено тем, что в этих сплавах образуются особые структуры — ЦДМ — цилиндрические магнитные домены, причём размеры доменов менее 1 мкм, что позволяет создавать носители памяти для современной компьютерной техники с плотностью записи 1-9 миллиардов бит на 1 квадратный сантиметр площади носителя.

Ядерная энергетика

В атомной технике гадолиний нашел применение для защиты от тепловых нейтронов, так как этот элемент обладает наивысшей способностью к захвату нейтронов из всех элементов. Его сечение равно 49000 барн. Но из всех изотопов гадолиния наивысшей способностью к захвату нейтронов обладает его изотоп гадолиний-157, сечение захвата 254000 барн.

Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Гигантский магнетокалорический эффект

Сплав гадолиния, германия, кремния и небольшого количества железа (1 %) применяется для производства магнитных холодильников (на основе гигантского магнетокалорического эффекта). Чистый гадолиний имеет максимальное значение магнетокалорического эффекта в точке Кюри (~290 K) порядка 4 К при адиабатическом намагничивании полем 18кЭ (по данным кафедры магнетизма ТвГУ).

Так же особый интерес в последние годы привлекает к себе сплав гадолиний-тербий (монокристаллический) для производства магнитных холодильников.

Легирование титановых сплавов

Некоторое количество гадолиния постоянно расходуется для производства специальных титановых сплавов (повышает предел прочности и текучести при легировании уже около 5% гадолиния).

Радиоизотопные источники

Гадолиний-148, испытывающий альфа-распад (полураспад 93 года), является безопасным и в тоже время исключительно мощным источником тепла для радиоизотопных термоэлектрогенераторов.

Гадолиний-153 используется в качестве источника излучения в медицине, например, для диагностики остеопороза.

Рентгеноконтрастный препарат гадодиамид, содержащий гадолиний, используется преимущественно для внутривенного контрастирования при МРТ-исследованиях.

Сплавы

Сплав гадолиния с церием и рутением в области сверхнизких температур приобретает сверхпроводимость и в то же время обнаруживает слабый ферромагнетизм, что находит свое применение в научных исследованиях.

Сплав гадолиния с титаном (он впервые был получен в нашей стране) применяют в качестве активатора в стартерах люминесцентных ламп.

Сплав гадолиний-железо применяется как очень емкий аккумулятор водорода, и может быть применен для водородного автомобиля.

Постоянные магниты

Гадолиний используется в небольших количествах при производстве постоянных магнитов на основе сплава Самарий-Кобальт, а так же Неодим-Железо-Бор.

2. Оксид гадолиния (Gd₂O₃)

Физические и химические свойства

Оксид (сесквиоксид) гадолиния Gd₂O₃ – представляет собой белые кристаллы не растворимые в воде. Плотность 7,618 г/см³. Получают, как правило разложением Gd₂(C₂O₄)₃, Gd(NO₃)₃ или других соединений на воздухе, обычно при 800-1000 °С.

Окись гадолиния поглощает углекислоту из воздуха, а при нагревании в воде темнеет, но восстановления не обнаруживает; она гигроскопична и хорошо растворяется в кислотах. При действии аммиака из растворов солей садится желатинообразный гидрат гадолиния. Оксид Gd₂О₃ обладает основными свойствами, ему отвечает основание Gd(ОН)₃.

Производство

Оксид гадолиния получают в процессе производства металлического гадолиния, как было описано выше. Окись гадолиния по содержанию контролируемых примесей должна удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-20-72

Марка

ГдО-1

ГдО-2

ГдО-3

ГдО-4

ГдО-5

ГдО-6

Содержание окисей других редкоземельных металлов, % не более

Самария

1.10^-4

5.10^-4

5.10^-3

1.10^-2

Европия

1.10^-4

5.10^-4

5.10^-3

1.10^-2

Тербия

1.10^-4

5.10^-4

5.10^-3

1.10^-2

Иттрия

1.10^-4

5.10^-4

5.10^-3

1.10^-2

Сумма самария, европия, тербия и иттрия окисей

0,1

0,5

Содержание прочих контролируемых примесей, % не более

Кальция

5.10^-4

1.10^-2

5.10^-2

Железа

1.10^-4

1.10^-3

5.10^-3

1.10^-2

Меди

1.10^-4

5.10^-4

1.10^-3

5.10^-3

1.10^-2

Кремния

1.10^-3

2.10^-2

3.10^-2

Хлора

1.10^-2

5.10^-2

0.1

Применение

Оксид гадолиния применяется для выращивания монокристаллов гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ). ГГГ - является материалом подложек для наращивания эпитаксиальных пленок железных гранатов, используемых в магнитных запоминающих устройствах, а так же ювелирный поделочный камень.

На основе ГСГГ изготавливают лазерные системы с предельно высоким КПД и сверхвысокими параметрами лазерного излучения. В принципе ГСГГ на сегодняшний день является первым в достаточной степени изученным и имеющим отработанную технологию производства лазерным материалом — обладающим высоким КПД преобразования и пригодным для создания лазерных систем для инерциального термоядерного синтеза.

Оксид гадолиния используется для варки специального стекла, поглощающего тепловые нейтроны. Самый распространенный состав такого стекла: оксид бора-33 %,оксид кадмия-35 %, оксид гадолиния-32 %.

Оксиды гадолиния, самария и европия входят в состав защитных керамических покрытий и красок, используемых для защиты от тепловых нейтронов в ядерных реакторах. В ряде ТВЭЛ используется таблетки содержащий оксид гадолиния.

Окись гадолиния Gd₂O₃ используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов.

3. Другие соединения гадолиния и их применение

Гексаборид гадолиния применяется для изготовления катодов мощных электронных пушек и рентгеновских установок, ввиду самой маленькой работы выхода из всех боридов редких земель, и его работа в 2,05 эВ сравнима с работой выхода щелочных металлов (калий, рубидий, цезий).

Использование ионов гадолиния для возбуждения лазерного излучения позволяет создать лазер, работающий в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 0,31 мк.

Хлорид гадолиния применяется для блокады клеток Купфера при лечении печени.

Теллурид гадолиния может работать в мощном потоке нейтронов как очень хороший термоэлектрический материал (термо-э.д.с 220—250 мкВ/К). Селенид гадолиния имеет отличные термоэлектрические свойства и весьма перспективный и применяемый материал в производстве радиоизотопных источников энергии.

Для регулирования атомного реактора применяется так же борат гадолиния. Растворимые соединения гадолиния могут быть использованы для стабилизации растворов, получаемых при переработке ТВЭЛов растворением в кислотах для последующего разделения. Стабилизирующее действие солей гадолиния проявляется в способности «глушить» ядерные реакции в таких растворах, и позволяет осуществлять ряд технологических операций, связанных с концентрированием таких растворов, а значит с уменьшением критического объема и образованием критических масс.

В небольшом объеме некоторые соединения гадолиния применяются для получения сверхнизких температур в научных исследованиях. Так, например, сульфат гадолиния при размагничивании вблизи абсолютного нуля температур позволяет снизить температуру до 0,0001 К. Наряду с сульфатом гадолиния для получения сверхнизких температур используют так же и хлорид гадолиния.

Люминофор оксисульфид гадолиния позволяет получать немного более контрастные рентгеновские снимки. Молибдат гадолиния — компонент галлий-гадолиниевых гранатов. Эти материалы представляют большой интерес для оптоэлектроники. А селенид гадолиния Gd₂Se₃ обладает полупроводниковыми свойствами, что находит применение в электронике.

Ванадат гадолиния с ионами неодима и тулия применяется для производства твердотельных лазеров, применяемых для лучевой обработки металлов и камня, а так же и в медицине.

Иттрий

Thu, 10 Dec 2009 09:53:55 +0300

ИТТРИЙ

1. Иттрий металлический

Физические и химические свойства

Иттрий — светло-серый металл. Температура плавления около 1500°С, плотность 4,47 г/см³, твердость по Бринеллю 628 МПа, модуль упругости 66 ГПа, модуль сдвига 264 ГПа, коэффициент Пуассона 0,265, коэффициент сжимаемости 26,8.10^-7 см²/кг. По своим механическим свойствам он напоминает алюминий. Легко поддается механической обработке.

Иттрий легко растворяется в минеральных кислотах. В кипящей воде он постепенно окисляется, на воздухе при температуре 400 °C окисление иттрия идет достаточно быстро. Но при этом образуется темная блестящая пленка окиси, плотно окутывающая металл и препятствующая окислению в массе. Лишь при 760°C эта пленка теряет защитные свойства, и тогда окисление превращает светло-серый металл в бесцветную или черную (от примесей) окись.

Хранение

В нормальной атмосфере иттрий весьма устойчив, он лишь слегка тускнеет, но никогда не теряет металлический блеск. Иттрий окисляется при более высокой температуре. С иттриевыми стружками следует обращаться осторожно, так как при нагревании они энергично сгорают. В атмосфере водяного пара при 750°C иттрий покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления.

Производство

Как и многие лантаноиды, иттрий относится к числу довольно распространенных металлов. По данным геохимиков, содержание иттрия в земной коре 0,0028% – это значит, что элемент входит в число 30 наиболее распространенных элементов Земли.

Свыше ста минералов содержат иттрий. Среди них есть собственно иттриевые - ксенотим, фергюсонит, эвксенит, таленит и другие, промышленное значение имеют только ксенотим и эвксенит.

Главнейшие месторождения иттрия расположены в КНР, США, Канаде, Австралии, Индии, Малайзии, Бразилии. Китай является основным мировым поставщиком иттрия. Промышленное месторождение иттрия и иттриевых редких земель (тяжелых лантаноидов) имеется в Киргизии.

Извлечь чистый иттрий из руды чрезвычайно трудно. Мешает сходство с другими редкими землями.

Процесс переработки руд на иттрий и редкоземельные элементы, разработанный Спеллингом и Лоуэллом, заключается в следующем. Исходный ксенотим вскрывают путем обработки серной кислотой при высокой температуре. Полученный после такой обработки раствор подают на колонки с катионообменной смолой. Для их элюирования применяют раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты. Иттрий и редкоземельные элементы содержатся в разных фракциях элюата. Их осаждают из этих фракций в виде оксалатов и прокаливают до окисей.

Универсальный способ получения совершенно чистых редкоземельных металлов и иттрия заключается в восстановлении безводных фторидов кальцием. Безводные фториды редкоземельных металлов получают либо фторированием окислов безводным фтористым водородом при 575°С, либо прокаливанием фторидов, осажденных из водных растворов плавиковой кислотой, либо же сплавлением окислов редкоземельных металлов с бифторидом аммония.

Полученный таким способом иттрий кальциетермический по содержанию контролируемых примесей должен удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-208-72:

Марка

Содержание контролируемых примесей, %, не более

Сумма гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия

железо

кальций

медь

Тантал, вольфрам (в зависимости от материала аппаратуры)

ИтМ-1

0,10

0,01

0,03

0,02

ИтМ-2

0,20

0,02

0,03

0,05

0,20

ИтМ-3

0,50

0,05

0,10

0,30

ИтМ-4

2,80

0,05

0,50

0,10

0,70

ИтМ-5

3,80

0,05

1,60

0,10

1,00

Применение металлического иттрия

Сплавы иттрия

Иттрий является металлом, обладающим рядом уникальных свойств, и эти свойства в значительной степени определяют очень широкое применение его в промышленности сегодня и, вероятно, ещё более широкое применение в будущем. Предел прочности на разрыв для нелегированного чистого иттрия около 300 МПа (30 кг/мм). Очень важным качеством, как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что, будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается пленкой оксида и нитрида предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000 °C.

Перспективными областями применения сплавов иттрия являются авиакосмическая промышленность, атомная техника, автомобилестроение. Очень важно, что иттрий и некоторые его сплавы не взаимодействуют с расплавленным ураном и плутонием, и их использование позволяет применить их в ядерном газофазном ракетном двигателе.

Изучается перспективный магнитный сплав — неодим-иттрий-кобальт.

Легирование

Иттрий широко используется в черной и цветной металлургии.

Легирование алюминия иттрием повышает на 7,5 % электропроводность изготовленных из него проводов.

Иттрий имеет высокие предел прочности и температуру плавления, поэтому способен создать значительную конкуренцию титану в любых областях применения последнего (ввиду того, что большинство сплавов иттрия обладает большей прочностью, чем сплавы титана, а, кроме того, у сплавов иттрия отсутствует «ползучесть» под нагрузкой, которая ограничивает области применения титановых сплавов).

Иттрий вводят в жаростойкие сплавы никеля с хромом (нихромы) с целью повысить температуру эксплуатации нагревательной проволоки или ленты и с целью в 2—3 раза увеличить срок службы нагревательных обмоток (спиралей), что имеет громадное экономическое значение.

Введение незначительных количеств иттрия в сталь делает ее структуру мелкозернистой, улучшает механические, электрические и магнитные свойства. При добавлении небольших количеств иттрия (десятые, сотые доли процента) в чугун, твердость его возрастет почти вдвое, а износостойкость - в четыре раза. Такой чугун становится менее хрупким, по прочностным характеристикам он приближается к стали, легче переносит высокие температуры. И особенно важно, что иттриевый чугун можно переплавлять несколько раз, но прочностные характеристики при этом сохраняются.

Небольшие добавки иттрия к хрому заметно повышают его рабочую температуру благодаря воздействию на защитную пленку из окиси хрома. Хотя многие другие редкоземельные металлы тоже влияют на окалинообразование и поглощение хромом азота, по своей эффективности в этом отношении они значительно уступают иттрию. Последний очищает хром и измельчает его зерно.

Присадка к ванадию от 0,5 до 2% иттрия способствует в значительной мере очищению металла от кислорода, создавая возможности холодной обработки ванадия давлением. Его действие объясняется тем, что в области несмешиваемости двух жидкостей расплавленный иттрий взаимодействует с кислородом, причем образующаяся окись иттрия всплывает наверх, освобождая ванадиевую фазу от кислорода.

Иттрий слабо растворим в сплавах на основе железа. Но даже этой малой растворимости бывает достаточно, чтобы заметным образом улучшить обрабатываемость сплавов железа с хромом, облагородить их структуру и повысить высокотемпературное сопротивление рекристаллизации. Добавка 1% иттрия к такому сплаву железа с хромом, как AISI-446, повышает высокотемпературное сопротивление окислению с 1100 до 1480°С, обусловленное образованием самозалечивающейся защитной оксидной пленки. В то же время добавки иттрия к аустенитным нержавеющим сталям и сплавам на основе никеля их сопротивления окислению не повышают.

Покрытия иттрием и его соединениями

Напыление (детонационное и плазменное) иттрия на детали, например, двигателей внутреннего сгорания позволяет увеличить износостойкость в 400—500 раз по сравнению с хромированием.

Дуговая сварка

Добавлением иттрия в вольфрам резко снижают работу выхода (у чистого иттрия 3,3 эВ), что используется для производства иттрированных вольфрамовых электродов для аргонодуговой сварки и составляет значительную статью расхода металлического иттрия.

Атомная промышленность

Из иттрия делают трубопроводы, по которым транспортируют жидкое ядерное горючее – расплавленный уран или плутоний. Иттрий высокой чистоты легко вытягивается в трубы, хорошо сваривается в атмосфере инертного газа и, что очень важно, отлично шлифуется. С ураном и плутонием он практически не реагирует, что делает иттриевые трубы более долговечными. Из сплавов иттрия с бериллием стали делать отражатели и замедлители нейтронов, работающие в атомных реакторах при температуре более 1100°C.

2. Оксид иттрия Y₂O₃.

Физические и химические свойства

Белый порошок (плотность равна 5,046 г/см³) или бесцветные диамагнитные кристаллы (плотность равна 4,84 г/см³), t_пл=2417°С, t_кип=4297°С.

Мало растворим в холодной воде и щелочах. Растворяется в кислотах, поглощает газообразный аммиак. Получают нагреванием иттрия в атмосфере кислорода или прокаливанием гидроксида, нитрата, карбоната иттрия.

Производство

Оксид иттрия получают в процессы производства металлического иттрия, как было описано выше. Окись иттрия по содержанию контролируемых примесей должна удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-191-72:

Марка

ИтО-МГр

ИтО-ПГр

ИтО-1

ИтО-2

Содержание окисей других редкоземельных металлов, % не более

Неодима

1.10^-4

Самария

1.10^-4

1.10^-2

5.10^-4

Европия

1.10^-2

Гадолиния

1.10^-5

1.10^-2

5.10^-5

Тербия

1.10^-5

1.10^-3

1.10^-5

Диспрозия

1.10^-6

1.10^-2

2.10^-5

Гольмия

1.10^-5

1.10^-2

5.10^-5

Туллия

1.10^-5

Содержание гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия окисей

5.10^-2

Содержание прочих контролируемых примесей, % не более

Ванадия

2.10^-3

Железа

2.10^-4

5.10^-4

1.10^-3

Калия

5.10^-4

Кальция

5.10^-4

5.10^-3

5.10^-4

1.10^-2

Кобальта

5.10^-5

Кремния

1.10^-3

1.10^-2

1.10^-3

Марганца

5.10^-5

Меди

2.10^-5

5.10^-3

1.10^-4

1.10^-3

Натрия

5.10^-4

3.10^-3

5.10^-4

1.10^-3

Никеля

5.10^-5

Титана

1.10^-4

Серы

1.10^-3

Фосфора

2.10^-2

Хлора

2.10^-3

5.10^-2

0.1

Хрома

5.10^-5

1.10^-4

Применение оксида иттрия

Керамика

Широко используется оксид иттрия в керамической промышленности. Так, например, широко известен «Иттралокс» (Yttralox) — твёрдый раствор двуокиси тория в окиси иттрия. Для видимого света этот материал прозрачен, как стекло, но также он очень хорошо пропускает инфракрасное излучение, поэтому его используют для изготовления инфракрасных «окон» специальной аппаратуры и ракет, а также используют в качестве смотровых «глазков» высокотемпературных печей. Плавится «Иттралокс» лишь при температуре около 2207 °C.

Огнеупорные материалы

Оксид иттрия — чрезвычайно устойчивый к нагреву на воздухе огнеупор, упрочняется с ростом температуры (максимум при 900—1000 °C), пригоден для плавки ряда высокоактивных металлов (в том числе и самого иттрия). Особую роль оксид иттрия играет при литье урана. Одной из наиболее важных и ответственных областей применения оксида иттрия в качестве жаропрочного огнеупорного материала является производство наиболее долговечных и качественных сталеразливочных стаканов (устройство для дозированного выпуска жидкой стали), в условиях контакта с движущимся потоком жидкой стали оксид иттрия наименее размываем.

Люминофоры

Окись и ванадат иттрия, легированные ионами европия, используются в производстве кинескопов.

Ферриты

Сегодня в мире более 15 фирм производят микроволновые ферриты, две из которых российские – НИИ “Домен” и ОАО “Завод Магнетон”. Выпускаемые ферриты синтезированы на основе соединений со структурой граната (материалы на основе иттрий-железного граната Y₃Fe₃O₁₂), шпинели (материалы на основе никелевой NiFe₂O₄, литиевой Li_0,5Fe_2,5O₄ или магниевой MgFe₂O₄ шпинели) или соединений с гексагональной кристаллической структурой (гексаферриты).

3. Другие соединения иттрия и их применение

Хромит иттрия — это материал для лучших высокотемпературных нагревателей сопротивления способных эксплуатироваться в окислительной среде (воздух, кислород).

Важным соединением иттрия является его теллурид. Имея малую плотность, высокую температуру плавления и прочность, теллурид иттрия имеет одну из самых больших термо-э.д.с среди всех теллуридов, а именно 921 мкВ/К (у теллурида висмута например 280 мкВ/К) и представляет интерес для производства термоэлектрогенераторов с повышенным КПД.

Иттрий - один из компонентов иттрий-медь-бариевой керамики с общей формулой YBa₂Cu₃O_7-δ — перспективного высокотемпературного сверхпроводника с температурой сверхпроводящего перехода около 90°К.

Бериллид иттрия является одним из лучших конструкционных материалов аэрокосмической техники. Плавясь при температуре около 1920°C, начинает окисляться на воздухе при 1670°C . Удельная прочность такого материала весьма высока, и при использовании его в качестве матрицы для наполнения нитевидными кристаллами (усами) можно создать материалы, имеющие уникальные прочностные и упругие характеристики.

Оксосульфид иттрия, активированный европием, применяется для производства люминофоров в цветном телевидении (красная компонента), а активированный тербием — для черно-белого телевидения.

Гексаборид иттрия имеет малую работу выхода (2,22 эВ) и применяется для производства катодов мощных электронных пушек (электронно-лучевая сварка и резка в вакууме).

Тетраборид иттрия находит применение в качестве материала для управления атомным реактором (имеет малое газовыделение по гелию и водороду).

Ортотанталат иттрия синтезируется и используется для производства рентгеноконтрастных покрытий.

Синтезированны иттрий-алюминиевые гранаты («сиграны») (ИАГ), имеющие ценные физико-химические свойства, они могут применяться и в ювелирном деле, и уже довольно давно применяются в качестве технологичных и относительно дешёвых твердотельных лазеров. Важным лазерным материалом является ИСГГ — иттрий-скандий-галлиевый гранат.

Феррит иттрия применяется для производства супер-ЭВМ, и хотя он уступает ферриту скандия в несколько раз, он дешевле.

Гидрид иттрия-железа применяют как аккумулятор водорода с высокой емкостью и достаточно дешевый.

В электронике железоиттриевые гранаты являются компонентами микроволновых радаров для контроля высокочастотных сигналов. Лазерные кристаллы алюмоиттриевого граната используются в промышленной резке и сварке, в медицине, стоматологии, в фотолюминесценции, фотохимии, цифровой связи и нелинейной оптике.

Магниты для промышленного применения

Thu, 17 Apr 2008 01:35:23 +0400

ООО "Полимагнит" принимает заказы на изготовление постоянных магнитов с практически любыми технологически доступными характеристиками (размерами, энергетическим произведением, рабочей температурой). Форма, направление намагниченности и тип покрытия определяются заказчиком.

Поставляемые нами магнитные материалы и изделия обладают тем преимуществом, что, соответствуя стандартам качества, предлагаются по цене заметно ниже той, которая сложилась на российском рынке на аналогичную продукцию.

Основные магнитные материалы, предлагаемые для продажи:

Спеченные постоянные магниты NdFeB

Спеченные постоянные магниты на основе сплавов типа Nd-Fe-B обладают следующими преимуществами с точки зрения миниатюризации магнитных и электротехнических устройств.
- более высокие магнитные параметры по сравнению с литыми и ферритовыми магнитами (NdFeB в 8-10 раз мощнее ферритов)
- возможность создания сильных магнитных полей при малых габаритах
- одно из наилучших отношений энергетического произведения к цене
- возможность применения в широком спектре электротехнических устройств, включая электродвигатели большой мощности
Спеченные постоянные магниты SmCo

Самарий-кобальтовые магниты обладают уникальным сочетанием высокотемпературных магнитных свойств, что делает их идеальными для использования в таких устройствах, как серводвигатели, сенсоры и другие устройства, в которых наши изделия должны функционировать при повышенных температурах и/или в среде, вызывающей коррозию:
- обладают сильными магнитными свойствами - в 5-7 раз мощнее ферритов
- очень устойчивы при воздействиях, способных вызывать коррозию
- обладают стабильными магнитными свойствами при высоких температурах (до 350°С).
Постоянные магниты Альнико (ЮНДК)

Постоянные магнитные материалы на основе сплава Al-Ni-Co-Fe, часто называемые Альнико (ЮНДК - в России), в настоящее время уверенно занимают свою нишу на рынке магнитных материалов. Альнико имеют следующие основные преимущества:
- коррозийная устойчивость
- стабильность при высоких температурах (до 550°С)
- низкая цена по сравнению с другими магнитотвердыми материалами
- большое значение Br (остаточной магнитной индукции)
Ферриты

Ферриты занимают по объему потребления около 75% мирового рынка магнитных материалов благодаря своим достоинствам:
- слабая подверженность размагничиванию
- коррозионная стойкость
- низкая цена по сравнению с другими магнитотвердыми материалами
Магнитопласты

Магнитопласты изготавливаются из смеси магнитного порошка и связующей полимерной компоненты. Этот вид магнитных материалов имеет ряд ценных качеств, выгодно отличающих их от металлических или керамических магнитов, получаемых спеканием.
- большой срок службы изделий из магнитопластов
- высокая воспроизводимость и стабильность магнитных свойств
- хорошая механическая прочность и пластичность
- устойчивость к коррозии
- вес, меньший, чем у магнитотвердых материалов
- возможность с малыми затратами получать изделия сложной формы

Заказать необходимую Вам продукцию Вы можете перейдя по ссылке.

Редкоземельные металлы

Mon, 14 Apr 2008 17:10:08 +0400

Редкоземельные ЭЛЕМЕНТЫ, строго говоря - это лантаноиды - группа элементов с порядковыми номерами с 57 по 71 включительно. Наряду с ними в природе залегают такие химические элементы, как: ниобий, цирконий, иттрий, цезий, рубидий и др. Для удобства будем называть совокупность тех и других редкоземельными элементами.

Редкоземельные металлы занимают особое и важное место в нашей жизни. Это стало особенно заметно во время бурного развития промышленности в индустриальную эпоху ХХ века. Тенденция развития рынка редкоземельных элементов безусловно сохранится и в ХХl веке. По оценкам экспертов, потребность промышленности к химическим соединениям на их основе сохранит тенденцию к росту на протяжении ряда лет, пока не достигнет рыночного баланса.

Природные ресурсы редкоземельных металлов представлены, главным образом, в виде их оксидов. Крупнейшие в мире месторождения оксидов редкоземельных элементов расположены в Китае, за Китаем следуют США, Австралия, Индия. Основная масса этих минералов содержит так называемые легкие редкие земли, которые имеют наибольший спрос на рынке, к тому же они более доступны по цене. К легким редким землям относятся такие химические элементы как лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий и гадолиний.

По данным международных и отечественных экспертов добыча редкоземельных металлов в РФ может осуществляться на месторождениях Кольского полуострова, однако достоверных данных относительно объема такой добычи нет.

В отличие от РФ и СНГ в целом, в Китае осуществляется пятилетний план (2001-2005 гг.) развития индустрии редкоземельных оксидов. Цель этого плана - повышение конкурентноспособности продукции китайского производства и обеспечение устойчивого роста данной отрасли промышленности.

Уже сегодня среди потребителей редких земель китайского производства такие корпорации, как Дженерал Моторс, Дженерал Электрик, Филиппс, Тошиба, Самсунг и пр.

Наибольшее применение редкоземельные химические элементы нашли:

в производстве цеолитсодержащих катализаторов для крекинга нефтяных фракций;
в металлургии в качестве модификаторов и присадок, главным образом, оксид иттрия YO;
в производстве постоянных магнитов: неодим, самарий, тербий, диспрозий и др.;
в производстве пьезокерамики: двуокись циркония, пятиокись ниобия, двуокись гафния и др.;
специальных видов стекла: церий, неодим, празеодим, гольмий и др.

Наша компания является эксклюзивным дистрибьютером по России, Украине и Белоруссии промышленной группы Baotou Iron and Steel Company, контролирующей 77% мировых запасов редкоземельных металлов.

Пермаллои

Mon, 14 Apr 2008 16:42:12 +0400

Пермаллои - железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80 %Ni)) пермаллои. Такое подразделение обусловлено смещением магнитных и электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля. Электропроводность у низконикелевого пермаллоя значительно выше (примерно в два раза), чем у высоконикелевого пермаллоя. Это приводит к разграничению области применения низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев.

Обе группы пермаллоев для улучшения электромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом ( Mo ), хромом ( Cr ), медью ( Cu ) и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатанными с последующим высокотемпературным отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. Cердечники из пермаллоя оченгь чувствительны к механическим напряжениям – могут ухудшиться их магнитные характеристики.

Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это же приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений. По основным магнитным свойствам выделяются несколько групп пермаллоев.

Сплавы с наибольшей магнитной проницаемостью рекомендуются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов при их толщинах менее 0.02 мм - для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и реле.

Сплавы с повышенным удельным сопротивлением реализуют для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры звуковых и высоких частот, работающих без перемагничивания.

С увеличением частоты следует применять более низконикелевые пермаллои тонкого проката.

Наша компания предлагает широкий спектр различных магнитных материалов, в том числе и магнитомягких, а также изделий из них. Для перехода на страницу заказа щелкните этой ссылке.

Магнитомягкие ферриты

Mon, 14 Apr 2008 16:36:29 +0400

Магнитомягкие ферриты - химические соединения окисла железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. Наиболее широко применяются ферриты с химической формулой MeFe₂O₄, где Me - какой-либо двухвалентный катион.

Ферриты могут обладать самопроизвольной намагниченностью, которая обусловлена спиновыми магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода. Ферриты производятся по керамической технологии. Как правило, их производят из механической смеси оксидов или карбонатов.

Магнитомягкие ферриты применяются:
- для магнитопроводов, работающих в слабых, сильных магнитных полях до 100 МГц и в импульсном режиме;
- для изготовления магнитных усилителей, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных двигателей, термомагнитных компенсаторов и так далее.

Они обладают механическими свойствами такими же, как и у керамики - твердость, хрупкость, недопустимость обработки резанием. При спекании - усадка от 10 до 20%. Хорошо шлифуются и полируются абразивными материалами, режутся алмазным инструментом. Наиболее широко в качестве магнитомягких ферритов применяют никель-цинковые ( NiZn ) и марганец-цинковые ( MnZn ) ферриты, представляющие собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe₂O₄ и MnFe₂O₄, являющиеся ферромагнетиками, с немагнитным ZnFe₂O₄.

Имеют очень низкие потери на вихревые токи и гистерезис в области слабых полей вследствие низкой электропроводности. Основной недостаток ферритов по сравнению с, например, пермаллоями – сравнительно малое значение их магнитной проницаемости.

Наша компания предлагает широкий спектр различных магнитных материалов, в том числе и магнитомягких, а также изделий из них. Для перехода на страницу заказа щелкните по ссылке.

Применение магнитомягких материалов

Mon, 14 Apr 2008 05:26:50 +0400

1. Основные магнитные величины и характеристики магнитных материалов.

Любой проводник, через который протекает электрический ток, создаёт вокруг себя магнитное поле. Магнитное поле в вакууме (внешнее магнитное поле) характеризуется напряженностью магнитного поля Н, измеряемой в системе единиц СИ в Ампер-витках/метр, а в системе СГС в Эрстедах (1 А/м » 0,125 Э). В качестве характеристики поля также вводится величина, именуемая магнитодвижущей силой, и имеющая размерность Н ´ единицу длины (Ампер-виток в СИ и Гильберт в СГС). Для описания магнитного поля в материале вводится величина, называемая плотностью магнитного потока, или индукцией В (единица измерения Гаусс (Гс) в СГС и Тесла (Т) в СИ, 1 Т = 10000 Гс). В вакууме в системе СГС В = Н. Магнитный поток Ф, представляющий собой произведение B ´ S, где S – площадь, измеряется в системе СИ в Веберах (Вб), а в системе СГС в Максвеллах (1 Вб = 10⁸ Максвеллов). В катушке с сердечником из магнитного материала поток магнитного поля можно представить как сумму:

Ф_полн = Ф_{катушки} + Ф_{сердечника},

где Ф_{катушки} – поток, создаваемый самой катушкой, а Ф_{сердечника} – поток, создаваемый материалом сердечника.

Магнитный материал может находиться в магниторазупорядоченном и магнитоупорядоченном состояниях. В последнем случае магнитные моменты атомов, составляющих магнитный материал, ориентированы в определённом направлении, а в первом случае они совершают хаотические движения под действием тепловой энергии. Температура магнитного упорядочения ферромагнетиков (материалов, у которых магнитные моменты атомов упорядочены коллинеарно) носит название температуры Кюри (Т_С). Выше температуры Кюри ферромагнетик находится в магниторазупорядоченном состоянии. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитный материал находится в размагниченном состоянии (если не принято специальных мер для сохранения намагниченного состояния, как это имеет место в постоянных магнитах), даже при температуре ниже точки Кюри. Причина заключается в том, что образец создает вокруг себя собственное поле (это поле называется размагничивающим), в результате чего полная энергия системы (магнитный момент образца + поле образца) увеличивается. Стремясь минимизировать свою энергию, образец разбивается на отдельные области (домены), намагниченные внутри до насыщения. Магнитные моменты доменов ориентированы таким образом, что полный магнитный момент образца равен нулю. При помещении магнитного материала во внешнее магнитное поле происходит перестройка доменной структуры, в результате чего у образца возникает магнитный момент, возрастающий при увеличении внешнего магнитного поля. Магнитный момент, отнесенный к единице объёма, носит название намагниченности М (в системе СГС измеряется в Гауссах, в системе СИ в Тесла, как и плотность магнитного потока). В системе СГС поле Н, индукция В и намагниченность М связаны следующим соотношением:

Магнитная проницаемость c является характеристикой магнитного материала и определяется как приращение магнитной индукции, отнесённое к приращению напряженности магнитного поля. Таким образом, магнитная проницаемость служит мерой чувствительности магнитного материала к воздействию внешнего магнитного поля. Различают относительную и абсолютную магнитную проницаемости. Относительная магнитная проницаемость измеряется в безразмерных величинах относительно проницаемости вакуума. Проницаемость вакуума в единицах СГС и СИ различна: она равна единице в СГС и 4p´10^-7 в СИ. Относительная проницаемость жестких магнитных материалов как правило несколько выше единицы, а проницаемость магнитомягких материалов может достигать нескольких сотен тысяч единиц (суперпермаллой). Магнитная проницаемость зависит от поля и может сильно изменяться с увеличением поля – на начальном участке кривой начального намагничивания она максимальна, а затем уменьшается.

На рис. 1 приведены типичные кривые намагничивания размагниченного ферромагнитного материала. Кривая 0АВ является начальной кривой намагничивания. При увеличении магнитного поля от нуля до т-ки А сначала происходит перестройка доменной структуры (обратимое смещение доменных стенок, необратимое смещение доменных стенок, вращение намагниченности доменов) до тех пор пока образец не перейдет в однодоменное состояние и не начнутся процессы подавления внешним полем разориентации магнитных моментов атомов, возникающей в результате теплового движения (такое намагничивание носит название парапроцесса). На рис. 1 парапроцесс начинается от точки А и продолжается при дальнейшем росте внешнего поля. Начиная с некоторого значения поля намагниченность практически перестаёт изменяться, а магнитная проницаемость материала приближается к значению проницаемости в вакууме. Такое состояние называется состоянием насыщения материала (т-ка В на рис. 1). Поле, соответствующее состоянию насыщения, называется полем насыщения, а намагниченность или индукция – намагниченностью насыщения или индукцией насыщения, соответственно. Если теперь начать уменьшать магнитное поле (размагничивать образец), то индукция образца не будет изменяться по прежней (начальной) кривой намагничивания. Ход кривой размагничивания показан на рис. 1 стрелками. Теперь при уменьшении поля до нуля намагниченность образца в общем случае не будет равна нулю. Величина намагниченности (индукции), которую образец сохраняет при уменьшении внешнего намагничивающего поля до нуля после достижения полного насыщения, называется остаточной намагниченностью (индукцией) M_r (B_r). Теперь, чтобы уменьшить намагниченность образца до нуля необходимо приложить внешнее поле величиной H_c в обратном направлении. Величина H_c называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении поля по абсолютной величине, намагниченность начнёт опять возрастать и опять достигнет значения намагниченности насыщения, правда, противоположного знака. Уменьшение внешнего поля по абсолютной величине повторит ход кривой намагничивания, в результате чего образуется замкнутая кривая - петля гистерезиса (см. рис. 1). Такое «запаздывание» намагниченности относительно поля носит название полевого гистерезиса, который характерен для магнитотвёрдых (магнитожёстских) материалов. Дальнейшее увеличение и уменьшение внешнего поля будет вызывать движение по петле гистерезиса. Чтобы вернуться в начальное состояние образца, его необходимо размагнитить, что осуществляется циклическим изменением магнитного поля с постепенным уменьшением его амплитуды до нуля. Ещё один способ размагнитить образец – нагреть его выше температуры магнитного упорядочения (точки Кюри у ферромагнетиков). Магнитное состояние при этом будет разрушено.

Рис. 1. Петля гистерезиса.

В зависимости от того, учтено при построении петли гистерезиса размагничивающее поле, создаваемое самим образцом, или нет (это определяется условиями измерения петли гистерезиса), различают нормальную и внутреннюю петли гистерезиса – см. рис. 2. Как можно видеть из рис. 2, величина остаточной индукции в обеих петлях одинакова, однако коэрцитивная сила будет различной. «Внутренняя» коэрцитивная сила образца (она обозначается H_ci) больше по величине, чем «нормальная» коэрцитивная сила.

Рис. 2. Нормальная и внутренняя петли гистерезиса.

Следующей характеристикой магнитного материала (она используется для магнитожёстских материалов) является энергетическое произведение ВН. Таким образом, данная величина определяется как магнитная индукция материала, умноженная на величину магнитного поля, необходимого для достижения этого значения индукции. Данное произведение в системе СИ имеет размерность Джоуль/м³, в в СГС - Гаусс´Эрстед (1 Дж/м³ = 125,63 ГсЭ). Для магнитных материалов используется величина, именуемая максимальное энергетическое произведение. Чем выше максимальное энергетическое произведение, тем лучше постоянный магнит.

В магнитомягких материалах гистерезис мал. Ширина петли гистерезиса (площадь, ограниченная петлёй) определяет энергию, необходимую для перемагинчивания материала. Поскольку магнитомягкие материалы используются в качестве сердечников катушек индуктивности и трансформаторов, через которые текут переменные токи, то потери в сердечниках должны быть сведены к минимуму для увеличения эффективности устройства. Поэтому петля гистерезиса магнитомягких материалов должна быть как можно более узкой. Необходимо отметить, что потери в сердечнике складываются не только из потерь на перемагничивание (гистерезисных потерь), но и потерь на токи Фуко (вихревые токи), индуцируемые переменными магнитными полями в проводящих материалах. Эффективный сердечник, таким образом, должен иметь как можно меньшую проводимость. Энергия в сердечнике рассеивается в виде тепла. Потери в сердечнике измеряются в системе СИ в Ваттах ( 1 Вт = 1 Дж/сек).

2. Основные типы магнитомягких материалов.

2.1. Магнитомягкие ферриты.

Магнитомягкие ферриты получают из окислов железа, добываемых в качестве полезных ископаемых. К окислам добавляются различные металлы (никель, марганец, цинк). Затем смеси прессуются в нужные формы и спекаются для формирования собственно ферритов. Завершает процесс окончательная шлифовка и покрытие изделия.

Марганец-цинковый феррит имеет высокую проницаемость и низкие потери на вихревые токи. Никель-цинковые ферриты имеют более низкую проницаемость и очень низкие потери на вихревые токи. Диапазон частот, в котором используются магнитомягкие ферриты лежит от 10 кГц до 1 ГГц и выше. Ферриты характеризуются низкой индукцией насыщения (от 2500 до 4000 Гс), но могут формироваться в виде изделий с различными видами зазоров. Благодаря низким потерям на высоких частотах, ферриты широко используются в сердечниках трансформаторах преобразователей напряжения, катушках индуктивности фильтров, высокочастотных трансформаторах, магнитных антеннах и других радиотехнических устройствах. Вместе с тем, магнитные свойства ферритов достаточно сильно зависят от температурах.

2.2. Пластины из магнитомягких материалов (Scrapless Laminationsand Shearings)

Scrapless Laminations обычно имеют форму E-E, U-I и E-I. Они получаются штамповкой из тонких листов магнитного материала (обычно Si-Fe, Ni-Fe или Co-Fe). Затем с помощью специальных приспособлений из пластин формируются сердечники для трансформаторов. Преимуществом Scrapless Laminations является то, что при больших объемах производства можно получать качественные сердечники с высокой проницаемостью для применений в области низких частот.

Shearings представляют собой полоски из тонких листов, полученные рубкой. Иногда они имеют форму полос, соединённых под углом 45 градусов, а иногда имеют отверстия под болт. Используемый материал почти всегда - Si-Fe. Shearings складываются таким образом, чтобы получить формы U-I и E-I. Преимуществом данного метода является то, что можно получить сердечники большого размера. Scrapless Laminations и Shearings из Si-Fe обычно используются для сердечников трансформаторов, работающих при частотах около 60 Гц.

2.3. Материалы на основе порошкового железа

Сердечники из порошкового железа изготавливаются из частиц железа чистотой 99+ %. Существуют различные порошки железа – начиная от довольно грязного и дешевого губчатого железа и кончая дорогими карбонильными порошками высокой чистоты. Порошки смешиваются со связующей компонентой и прессуются в формах при высоком давлении для получения нужных изделий. После прессования изделие вулканизируется, но отжиг не производится. Процедура выполняется таким образом, чтобы отдельные частицы не сплавлялись и между ними не возникал электрический контакт. Технологический процесс получения материалов на основе порошкового железа показан на рис. 3. Необходимо отметить, что порошковые сердечники не являются спечёнными материалами. Т.к. между частицами существуют зазоры, то такой сердечник представляет собой так называемую систему с распределённым зазором. Хотя материал частиц имеет высокую проницаемость, эффективная проницаемость самого порошкового сердечника может иметь максимальную величину 90. Порошковые сердечники делятся по проницаемости на три категории – с высокой проницаемостью, со средней проницаемостью и с низкой проницаемостью. Сердечники с высокой проницаемостью (от 60 до 90) используются в фильтрах и в диапазоне частот до 75 кГц. Сердечники со средней проницаемостью (от 20 до 50) используются в радиочастотных трансформаторах и различных катушках индуктивности в диапазоне частот от 50 кГц до 2 МГц. Они могут обеспечивать магнитный поток большей величины без достижения насыщения, чем ферритовые материалы. Сердечники с низкой магнитной проницаемостью (от 7 до 20) используются исключительно в области радиочастот. Типичные применения этих материалов – радиочастотные трансформаторы и сердечники катушек индуктивности для диапазона частот от 2 до 500 МГц. В некоторых радарных системах порошковые сердечники используются при частотах до 1 ГГц. Хорошие характеристики по магнитному потоку, низкие потери и высокая температурная стабильность обеспечивают широкое применение порошковых сердечников в устройствах радиосвязи. Высокая гибкость технологии порошковых сердечников позволяет получать изделия различной формы.

Рис. 3. Технологический процесс получения материалов на основе порошкового железа. Raw materials – исходные материалы, mixer - смеситель, mix with insulation – смешение с изолирующей компонентой, shovel onto trays for baking to dry – сушка и термообработка на поддонах, press at 30-35 TSI – прессование под давлением, cure - вулканизация, deburr radius to remove sharp edges – удаление острых фасок, paint and cure –покраска и вулканизация, final test – заключительный контроль.

Недостатками порошковых магнитных материалов являются:

1. ограниченная величина магнитной проницаемости;

2. относительно высокие потери;

3. изменение величины проницаемости с изменением магнитного потока.

Преимуществами порошковых магнитных материалов является:

1. низкая стоимость на единицу запасаемой энергии;

2. высокая плотность энергии на единицу объёма;

3. температурная стабильность;

4. возможность получения изделий различной формы.

Т.к. порошковые магнитные материалы используются в качестве сердечников катушек индуктивности, то при электрическом тестировании измеряется величина проницаемости. При дополнительном тестировании определяются характеристики насыщения (тестирование при смещении постоянного тока) и тестирование потерь (Q тест).

2.4. МРР (Molybdenum Permalloy Powder) материалы

Другим примером порошкового магнитного материала, производимого компанией Arnold является МРР (Molybdenum Permalloy Powder) материал, получаемый прессованием порошка из 81 % никеля, 2 % молибдена и 17 % железа. Arnold производит собственный МРР порошок из подвергаемых контролю исходных материалов, из которых выплавляются слитки, которые затем прокатываются в хрупкие листы. Полученные листы размалываются порошок. Перед прессованием в порошок добавляется изолятор, а после прессования МРР сердечники подвергаются отжигу с целью снятия напряжений. Технологический процесс изображен на рис. 4.

Величина проницаемости МРР лежит в интервале от 14 до 350. Для того, чтобы получить такую низкую проницаемость из материала с высокой проницаемостью необходимо создать существенный распределённый зазор в материале. Из-за большой величины распределённого зазора и скошенности петли гистерезиса сердечники из МРР материала особо стабильны по отношению к изменению величины плотности потока, температуры и постоянного тока. Такие сердечники обычно используются в катушках индуктивности и в устройствах с накоплением энергии. МРР сердечники с низкой проницаемостью используются в области низких частот (ниже 500 кГц). С ростом величины восприимчивости ухудшается температурная стабильность материала. Наиболее популярные марки материала имеют проницаемость от 60 до 173 – в этом диапазоне преимущества материала проявляются наиболее отчетливо.

Преимуществом МРР материалов является то, что величина их восприимчивости практически не изменяется даже при потоке в материале величиной до 3500 Гс. Выше этого предела проницаемость начинает уменьшаться. В других порошковых материалах проницаемость сильно зависит от величины магнитного потока, что вызывает общую нестабильность устройств, в которых используются такие материалы.

Рис. 4. Технологический процесс производства МРР. Mix raw materials – cмесь исходных материалов, melt and cast into billets – плавление и отливка заготовок, hot roll into sheets – горячая прокатка для получения листа, mill shits into powder – перемалывание листов в порошок, anneal powder – отжиг порошка, powder soldered by particle size – сортировка порошка по размеру зерна, powder particle insulated with high-temperature dielectric film – изоляция частиц с помощью высокотемпературной диэлектрической плёнки, cores pressed from powder – прессование сердечников из порошка, sharp edges and broken – снятие фасок, cores are annealed – отжиг сердечников, cores are acid etched – травление сердечников в кислоте, paint and cure – покраска и вулканизация, final inspection and packaging – заключительный контроль и упаковка.

Недостатки МРР:

1. более высокая, по сравнению с материалами на основе порошкового железа, стоимость производства, т.к. в этих материалах используется дорогой магнитный порошок и керамический изолятор;

2. необходимость использования высоких давлений при прессовании ограничивает допустимые формы изделий только тороидом.

Преимущества МРР:

1. очень высокая температурная стабильность;

2. высокая запасаемая энергия на единицу объёма;

3. возможность получения марок материалов с небольшим шагом по проницаемости;

4. наиболее низкие среди порошковых материалов потери;

5. стабильность по отношению к изменению величины магнитного потока через материал;

6. наиболее низкий коэффициент магнитострикции среди всех порошковых материалов.

Тестирование МРР материалов в основном заключается в измерении проницаемости. Дополнительным этапом тестирования может являться сортировка материала по значению проницаемости. Измерение потерь, насыщения и изменения свойств с температурой выполняется обычным образом.

Данные по МРР сердечникам находятся в каталоге Magnetic Powder Cores. Изделия маркируются кодом «A-xxxyyy-2». Часть «ххх» служит для обозначения размера и проницаемости данного сердечника, а «ууу» является числом A_L, в миллигенри на 1000 витков. Число A_L является просто индуктивностью катушки, состоящей из данного количества витков и намотанной на данный сердечник. Это число отражает не только свойства материала, из которого выполнен сердечник, но и размеры сердечника. A_L обычно измеряется в миилигенри на 1000 витков или в микрогенри на 100 витков.

2.5. HI-FLUX материалы

Материалы HI-FLUX являются разновидностью материалов МРР и отличаются составом магнитной компоненты: 50 % никеля + 50 % железа вместо 81 % Ni + 2 % Mo + 17 % Fe в МРР. Технологический процесс практически идентичен используемому при производстве МРР. Сердечники HI-FLUX производятся диаметром до 132 мм и с проницаемостью от 14 до 160 и могут работать с потоками магнитного поля до 6500 Гс, в отличие от МРР, которые рассчитаны на максимальный поток до 3500 Гс. HI-FLUX материалы характеризуются худшей, чем МРР, стабильностью, поскольку в них имеет место менее распределённый зазор для получения уменьшенной восприимчивости. Потери в этих материалах также выше, чем в МРР. Из-за более высокой индукции насыщения и энергетических характеристик, HI-FLUX материалы используются в качестве сердечников трансформаторов строчной развёртки и катушек для накопления энергии. Особенно эти материалы подходят для катушек индуктивности сетевых фильтров, т.к. в области низких частот потери незначительны, большая индукция насыщения играет важную роль. Стоимость HI-FLUX материалов примерно такая же, как и МРР материалов.

Недостатки HI-FLUX материалов:

1. более высокие потери, чем в МРР материалах;

2. более высокая, чем у материалов на основе порошка из железа, стоимость производства;

3. необходимость использования высоких давлений, что ограничивает возможные формы изделий тороидами.

Достоинства HI-FLUX материалов:

1. температурная стабильность;

2. высокая запасаемая энергия на единицу объёма;

3. возможность получения марок материалов с небольшим шагом по проницаемости;

4. более высокая, чем у МРР, B_max;

5. проницаемость может достигать 160 против менее чем 100 у материалов на основе порошка железа.

Электрическое тестирование HI-FLUX аналогично тестированию МРР. Изделия из HI-FLUX маркируются кодом «HF-xxxyyy-2». Число «ххх» служит для обозначения отношения внешнего диаметра сердечника к его внутреннему диаметру, а «ууу» является проницаемостью материала. Данные по HI-FLUX сердечникам находятся в каталоге Magnetic Powder Cores.

2.6. SUPER-MSS материалы

SUPER-MSS является другой разновидностью МРР. Этот материал представляет собой композицию из железа-кремния-алюминия, изготовленную способом, аналогичным способу получения МРР. Магнитная компонента, используемая в SUPER-MSS, представляет собой улучшенный «сендаст».

Сердечники из данного материала могут иметь проницаемости 26, 60, 75, 90 и 125. Для SUPER-MSS характерны низкие потери по сравнению с материалом из порошкового железа, низкая стоимость по сравнению с МРР и HI-FLUX и очень низкая магнитострикция. Благодаря низкой магнитострикции сердечники из этого материала дают очень низкий уровень шума при использовании в цепях переменного тока, что делает их популярными для использования в сетевых фильтрах. Потери в этом материале несколько выше, чем в МРР, несколько ниже, чем в HI-FLUX и существенно ниже, чем в материалах с порошковым железом. Как и другие порошковые сердечники, сердечники SUPER-MSS имеют низкую проницаемость и поэтому хорошо подходят для применения в индукционных устройствах, предназначенных для накопления энергии.

Недостатки материалов с SUPER-MSS:

1. ограниченный диапазон проницаемостей по сравнению с МРР;

2. более высокие потери, чем в МРР;

3. из данного материала можно изготавливать только сердечники тороидальной формы.

Преимущества материалов с SUPER-MSS

1. существенно меньшие потери, чем в материалах с порошковым железом;

2. возможность накопления энергии с низкой стоимостью;

3. высокая запасаемая энергия на единицу объёма;

4. температурная стабильность;

5. низкая магнитострикция и шум.

Тестирование аналогично используемому в HI-FLUX. Данные по SUPER-MSS сердечникам находятся в каталоге Magnetic Powder Cores.

2.7. Тороидальные ленточные сердечники

Данные сердечники имеют форму тороида и изготавливаются из ленты. Лента в данном случае представляет собой тонкий лист нужной ширины из магнитного сплава на основе железа.

Список используемых в качестве ленточных сердечников материалов включает следующие сплавы:

1. Deltamax (50%Ni /50%Fe)

2. 4750 (47%Ni/53%Fe)

3. 4-79 Mo-Permalloy (80%Ni /4%Mo /16%Fe)

4. Square Permalloy (80%Ni /4%Mo /16%Fe)

5. Supermalloy (80 %Ni /4%Mo /16%Fe)

6. Supermendur (49%Co /2%V /49%Fe)

7. 2V Permendur (49%Co /2%V /49%Fe)

8. Square loop iron based amorphous Namglass I (аморфныйсплав на основе железа с квадратной петлей гистерезиса)

9. Linear iron based amorphous Namglass II (линейныйаморфный сплав на основе железа)

10. Ultra-square loop cobalt based amorphous Namglass III (аморфныйсплав на основе кобальта с ультраквадратной петлей гистерезиса).

Процесс изготовления ленточных сердечников практически не зависит от типа материала. Во всех случаях лента из магнитного материала покрывается слоем изоляции для избежания межвиткового закорачивания и закручивается в тороид вокруг оправки, которая определяет внутренний диаметр тороида. Затем готовый сердечник отжигается для удаления внутренних механических напряжений. Для некоторых материалов отжиг производится в присутствии постоянного магнитного поля для улучшения свойств материала. После отжига сердечник помещается в защитный кожух, заполненный веществом, поглощающим механические удары и другие воздействия. Такой кожух необходим, т.к. магнитные свойства самого сердечника весьма чувствительны к механическим воздействиям, которые могут существенно их ухудшить. Технологический процесс изготовления ленточных сердечников показан на рис. 5.

National-Arnold Magnetics, подразделение компании Арнольд, является одним из самых крупных в мире производителей ленточных сердечников. Рассмотрим материалы, применяемые в ленточных сердечниках.

2.7.1. Deltamax

Deltamax является материалом с квадратной петлёй гистерезиса, что означает равенство остаточной индукции B_r и индукции насыщения B_sat. Такая петля гистерезиса необходима для сердечников трансформаторов для некоторых специфических целей, таких как MAG AMPS и инвертирующие трансформаторы (Inverter Transformes).

Стоимость исходных материалов высока. Технологический процесс получения ленточных материалов также дорог, так что конечная стоимость изделий достаточно высока. Применяются ленточные материалы в основном в промышленности и военной технике. Ленты Deltamax выпускаются толщиной 4, 2, 1 и ½ mil (mil – одна тысячная дюйма, 1 дюйм = 2,54 см).

Недостатками Deltamax являются:

1. необходимость осторожного обращения с материалами;

2. более высокие потери, чем в пермаллоевых материалах;

3. дороговизна;

4. ограниченный диапазон рабочих частот из-за высоких потерь.

Преимущества Deltamax:

1. высокая квадратичность петли гистерезиса;

2. индукция насыщения величиной около 15000 Гс.

Рис. 5. Технологический процесс изготовления ленточных сердечников. Thick material is rolled to thickness – прокатка исходного материала для получения нужной толщины, slit material to width – резка материала для получения ленты заданной ширины, insulate coating applied – нанесение изолирующего покрытия, material spirally wound onto mandrell – навивка материала на оправку, cores are annealed - отжиг, pre-case test – предварительный контроль, put cores into cases with damping medium – установка сердечников в корпуса с демпфирующим составом, final test – окончательный контроль, vacuum impregnate cores – вакуумная пропитка, cores are cut – резка сердечников, strip cores and check dimentions – контроль размера, temperature stabilize cores – температурная стабилизация сердечников.

Тестирование Deltamax производится по стандартной CCFR процедуре (constant current /flux reset – постоянный ток/сброс (переустановка) поля). Этот метод позволяет исследовать материалы с квадратной петлей гистерезиса и определить основные параметры материала.

2.7.2. 4750

4750 металлургически аналогичен Deltamax. Однако материал 4750, в отличие от Deltamax, имеет закруглённую петлю гистерезиса и более высокую максимальную проницаемость. 4750 также является дорогостоящим материалом и также используется в достаточно специфических областях, в частности, в силовых и токовых трансформаторах. Лента 4750 выпускается толщиной 4, 2 и 1 mil.

Недостатками 4750 являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. более высокие потери, чем у пермаллоевых материалов;

3. дороговизна;

4. ограниченный диапазон рабочих частот из-за высоких потерь.

Преимущества 4750:

1. высокая проницаемость;

2. индукция насыщения около 15000 Гс.

Поскольку основным параметром данного материала является проницаемость, тестирование в основном касается этой характеристики. Также обычно указывается величина начальной проницаемости.

2.7.3. 4-79 Mo-Permalloy

4-79 Mo-Permalloy, более известный как пермаллой, является материалом с очень большой проницаемостью, низкими потерями и закруглённой петлей гистерезиса. Также как и другие ленточные материалы, пермаллой применяется в специфических областях, в частности, в сердечниках токовых и высокочастотных трансформаторов. Ленты 4-79 Mo-Permalloy выпускаются толщиной 4, 2, 1 и ½ mil.

Недостатками 4-79 Mo-Permalloy являются:

1. для обеспечения наилучших свойств необходимо использование защитного кожуха;

2. дороговизна;

3. низкое значение B_max.

Преимущества 4-79 Mo-Permalloy:

1. высокая проницаемость;

2. низкие потери;

3. низкая коэрцитивная сила.

Т.к. основным преимуществом материала является высокая проницаемость, то в основном тестируется этот параметр. Также обычно указывается значение начальной проницаемости.

2.7.4. Square Permalloy («квадратный» пермаллой)

Square Permalloy («квадратный» пермаллой) является модификацией обычного пермаллоя, в котором с помощью отжига получена квадратная петля гистерезиса. Хотя квадратичность петли гистерезиса у этого материала ниже, чем у Deltamax, она достаточна, чтобы материал мог использоваться в магнитных усилителях и инвертирующих трансформаторах, особенно в частотном диапазоне до порядка 80 кГц (в материале с толщиной 1 mil).

Материал используется в индустрии и военной технике. Ленты Square Permalloy выпускаются толщиной 4, 2, 1 и ½ mil.

Недостатками Square Permalloy являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. дороговизна;

3. ограниченный диапазон рабочих частот из-за высоких потерь;

4. ограниченная B_max (8000 Гс).

Преимущества Square Permalloy:

1. квадратная петля гистерезиса;

2. низкие потери.

Тестирование Square Permalloy производится по стандартной CCFR процедуре (constant current /flux reset – постоянный ток/сброс (переустановка) поля). Этот метод позволяет исследовать материалы с квадратной петлей гистерезиса и определить основные параметры материала.

2.7.5. Supermalloy

Supermalloy является ещё одной разновидностью сплава типа пермаллоя с высоким содержанием никеля. С точки зрения достижения максимальной проницаемости данный материал является наилучшим на сегодняшний день. Это свойство определяет области применения этого материала – в частности, он используется в токовых трансформаторах. Supermalloy находит применение в индустрии, военной технике и лабораторных исследованиях. Ленты Supermalloy выпускаются толщиной 4, 2, 1 и ½ mil.

Недостатками Supermalloy являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. дороговизна;

3. ограниченная B_max (8000 Гс).

Преимущества Supermalloy:

1. наивысшая из возможных проницаемость;

2. низкие потери;

3. очень низкая коэрцитивная сила.

2.7.6. Supermendur

Supermendur является кобальт – железным сплавом, отожжённый специальным образом под воздействием механического напряжения для получения квадратной петли гистерезиса. Его особенностью является большая величина B_max – 23-24 кГс. Хотя петля гистерезиса этого материала менее квадратична, чем петля Deltamax, данный материал может использоваться в 400 Гц магнитных усилителях и инвертирующих трансформаторах. Так как обычно эта лента выпускается с толщиной 4 mil, то обычно рабочая частота ограничена 400 Гц. Обычно Supermendur используется в военной технике.

Недостатками Supermendur являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. материал очень дорог;

3. ограниченный рабочий диапазон частот из-за больших потерь в материале;

4. лента выпускается толщиной только 4 mil.

Преимущества Supermendur:

1. квадратная петля гистерезиса;

2. наиболее высокая из возможных на сегодня B_max.

Тестирование Supermendur производится по стандартной CCFR процедуре (constant current /flux reset – постоянный ток/сброс (переустановка) поля). Этот метод позволяет исследовать материалы с квадратной петлей гистерезиса и определить основные параметры материала.

2.7.7. 2V Permendur

2V Permendur в основном такой же сплав, что и Supermendur. Однако в отличие от Supermendur, этот материал имеет закруглённую петлю гистерезиса, а его максимальная проницаемость выше, чем у Supermendur, в то время как B_max несколько ниже и имеет величину около 21 – 22 кГс. Материал также характеризуется весьма высокой магнитострикцией. 2V Permendur обычно применяется в промышленности и военной технике. Ленты 2V Permendur выпускаются толщиной 4 и 2 mil.

Недостатками 2V Permendur являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. более высокие потери, чем в пермаллое;

3. материал очень дорог;

4. ограниченный рабочий диапазон частот из-за больших потерь в материале.

Преимущества 2V Permendur:

1. высокая магнитострикция;

2. насыщение порядка 21000 Гс.

2.7.8. Материалы Namglass

Namglass I является представителем аморфных сплавов. Исходный материал имеет толщину 1 mil и разрезается до нужной ширины. Толщина аморфного материала не может быть уменьшена прокаткой. Namglass I является материалом с примерно квадратной петлей гистерезиса и находят специальное применение, в частности, в импульсных трансформаторах. Стоимость исходного материала достаточно высока, а рынки его сбыта лежат в специальных отраслях индустрии, таких как медицинская промышленность.

Недостатками Namglass I являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. более высокие потери, чем в пермаллое;

3. материал очень дорог;

4. ограниченный рабочий диапазон частот из-за больших потерь в материале.

Преимущества Namglass I:

1. низкая магнитострикция;

2. насыщение порядка 14000 Гс.

3. высокое значение объёмного сопротивления.

Namglass I тестируется на B_max и потери.

Namglass II является другим представителем аморфных сплавов и его состав близок к составу Namglass I. Namglass II – это материал с линейной проницаемостью, который находит применение в импульсных трансформаторах и катушках индуктивности общего назначения (Common-Mode Inductors).

Недостатками Namglass II являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. материал очень дорог;

3. пониженная проницаемость (примерно 5000).

Преимущества Namglass II:

1. низкая магнитострикция;

2. насыщение порядка 14000 Гс.

3. высокое значение объёмного сопротивления;

4. низкие потери на высоких частотах.

Namglass II тестируется на B_max, потери и проницаемость.

Namglass III также является аморфным сплавом. Материал характеризуется очень высокой степенью квадратичности петли гистерезиса и почти исключительно используется в высокочастотных магнитных усилителях. Его состав сильно отличается от состава рассмотренных выше материалов Namglass – он содержит кобальт. Namglass III находит применение при конструировании промышленных и военных блоков питания.

Недостатками Namglass III являются:

1. для обеспечения максимально возможных свойств необходимо использовать защитный кожух;

2. материал очень дорог;

3. пониженная B_max (примерно 5500).

Преимущества Namglass III:

1. низкая магнитострикция;

2. высокая квадратичность петли гистерезиса;

3. высокое значение объёмного сопротивления;

4. наиболее низкие потери на высоких частотах;

5. наиболее низкое значение коэрцитивной силы.

Тестирование сердечников из Namglass III производится по стандартной CCFR процедуре (constant current /flux reset – постоянный ток/сброс (переустановка) поля). Этот метод позволяет исследовать материалы с квадратной петлей гистерезиса и определить основные параметры материала. Иногда сердечники Namglass III также тестируются также на потери.

2.8. Резаные ленточные сердечники

Резанные ленточные сердечники выпускаются в форме С и Е-сердечников. Метод получения резанных ленточных сердечников аналогичен методу получения тороидальных ленточных сердечников. В качестве материалов сердечников также применяются аналогичные материалы, за исключением аморфных лент, которые не выпускаются в резаном виде. Отличием процесса получения резанных ленточных сердечников является то, что эти сердечники не заключаются в защитный кожух, а пропитываются эпоксидной смолой и разрезаются пополам. Могут быть получены также трёхфазные сердечники, что не возможно в случае тороидальных сердечников. Резанные сердечники можно получать с любыми размерами. Однако существует ограничение в 2.00’’ по максимальной ширине полоски (см. рис. 5). Однако эпоксидная пропитка приводит к возникновению напряжений в хрупком материале ленты, что вызывает уменьшение проницаемости и росту потерь в материале. Как правило, в результате этого характеристики резаных ленточных сердечников обычно намного хуже, чем у защищенных кожухом тороидальных сердечников. Возрастание потерь может достигать 30 %, а уменьшение проницаемости – 50 %. Выигрыш в случае резанных сердечников заключается в том, что они могут наматываться намного проще тороидальных, а также в том, что в этих сердечниках может быть получен дополнительный зазор. Последнее означает, что такие сердечники могут использоваться не только как сердечники трансформаторов, но и как сердечники катушек индуктивности. Резанные ленточные сердечники обычно рассматриваются как альтернатива Silectron C сердечникам. По стоимости резанные ленточные сердечники сравнимы с тороидальными сердечниками (оба типа сердечников дороги).

Недостатками резаных ленточных сердечников являются:

1. их дороговизна;

2. более высокие потери, чем в тороидальных сердечниках;

3. меньшая проницаемость, чем у тороидильных сердечников;

4. трудности при изготовлении сердечников больших размеров из более тонкой ленты.

Преимущества резаных ленточных сердечников:

1. могут содержать дискретный зазор;

2. могут быть намотаны лентой и проволокой большого диаметра;

3. проще в намотке, чем тороидальные сердечники;

4. имеют меньшие потери, чем Silectron C сердечники;

5. резаные ленточные сердечники из Supermendur имеют наиболее высокую энергетическую ёмкость.

Тестирование резаных ленточных сердечников в основном сводится к определению потерь. В некоторых случаях определяется B_max.

2.9. Катушечные ленточные сердечники

Особым вариантом ленточных сердечников являются катушечные ленточные сердечники, которые аналогичны стандартным тороидальным сердечникам, за исключением того, что лента наматывается не на оправку, а на катушку из нержавеющей стали. Минимально возможная толщина ленты в стандартных тороидальных сердечниках ½ mil, а в катушечных сердечниках может использоваться и лента гораздо меньшей толщины – до 1/8 mil. Процесс изготовления аналогичен процессу изготовления тороидальных сердечников, только намотка ленты осуществляется не на оправку, а на катушку. Обычно используется лента из Deltamax или пермаллоя. Технологический процесс изготовления катушечных сердечников иллюстрируется рис. 6.

Катушечные ленточные сердечники характеризуются очень высокими значениями проницаемости при низких значениях магнитного потока, квадратной петлей гистерезиса и очень низкой коэрцитивной силой. Первоначально они были предназначены для применения в памяти на магнитных сердечниках. В настоящее время эти материалы в основном используются в магнитометрических устройствах, включая компасы, взрыватели для боеприпасов, акустические буи и т.д. Во всех этих устройствах используется высокая проницаемость катушечных ленточных сердечников. Другая все расширяющаяся область применения данного материала – инверторные трансформаторы в бортовых DC-DC преобразователях.

Недостатками катушечных ленточных сердечников являются:

1. их дороговизна;

2. катушка (каркас) увеличивает габариты всего устройства;

3. необходимость обработки катушки для получения требуемого размера;

4. трудность производства.

Преимущества резаных ленточных сердечников:

1. для намотки может использоваться очень тонкая лента;

2. могут быть получены с очень маленькими внешними и внутренними размерами и высотой;

3. очень высокая проницаемость;

4. нечувствительность к ударам, т.к. лента заключена в катушку.

Рис. 6. Технологический процесс изготовления катушечных сердечников. Thick material is rolled to thickness – прокатка исходного материала для получения нужной толщины, slit material to width – резка материала для получения ленты заданной ширины, insulate coating applied – нанесение изолирующего покрытия, pre-case test – предварительный контроль, put on protective sleeve – установка на защитную гильзу, paint - покраска, final test – окончательный контроль.

Тестирование катушечных ленточных сердечников следует специальной импульсной методике, разработанной для применения материала в системах магнитной памяти. Отчасти она аналогична стандартной CCFR процедуре и позволяет получить все важные параметры материала. Некоторые заказчики определяют специальные тесты, ориентированные на применение материала в устройствах заказчика.

2.10. Silectron тороидальные сердечники

Silectron представляет собой сплав с составом 3,25 % кремния и 96 % железа с ориентированными зернами. Одной из самых популярных форм сердечников из данного материала – тороид. Процесс изготовления сердечника из Silectron аналогичен процессу изготовления ленточного сердечника. Сердечник может быть заключён в защитный кожух или покрыт/пропитан эпоксидной смолой. Как и в случае ленточных материалов, пропитка эпоксидной смолой может ухудшить магнитные свойства материала.

Silectron имеет достаточно высокую проницаемость и высокую плотность потока. Применяется Silectron в сердечниках токовых трансформаторов, низкочастотных силовых трансформаторов, и в низкочастотных магнитных усилителях. Тородидальные сердечники из Silectron могут быть намотаны из ленты толщиной 11, 9, 4, 2 и 1 mil. Благодаря низкой стоимости сердечников из Silectron они находят более широкое применение, чем ленточные сердечники из других магнитных материалов, рассмотренных выше.

Недостатками Silectron сердечников являются:

1. высокие потери;

2. трудности при намотке.

Преимущества Silectron сердечников:

1. относительная дешевизна;

2. высокая B_max.

При тестировании Silectron сердечников обычно проверяются потери. Иногда выполняется тестирование B_max или петли гистерезиса.

2.10.1. Silectron сердечники С и Е формы

Процесс производства резаных сердечников из Silectron аналогичен процессу производству резанных ленточных сердечников. Процессы изоляции или отжига могут отличаться, но общая технология та же. Основным отличием является то, что в данном случае не действует ограничение по ширине ленты в 2,00’’. Также как и нерезаные Silectron сердечники, Silectron сердечники С-формы имеют достаточно высокую проницаемость. Сердечники без зазора применяются в низкочастотных силовых и импульсных трансформаторах. Сердечники с зазором используются в катушках индуктивности. Единственным ограничением использования этих сердечников являются потери в материале. Silectron достаточно дёшев и покрывает практически все сегменты рынка.

Недостатками Silectron С-сердечников являются:

1. высокие потери;

2. сниженная проницаемость;

3. уменьшение проницаемости при введении зазора в сердечник.

Преимущества Silectron С-сердечников:

1. возможность получения трёхфазных сердечников;

2. лёгкость намотки сердечников;

3. в катушках можно использовать фольги и проволоки;

4. в сердечниках могут быть введены различные зазоры;

5. относительная дешевизна;

6. высокая ёмкость по потоку.

Тестирование Silectron С-сердечников в основном сводится к измерению потерь материала. Silectron С-сердечники с толщиной ленты 1 и 2 mil обычно тестируются на импульсную проницаемость, но этот тест также даёт информацию о потерях в материале. Иногда выполняется также тестирование проницаемости, аналогичное выполняемому для порошковых сердечников.

2.10.2. Сердечники с распределённым зазором

Сердечники с распределённым зазором являются разновидностью Silectron С-сердечников. По форме они аналогичны С-сердечникам, но зазор распределён в этих сердечниках по длине магнитной линии. Намотка производится на специальной намоточной машине. Сердечник не пропитывается и собирается в катушке потребителем. Отжиг производится аналогично тому, как это делается для других Silectron сердечников. В данных сердечниках используется только достаточно толстая лента (9 – 12 mil). Данный тип сердечников используется почти исключительно для 60 Гц распределительных трансформаторов. Тестирование сводится к определению потерь материала.

3. Промышленное применение магнитомягких материалов

В общем случае выбор магнитного материала определяется взаимной конкуренцией следующих величин: плотности магнитного потока насыщения (индукции насыщения), потерь в материале и цены материала. Как правило, материалы, выпускаемые Arnold могут использоваться как в сердечниках трансформаторов, так и в сердечниках катушек индуктивности. Вместе с тем, при выборе материала необходимо различать эти две области применения и помнить, что катушки индуктивности являются накопителями энергии, а трансформаторы служат для передачи энергии.

Низкочастотное преобразование энергии включает следующие области (в скобках указаны сердечники, применяемые в данной области):

1. Распределительные трансформаторы (С и Е сердечники из Silectron, тороидальные сердечники из Silectron, С и Е сердечники из Supermendur, DG сердечники);

2. Сварочные трансформаторы (сердечники из Silectron);

3. Выпрямительные трансформаторы (С и Е сердечники из Silectron, С и Е сердечники из Supermendur).

4. Магнитные усилители и дроссели насыщения (С сердечники из Silectron, тороидальные сердечники из Silectron, ленточные тороидальные сердечники из Supermendur, ленточные тороидальныеные сердечники из Deltamax, ленточные тороидальные сердечники из Square Permalloy);

5. Импульсные трансформаторы (С сердечники из Silectron, резанные сердечники Permalloy, Supermalloy, Deltamax и Supermendur, ленточные тороидальные сердечники из Permalloy, Supermalloy, Deltamax, Namglass I, Namglass II и Supermendur, тороидальные сердечники из Silectron);

6. Конторольно-измерительная аппаратура (С сердечники из Silectron, тороидальные сердечники из Silectron, резанные сердечники Permalloy, Supermalloy и Deltamax, ленточные тороидальные сердечники из Permalloy, Supermalloy, Namglass I и Namglass II, MPP, SUPER-MSS, HI-FLUX);

7. Силовые катушки индуктивности (С сердечники из Silectron, резанные сердечники Permalloy, Supermalloy и Deltamax; MPP, SUPER-MSS, HI-FLUX);

8. Катушки индуктивности сетевых фильтров (С сердечники из Silectron, резанные сердечники Permalloy, Supermalloy и Deltamax, ленточные тороидальные сердечники Namglass I и Namglass II; MPP, SUPER-MSS, HI-FLUX).

Высокочастотные применения включают следующие области (в скобках указаны сердечники, применяемые в данной области):

1. Фильтры постоянного тока (MPP, SUPER-MSS, HI-FLUX, С сердечники из Silectron, резанные сердечники Permalloy, Supermalloy и Deltamax);

2. Фильтры переменного тока (MPP, SUPER-MSS, HI-FLUX, резанные сердечники Permalloy, Supermalloy и Deltamax);

3. Фильтры с высокой добротностью (МРР);

4. Магнитные усилители и дроссели насыщения (ленточные тороидальные сердечники из Square Permalloy и Namglass III);

5. Силовые трансформаторы (ленточные тороидальные сердечники из Namglass II, Permalloy и Supermalloy; резанные сердечники из Permalloy, Supermalloy и Deltamax; катушечные сердечники);

6. Строчные трансформаторы (MPP, HI-FLUX и SUPER-MSS);

7. Конторольно-измерительная аппаратура (ленточные тороидальные сердечники из Permalloy и Supermalloy, катушечные сердечники из Permalloy).

Промышленные применения включают следующие области (в скобках указаны сердечники, применяемые в данной области, а также устройства, где они могут использоваться):

1. Компьютеры:

высокочастотное преобразование энергии (высокочастотные применения (см. выше)),

низкочастотное преобразование энергии (всё, что перечислено в низкочастотных применениях (см. выше), за исключением сварочных трансформаторов, импульсных трансформаторов и контрольно-измерительной аппаратуры), специальные структуры из Silectron (высококачественные ламинированные детали электродвигателей)),

2. Автомобили:

высокие частоты (катушечные сердечники из Permalloy для магнитометров в компасах; MPP, HI-FLUX, SUPER-MSS и Silectron для магнитов, используемых в системах зажигания);

низкие частоты (сварочные трансформаторы);

специальные структуры из Silectron для систем вспрыска топлива

3. Системы контроля скорости вращения для двигателей / системы контроля яркости осветительных устройств:

С-сердечники для сетевых фильтров и фильтров переменного тока;

SUPER-MSS для сетевых фильтров и фильтров переменного тока;

тороидальные сердечники из Silectron для токовых трансформаторов;

ленточные тороидальные сердечники для токовых трансформаторов;

SUPER-MSS для токовых трансформаторов;

тороидальные сердечники из Silectron для магнитных усилителей;

ленточные тороидальные сердечники для магнитных усилителей.

4. Контрольно-измерительная аппаратура:

сердечники из Silectron с зазором для датчиков тока на эффекте Холла;

ленточные сердечники с зазором для датчиков тока на эффекте Холла;

катушечные сердечники из Permalloy для магнитометров;

тороидальные сердечники из Silectron для токовых трансформаторов;

ленточные тороидальные сердечники для токовых трансформаторов;

MPP, HI-FLUX, SUPER-MSS для фильтров постоянного и переменного тока;

С-сердечники из Silectron для токовых трансформаторов.

5. Электрическое оборудование:

DG сердечники для распределительных трансформаторов;

С-сердечники из Silectron для устройств регулирования коэффициента мощности;

С-сердечники и тороидальные сердечники из Silectron для токовых и потенциальных трансформаторов.

6. Медицинское оборудование:

С-сердечники для высоковольтных трансформаторов;

С-сердечники для сетевых фильтров;

MPP, HI-FLUX, SUPER-MSS для сетевых фильтров;

высокочастотные преобразователи энергии (см. высокочастотные применения);

С-сердечники для высокоэффективных 60 Гц силовых трансформаторов.

7. Сварка и другая обработка металлов:

С-сердечники для высокочастотных индукционных печей;

С-сердечники для понижающих сварочных трансформаторов;

тороидальные сердечники из Silectron для токовых трансформаторов;

тороидальные сердечники из Silectron для магнитных усилителей;

ленточные тороидальные сердечники для токовых трансформатров;

ленточные тороидальные сердечники для управления магнитными усилителями.

8. Связь:

МРР для нагрузочных катушек;

высокочастотное преобразование энергии (см. высокочастотные применения);

низкочастотное преобразование энергии (см. низкочастотные применения).

9. Военное оборудование:

высокочастотное преобразование энергии (см. высокочастотные применения);

низкочастотное преобразование энергии (см. низкочастотные применения).

10. Освещение и плазменные дисплеи:

высокочастотное преобразование энергии (см. высокочастотные применения);

низкочастотное преобразование энергии (см. низкочастотные применения).

3.1. Применение сердечников из MPP, HI-FLUX и SUPER-MSS

материал	рабочий диапазон частот	рабочий диапазон температур, °С	ограничения по форме/размерам	энергоёмкость	цена	преимущества/ недостки
Силовые трансформаторы
МРР	5 – 200 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	средняя	высокая	высокая стабильность (низкая проницаемость обычно ограничивает применение строчными трансформаторами)
HI-FLUX	5 – 200 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	средняя	высокая	высокая стабильность, большое значение индукции насыщения (низкая проницаемость обычно ограничивает применение строчными трансформаторами)
SUPER-MSS	5 – 200 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	средняя	средняя	высокая стабильность, большое значение индукции насыщения (низкая проницаемость обычно ограничивает применение строчными трансформаторами)
Радиочастотные трансформаторы
МРР	1 – 2 МГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	низкая	высокая	высокая стабильность (низкая проницаемость, низкая добротность по сравнению с ферритовыми сердечниками)
HI-FLUX	-	-	-	-	-	(высоки потери)
SUPER-MSS	-	-	-	-	-
Прецизионные трансформаторы
МРР	постоянный ток – 500 кГц	-55 - 200	Е-сердечники, тороидальные сердечники, чашки, объём до 500 см³	средняя	низкая	низкое значение проницаемости является чувствительным параметром там, где высокочастотный слабый сигнал накладывается на большой постоянный ток
HI-FLUX	-	-	-	-	-	(низкая проницаемость)
SUPER-MSS	-	-	-	-	-	(низкая проницаемость)
Дроссели насыщения
МРР	-	-	-	-	-	(низкая проницаемость)
HI-FLUX	-	-	-	-	-	(низкая проницаемость)
SUPER-MSS	-	-	-	-	-	(низкая проницаемость)
Катушки индуктивности
МРР	постоянный ток – 300 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	высокая	высокая	высокая стабильность, высокое насыщение, низкая магнитострикция, наиболее низкие потери среди порошковых материалах
HI-FLUX	постоянный ток – 100 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	очень высокая	высокая	высокая стабильность, более высокое насыщение, чем у МРР и SUPER-MSS
SUPER-MSS	постоянный ток – 300 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	высокая	средняя	высокая стабильность, высокое насыщение, низкая магнитострикция, низкие потери
Сетевые фильтры
МРР	постоянный ток – 1 МГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	высокая	высокая	высокая стабильность, высокое насыщение, низкая магнитострикция, широкий диапазон значений проницаемости
HI-FLUX	постоянный ток – 300 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	очень высокая	высокая	высокая стабильность, более высокое насыщение, чем у МРР и SUPER-MSS
SUPER-MSS	постоянный ток – 1 МГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	высокая	средняя	высокая стабильность, высокое насыщение, низкая магнитострикция
Катушки индуктивности для накопления энергии
МРР	постоянный ток – 300 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	высокая	высокая	высокая стабильность, высокое насыщение, низкая магнитострикция, наиболее низкие потери среди порошковых материалах
HI-FLUX	постоянный ток – 100 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	очень высокая	высокая	высокая стабильность, более высокое насыщение, чем у МРР и SUPER-MSS
SUPER-MSS	постоянный ток – 300 кГц	-55 - 200	тороидальные сердечники с размером до 132 мм	высокая	средняя	высокая стабильность, высокое насыщение, низкая магнитострикция, низкие потери

Прогресс технологии магнитного охлаждения

Mon, 14 Apr 2008 05:23:55 +0400

В настоящее время существенно активизировались работы, связанные с поиском рабочего тела для магнитных холодильных установок, предназначенных для использования в окрестностях комнатной температуры. Так около месяца назад в журнале Nature [1] было опубликовано сообщение профессора K.H.J.Buschow с коллегами об обнаружении значительного магнитокалорического эффекта (МКЭ) в соединении MnFeP_1-xAs_x (0.15<x<0.66). В частности, при изменении магнитного поля от 0 до 2 Т, для образца MnFeP_0.45As_0.55 изменение удельной энтропии |DS|/Н составило 0.71 Дж/кг*К*кЭ. Максимальные значения магнитокалорического эффекта наблюдались при температурах 305 – 310 К. Как сообщается, изменение соотношения P/As позволяет смещать температурную область максимальных значений МКЭ в пределах от 200 до 350 К.

Ряд работ сделанных китайскими учеными [2,3] был посвящен изучению магнитокалорических свойств соединений типа LaFe₁₃. Полученные значения |DS|/Н составляют 0.72 Дж/кг*К*кЭ для образца LaFe_11.4Si_1.6 при изменении магнитного поля от 0 до 2 Т. Область максимальных значений МКЭ составляет 210 – 215 К. Для соединения La(Fe_1–xCo_x)_11.83Al_1.17 (x=0.06, 0.08) наблюдались несколько меньшие значения магнитокалорического эффекта, но область максимальных значений оказалась близкой к комнатной температуре (~273 K и ~303 K, соответственно).

Во всех перечисленных выше соединениях значительный магнитокалорический эффект сопровождал индуцированные магнитным полем магнито-структурные фазовые переходы. Несколько раньше профессорами К. Gschneidner и V. Pecharsky из Ames Laboratory (Ames, Iowa) был обнаружен большой магнитокалорический эффект в соединении Gd₅Si₂Ge₂, также сопровождающий индуцированный магнитным полем магнито-структурный фазовый переход [4]. Максимальные значения |DS|/Н, наблюдающиеся при температуре 278 К, составляют 0.71 Дж/кг*К*кЭ при изменении поля от 0 до 2 Т, что практически совпадает с данными приведенными в предыдущих работах. Именно этот материал сейчас называют наиболее перспективным для использования в качестве рабочего тела магнитной холодильной установки, работающей в диапазоне комнатных температур. Однако, параметры новых материалов, упомянутых выше, во многом сравнимы с параметрами соединения Gd₅Si₂Ge₂.

В соединениях, для которых максимальные значения магнитокалорического эффекта наблюдаются при температурах не слишком отличающихся от комнатной, величину МКЭ обычно сравнивают с величиной МКЭ для Гадолиния (|DS|/Н » 0.3 Дж/кг*К*кЭ при изменении магнитного поля от 0 до 2 Т [4]). Поскольку среди материалов, в которых фазовый переход второго рода происходит в окрестности комнатной температуры, именно в Gd наблюдаются наибольшие значения МКЭ. Очевидно, что величина магнитокалорического эффекта для упомянутых выше составов превосходит соответствующие значения для Gd.

Долгое время трудности в техническом использовании магнитокалорического эффекта были связаны с тем, что в реально достижимых магнитных полях температура образца меняется лишь на несколько градусов (~3 К/Т для Gd). Однако, некоторое время назад были предложены термодинамические циклы, позволяющие поддерживать разность температур существенно превышающую изменение температуры вследствие магнитокалорического эффекта [4]. В 1997 году компания Astronautics Corporation of America (Madison, Wisconsin) продемонстрировала компактный рабочий образец охлаждающего устройства, использующего магнитокалорический эффект для поддержания разности температур 19 К (5^oC – 24^oC) [4]. В качестве рабочего тела использовались 3 килограмма Gd, приготовленного в виде мелких (диаметр 150 – 300 мкМ) шариков. Магнитное поле с индукцией 5 Т создавалось сверхпроводящим соленоидом. КПД устройства достигало 60 % от КПД цикла Карно (30% при индукции магнитного поля 1.5 Т), что больше КПД газовых холодильных установок и заметно больше КПД термо-электрических охлаждающих ячеек. Мощность устройства составляет 600 Вт (200 Вт при индукции магнитного поля 1.5 Т). В сентябре прошлого года, та же компания сообщила о создании первого прототипа магнитного кондиционера для автомобиля, в котором источником магнитного поля являются постоянные магниты. Такое решение позволило существенно снизить стоимость и упростить конструкцию устройства. Прогресс в разработке магнитных холодильных машин и их несомненные достоинства делают актуальным поиск новых магнитных материалов, подходящих для использования в подобных устройствах.

1. O. Tegus, E. Bruck, K. H. J. Buschow, F. R. De Boer, Nature 415 (2002), 150.

2. F. X. Hu, B. G. Shen, J. R. Sun, Z. H. Cheng, Phys. Rev. B 64 (2001), 012409.

3. F. X. Hu, B. G. Shen, J. R. Sun, Z. H. Cheng, G. H. Rao, X. X. Zhang, Appl. Phys. Lett. 78 (2001), 3675.

4. V. K. Pecharsky, K. A. Gschneidner, JMMM 200 (1999), 44.

Гигантское магнитосопротивление: от открытия до Нобелевской премии

Tue, 01 Apr 2008 02:11:02 +0400

Нобелевская премия по физике этого года была присуждена двум ученым: Альберту Ферту и Питеру Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления».

Рис.1 Альберт Ферт (р.1938) и Питер Грюнберг (р.1939) –
нобелевские лауреаты по физике 2007 года

Со времен открытия прошло почти 20 лет, и за это время приборы, основанные на гигантском магнитном сопротивлении (ГМС, или, как принято его называть в англоязычной литературе GMR) вошли в плоть и кровь современной цифровой цивилизации (головки считывания на ГМС используются в жестком диске каждого компьютера), а концепция спинового транспорта, спиновой инжекции, спиновых поляризаторов и анализаторов легли в основу понятийного аппарата нового направления науки и техники - спиновой электроники [1].

Эффект гигантского магнитосопротивления

Эффект гигантского магнитосопротивления, первоначально наблюдался в многослойных структурах, которые состоят из чередующихся магнитных и немагнитных проводящих слоев [2,3] (см. рис. 2), например, (Co/Cu)_n или (Fe/Cr)_n. Такие структуры называют магнитными сверхрешетками. Толщины слоев, как правило, составляют доли-единицы нанометров. Эффект состоит в том, что сопротивление структуры, измеренное при токе, текущем в плоскости системы, зависит от взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоев. Так, при параллельной намагниченности слоев сопротивление, как правило, низкое, а при антипараллельном – высокое. Относительное изменение сопротивления системы составляет от 5 до 50% в зависимости от материалов, количества слоев и температуры. Эта величина на порядок больше, чем у предшественника эффекта гигантского магнитосопротивления – эффекта анизотропного магнитосопротивления [1], чем и объясняется название первого.

б)

Рис. 2. Магнитные сверхрешетки, на которых наблюдается эффект ГМС.

Схематично изображен транспорт электронов противоположных поляризаций в случае

а) параллельной и б) антипараллельной ориентаций намагниченностей магнитных слоев.

В нижних частях рисунков изображены эквивалентные электрические схемы,

соответствующие этим двум конфигурациям.

В основе эффекта ГМС лежат два важных явления. Первое состоит в том, что в ферромагнетике электроны с одним направлением спина (или одной спиновой поляризации, как принято говорить) рассеиваются гораздо сильнее, чем электроны противоположной поляризации (выделенное направление задает намагниченность образца). Второе явление состоит в том, что электроны, выходя из одного ферромагнитного слоя, попадают в другой, сохраняя свою поляризацию. Таким образом, в случае параллельной конфигурации слоев те из носителей, которые рассеваются меньше, проходят все структуру без рассеяния; а носители противоположной поляризации испытывают сильное рассеяние в каждом из магнитных слоев (см. рис. 2а). В случае же антипараллельной конфигурации системы (см. рис. 2б), носители обоих поляризаций испытывают сильное рассеяние в одних слоях и слабое в других. Сопротивление системы можно условно изобразить в виде двух соединенных параллельно наборов сопротивлений, соответствующих двум спиновым поляризациям; при этом каждое из сопротивлений в этих наборах соответствует большому или малому рассеянию носителей данной поляризации в конкретном магнитном слое. Такие схемы для параллельной и антипараллельной конфигураций слоев изображены внизу рисунков 2 а, б.

Для функционирования устройств на основе эффекта ГМС важной является возможность создания антипараллельной конфигурации слоев (см. рис. 2б). Такие конфигурации удается получать при нулевом поле благодаря наличию так называемого межслойного обменного взаимодействия. Оказывается, энергия E_int_._l_. взаимодействия двух магнитных слоев с намагниченностями M₁ м M₂, разделенных немагнитной прослойкой толщиной d_s, имеет (в первом приближении) гейзенберговский вид:

. (1)

При этом коэффициент J₁ зависит от толщины немагнитной прослойки d_s осциллирующим образом, так, что при одних значениях d_s J₁ является положительной, а при других – отрицательной величиной. Соответственно, можно подобрать толщину немагнитных слоев так, чтобы энергетически выгодной была антипараллельная конфигурация слоев. Интересно, что именно исследованием межслойного взаимодействия в многослойных магнитных структурах занимались первоначально открыватели эффекта, прежде чем обнаружили новое необычное их свойство – гигантское магнитосопротивление.

Рис. 3. Схематичное изображение спинового вентиля. Нижний слой – слой антиферромагнетика.

В качестве элементов на основе эффекта ГМС как правило используется структура, получившая название спиновый вентиль (spin valve), см. рис. 3. В ней один магнитных из слоев (например, Co или Co₉₀Fe₁₀) напылен на слой антиферромагнетика (напр., Mn₇₆Ir₂₄ или Mn₅₀Pt₅₀). Благодаря обменному взаимодействию между электронами ферромагнетика и антиферромагнетика спины в этих двух слоях становятся жестко связанными между собой. Поскольку внешнее магнитное поле не очень большой величины не оказывает влияния на антиферромагнетик, то намагниченность магнитного слоя оказывается закрепленной (это явление получило название однонаправленной или обменной анизотропии [4].

Такой слой, намагниченность которого в некотором интервале полей может считаться неизменной, называют закрепленным или фиксированным. Второй же магнитный слой (часто Co, или Co₉₀Fe₁₀, или двухслойный Ni₈₀Fe₂₀/Co или Ni₈₀Fe₂₀/Co₉₀Fe₁₀,) может быть свободно перемагничен внешним полем, поэтому его называют свободным. Промежуточный слой немагнитного металла, как правило, представлен Cu. Такая структура получила название спинового переключателя или спинового вентиля (spin-valve). Сопротивление спинового вентиля R может быть с хорошей точностью описано с помощью формулы:

(2)

Здесь R₀ – сопротивление структуры при параллельной намагниченности слоев, дельтаR_gmr – инкремент сопротивления, обусловленный эффектом ГМС, и Q – угол между намагниченностями магнитных слоев (принимает значения между p и –p). Типичные значения R составляют десятки Ом, а для используемых в индустрии спиновых вентилей составляет 6-10% [5].

Эффект ГМС был обнаружен при измерении сопротивления магнитных сверхрешеток по току, текущему в плоскости системы. В 1991 году изменение сопротивления магнитных металлических сверхрешеток при изменении взаимной ориентации магнитных слоев было обнаружено для тока, текущего перпендикулярно плоскости слоев. Эти две геометрии измерения сопротивления многослойных магнитных структур обозначаются ставшими уже стандартными аббревиатурами CIP (current-in-plane) и CPP (current-perpendicular-to-plane) соответственно. Механизмы эффектов ГМС в CPP и в CIP геометриях в основных чертах схожи [2]; при этом значения магнититосопротивления, полученные для первого эффекта, примерно в два раза больше, чем для второго. Однако абсолютное сопротивление металлических сверхрешеток, полная толщина которых составляет порядка десятков нанометров, при измерении в CPP геометрии очень мало и его довольно трудно измерить. Поэтому для практических применений эффект ГМС в CPP геометрии гораздо менее привлекателен.

Следующий прорыв в области эффектов магнитосопротивления обусловлен обнаружением эффекта туннельного магнитосопротивления (ТМС) [1]. Он имеет место в СРР системах, в которых место проводящей немагнитной прослойки занимает тонкий (1-2 нм) слой изолятора. Сопротивление такой структуры, измеренное в CPP-геометрии, сильно зависит от относительного направления намагниченности слоев благодаря различным вероятностям прохождения носителей с противоположными ориентациями спина через туннельный барьер. Оказалось, что для весьма распространенного аморфного изолирующего слоя Al₂O₃ относительное изменение сопротивление достигает 70% при комнатной температуре (КТ). Ещё более перспективным является барьер в виде монокристаллического слоя MgO, который позволяет достичь значений до 500% при комнатной температуре [7].

2. Приложения ГМС в индустрии памяти

В настоящее время эффекты магнитосопротивления уже получили широкое коммерческое применение. Наиболее часто эти эффекты используются для создания магниточувствительных элементов датчиков различного назначения. Так, уже более 10 лет магниточувствительные элементы на основе магниторезистивных наноструктур используются в считывающих головках в жестких дисках. Кроме того, широким фронтом идут разработки новых видов памяти, основанных на магниторезистивных элементах; совсем недавно начались продажи одного из них – так называемой магнитной оперативной памяти MRAM. По целому ряду показателей последняя превосходит существующие в настоящее время полупроводниковые аналоги.

В данной секции рассказывается об этих двух ключевых приложениях: о строении считывающих головок в HDD и о магнитной памяти MRAM.

2.1. Считывающие головки для жестких дисков

Наибольший рост последние годы продемонстрировали продажи самых миниатюрных жестких дисков (предназначенных для портативных карт памяти, mp3-плееров, видеокамер, сотовых телефонов и др.) они заняли до 23% всего рынка жестких дисков (HDD – hard disc drivers); ожидается, что к 2009 году эта доля увеличится до 40%, обогнав сегмент HDD для настольных компьютеров. В результате, общие тенденции рынка ведут к потребности появления устройств со все большей плотностью записи информации. Так, последние десять лет плотность записи в коммерческих устройствах растет со скоростью от 50-100% в год [8]. Поддержание столь активной тенденции к миниатюризации требует использования самых высоких инновационных технологий в области создания магнитных сред (для хранения информации), записывающих и считывающих головок, системной электроники.

С самого начала в жестких дисках (первые HDD появились в середине 1950-х годов) использовались индуктивные считывающие головки. Их в начале 1990-х сменили магниточувствительные датчики, схематичное устройство которых изображено на рисунке 4. Считывающая головка состоит из тонкопленочного магниторезистивного элемента, экранированного с двух сторон с помощью пленок мягкого магнитного материала. (Роль экранов заключается в том, чтобы по возможности уменьшить до нуля поле от дальних битов). Эта конструкция пролетает на расстоянии порядка десятков-единиц нанометров над поверхностью магнитной пленки, на которой в виде направления намагниченности в доменах, упорядоченных по размеру и расположению, записана информация. Домены противоположной полярности соответствуют битам «0» или «1». Поле от границы между противоположно намагниченными битами, над которой пролетает головка, перемагничивает магниторезистивный элемент. В результате сопротивление элемента меняется, что фиксируется электроникой и передается на шину данных. Данная конструкция в целом используется и в настоящее время.

Рис. 4. Схематичное изображение считывающей головки жесткого диска и принципа ее работы.

Постоянное увеличение плотности записи (соответственно, уменьшение размера одного бита), приводит к уменьшению магнитного потока, приходящегося на магниточувствительный элемент. Чтобы сохранить отношение сигнал/шум, требуется использование все более и более чувствительных головок.

Магниточувствительные элементы на эффекте анизотропного магнитосопротивления имели выход (отношение сопротивления головки при переходе от «0» к «1») порядка 2%, обладали простой конструкцией и позволили создавать HDD с плотностью записи до 1-5 Гбит/дюйм². Дальнейшее повышение плотности записи потребовало введения считывающих элементов на основе эффекта ГМС. Они обладают гораздо более сложной конструкцией (магниточувствительный элемент содержит до 10 различных слоев), и, в различных модификациях, позволяют получить выход от 6 до 12% и плотность записи до 50 Гбит/дюйм². Переход на считывающие головки, основанные на эффекте ГМС, был осуществлен практически всеми основными производителями жестких дисков с 1997 года [8]. Следующее поколение головок основано на эффекте ТМС. Как ожидается, они позволяют получить выход более 200% и плотность записи до 1 Тбит/дюйм². В настоящее время происходит переход производителей жестких дисков на этот тип считывающих головок [1].

2.2. Магнитная оперативная память MRAM

В компьютерах, контроллерах, мобильных устройствах используется одновременно несколько типов полупроводниковой памяти. Одни из них, например SRAM (static random access memory), являются очень быстрыми, они используются в качестве кэш-памяти в процессорах; однако они имеют сложную конструкцию и поэтому очень дорогие. Другие виды памяти, например, оперативная память DRAM (dynamicrandom access memory), являются более простыми и дешевыми, но и более медленными. Также, SRAM и DRAM не сохраняют свое состояние при отключении энергии. Память типа EEPROM (наиболее известная ее модификация – Flash-память), сохраняет свое состояние при отключении энергии, однако она является очень медленной и не может выполнять функции оперативной памяти даже в относительно несложных устройствах типа mp3-плееров или сотовых телефонов. Кроме того, Flash-память очень энергоемкая и обладает ограничением на количество циклов перезаписи (порядка 10⁵-10⁶), при превышении которого она может выйти из строя.

В этом контексте особое внимание стало уделяться созданию универсальной памяти, которая смогла бы совместить в себе достоинства всех перечисленных видов памяти. Согласно сказанному выше, она должна обладать:

а) достаточно простой конструкцией,

б) высокой скоростью записи/считывания,

в) сохранять свое состояние при отключении энергии,

г) позволять производить большое количество циклов записи,

д) потреблять малое количество энергии.

В настоящее время наиболее вероятным кандидатом на роль такой универсальной памяти считается так называемая магнитная оперативная память MRAM (magnetic random access memory) [9,10]. Схема работы MRAM изображена на рисунке 5. Ячейка памяти состоит из многослойного магниторезистивного элемента, основанного на эффекте ТМС. Свободный слой этого элемента содержит в себе информацию в виде направления намагниченности. Считывание производится путем измерения сопротивления R_m данного элемента: при параллельной конфигурации свободного и фиксированного слоев оно будет малым, а при антипараллельной – большим. Этим двум значениям приписываются логические «0» и «1». Запись производится с помощью подачи на токовые шины 1 и 2 (которые по аналогии с полупроводниковыми видами памяти называют соответственно битовой и словарной) импульсов тока. При этом вокруг каждой из них возникает вихревое магнитное поле. Конфигурация элементов подбирается так, что для перемагничивания каждой ячейки необходимо действие поля от обеих токовых шин, а при воздействии поля только от одной из шин элемент сохраняет свое магнитное состояние (см. рис. 5б). В качестве свободного слоя используются, например, Fe или двойной слой CoFe/NiFe, в качестве фиксированного – CoFe на подложке из антиферромагнетика IrMn, в качестве туннельного контакта – оксид алюминия Al₂O₃ или, обладающий лучшими параметрами ТМС, оксид марганца MnO.

Такая память обладает простой конструкцией (один магниторезистивный элемент и один транзистор на каждую ячейку), она естественным образом сохраняет свое состояние при отключении энергии. Кроме того, она позволяет производить практически бесконечное количество циклов перезаписи (10¹⁶ и более), и, как показывают эксперименты, время цикла записи/считывания составляет для разных образцов десятки-единицы наносекунд (подобно памяти типа SRAM) [10,11].

Рис. 5. а) Схематичное изображение ячейки памяти MRAM. При записи в ячейку вокруг токовых шин

создается магнитное поле, которое перемагничивает данный элемент.

б) адресация ячейки при записи. Магнитное поле создается вокруг всей токовой шины,

однако перемагничивается только тот элемент, который расположен на пересечении двух токовых шин.

На пути воплощения идеи о MRAM как универсальной памяти возникает немало проблем, связанных, в основном, с механизмом записи информации: необходимость создания больших магнитных полей записи, относительно большая потребляемая мощность данного устройства (порядка 100 пВт на цикл записи), повышенные требования к надежности процесса переключения ячейки и др., но можно с уверенностью говорить, что рано или поздно они будут решены [1].

В заключение, стоит отметить следующее. Не секрет, что сейчас модный ярлычок «нано-» приклеивается сейчас повсеместно, но само по себе наличие структуры с характерным размером 1-100 нм и менее еще не является нанотехнологией в подлинном смысле, поскольку отражает лишь количественную, а не качественную сторону явлений. Так 45-нм технология освоенная микроэлектроникой является лишь очередным шагом на пути масштабирования, физические же принципы, лежащие в основе их действия, остаются неизменными. В то же время, эффект ГМС – это возникновение принципиально нового свойства у системы, структурированной на наномасштабе: толщины проводящих слоев должны быть меньше длины свободного пробега электрона (CIP геометрия) или длины релаксации спина (CPP геометрия), которые составляют единицы нанометров. В этом контексте становится ясной формулировка Шведской Академии Наук, присудивших Нобелевскую премию «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления» технологии, которая «может рассматриваться как первое по-настоящему эффективное приложение многообещающей области нанотехнологий».

Список литературы

1. C. Chappert, A. Fert, F. Van Dau, NatureMaterials, v. 6, p. 813 (2007)

2. M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fertetal. Phys. Rev. Lett., 61 (1988) 2472.

3. G. Binach, P. Grunberg, G. Creuzetetal. Phys. Rev. B, 39 (1989) 4828.

4. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: МГУ, 1976 г. - 367 с.

5. R.R. Katti. Proc. IEEE, 91 (2003) 687.

6. T. Valet and A. Fert. Phys. Rev. B, 48 (1993) 7099.

7. S.S.P. Parkin et al., et al. Nature Materials, 3 (2004) 862; S. Yuasa, et al. ibid., 3 (2004) 868; Y.M. Lee et al., Appl. Phys. Lett. 90, 212507 (2007).

8. http://www.hitachigst.com/hdd/research/

9. S. A. Wolf, D. D. Awschalom, R. A. Buhrman, et al. Science, 294, (2001) 1488.

10. www.freescale.com/mram

11. M. Johnson. Proc. IEEE, 91 (2003) 652.

к.ф.-м.н. А. В. Хвальковский

Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН

e-mail: khvalkov@fpl.gpi.ru

[1] Анизотропное магнитосопротивление - эффект, обнаруженный Уильямом Томсоном в 1857 году, состоящий в том, что сопротивление ферромагнитной системы, измеренное при токе, текущем вдоль намагниченности структуры, отличается от сопротивления, измеренного при токе, текущем перпендикулярно намагниченности. Механизм эффекта обусловлен спин-орбитальным взаимодействием, проявляющимся в виде различного рассеяния носителей тока на дефектах и колебаниях решетки в зависимости от спина носителей. Характерная величина эффекта составляет 1-2 %.

[2] Об отличиях см. в работе [].

XVI Международная конференция по постоянным магнитам

Mon, 31 Mar 2008 11:51:10 +0400

Действительный член РАЕН, профессор А. С. Лилеев

Целью очередной XVI Международной конференции по постоянным магнитам было подведение итогов научно-исследовательских и внедренческих работ, выполненных в период 2005-2007 г.г. по проблеме магнитотвердых материалов и их производства в Российской Федерации, в том числе переработке отходов производства постоянных магнитов, а также в постановке задач на новый период. В работе конференции приняло участие около 160 человек из научно-исследовательских и учебных организаций, а также из предприятий Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Астрахани, Калуги, Владимира, Электростали, Кирова, Челябинска, Зеленограда, Фрязино и других городов России.

В работе ХVI Международной конференции по постоянным магнитам приняли участие представители Украины, Беларуси, Австрии, Германии, Италии и Китая.

Было сделано около 100 докладов, представленных 198 авторами, представляющих теоретический и практический интерес по рассматриваемой проблеме.

Доклады, представленные на пленарном и секционных заседаниях, были посвящены:

- фундаментальным исследованиям в области физики магнитных явлений, исследованиям процессов перемагничивания и структуры сплавов для постоянных магнитов;

- разработке физических основ новых технологий получения постоянных магнитов;

- разработке и исследованию новых методов магнитных измерений, включая вопросы физики, техники, метрологии, сертификации;

- расчетам и моделированию магнитных систем, применению постоянных магнитов в приборах и устройствах;

Работа конференции была организована по схеме: два пленарных заседания (при открытии конференции и при закрытии), работа секций и круглый стол по обсуждению актуальных проблем нанокристаллических материалов для постоянных магнитов.

Перед работой конференции традиционно были опубликованы Программа и Тезисы докладов XIV Международной конференции по постоянным магнитам на русском и английском языках.

Отличительной чертой организации и проведения ХIV Международной конференции по постоянным магнитам явилось активное участие студентов. Ученые секретари конференции - студенты шестого курса МИСИС Павел Козлов, Анна Старикова и Игорь Щетинин очень квалифицированно справились со всей информационной частью проведения конференции. Они самостоятельно организовали сайт конференции (http://icpm-07.ru/), на котором были помещены извещения, проведена регистрация участников, собраны тезисы. На специально созданной электронной почте конференции ими велась вся деловая переписка.

Следует отметить более высокую активность участников конференции как в выступлениях с докладами, так и при участии в прениях. Среди докладчиков увеличилось число студентов и аспирантов. В частности, по инициативе Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов» одиннадцать студентов шестого курса специальности «физика металлов» были направлены на конференцию как на часть преддипломной практики. В качестве соавторов докладов участвовало 33 студента и аспиранта (примерно 20%). Такая статистика позволяет положительно оценивать перспективу обеспеченности научными кадрами данного направления.

Для повышения интереса к научным исследованиям молодых ученых и к их участию в работе конференции среди них был проведен конкурс на лучший научный доклад.

Рассмотрение тематики представленных докладов показывает, что Россия остается одной из немногих стран в мире, занимающейся разработкой и производством всех типов постоянных магнитов. Уровень многих научных разработок в представленных на конференции докладах, свидетельствует о том, что российские ученые и специалисты продолжают занимать по многим научным направлениям достойное место в мировой науке. Их работы известны за рубежом и ежегодно представляются на международных конференциях.

Наиболее актуальными, по мнению участников конференции, проблемами по данному направлению являются:

1. Исследование и разработка наноматериалов и нанотехнологий в области исследования и создания постоянных магнитов. Этой тематике было посвящено более 40% докладов секции «Физика магнитных явлений, процессы перемагничивания и структура сплавов для постоянных магнитов». В том числе приглашенный доклад немецких коллег Юлии Любиной, Оливера Гутфляйша, Людвига Шульца из Института Металлических Материалов, IFW Dresden, «Сплавы для постоянных магнитов Fe-Pt».

2. В последние годы существенно увеличилось оснащение предприятий-разработчиков современными средствами моделирования и проектирования магнитных систем. Их эффективность может быть повышена при большом внимании к проблемам моделирования, как магнитных свойств и процессов перемагничивания, так и магнитных систем, состоящих из магнитомягких и магнитотвердых материалов. Этот момент отмечается в решении конференции.

3. Поиск новых соединений с высокой магнитной кристаллической анизотропией и магнитным моментом. Ряд докладов, в том числе представленных Уральским государственным университетом, был посвящен этой проблеме.

4. Важной научной проблемой, необходимой как для понимания формирования магнитных свойств постоянных магнитов, так и для обоснованной оптимизации технологических процессов, является изучение механизмов перемагничивания высококоэрцитивных материалов с различной природой гистерезиса, включая обменное взаимодействие между нанокристаллическими фазами.

5. Насущной проблемой научно-исследовательских организаций, включая высшие учебные заведения, является проблема метрологии магнитных свойств материалов с большой магнитной анизотропией и магнитным моментом, а также плохое состояние с измерительной техникой в России.

На пленарном заседании конференции были заслушаны доклады почетных гостей из Китайской народной республики: профессора Yang Luo(IEEE TC-15 Voting Member) и представителя фирмы Rising Sun Magnetic Technology Co., ltd.(RSMT) Dun Luo на тему «Изменения в мировой индустрии магнитов из сплавов NdFeB». В докладах сообщалось, что в 1983 г. появилась третья генерация редкоземельных постоянных магнитов, а именно, магнитов из сплавов NdFeB. За это время энергетические характеристики спеченных NdFeB магнитов постоянно улучшались: с 35 МГс^.Э в 1983 г. до 59.5 МГс^.Э в 2005 г. Объем производства спеченных NdFeB магнитов в мире также существенно вырос: с менее, чем 1 тонна в 1983 г. до 49980 тон в 2006 г. Если учитывать производство магнитопластов из сплавов NdFeB, то производство NdFeB магнитов в настоящее время достигает 55540 тонн. За прошедшее время производство NdFeB магнитов изменилось не только в количественном отношении, но и качественно: начавшись в лаборатории, оно трансформировалось в самостоятельную индустрию в мировом бизнесе. В стоимостном выражении производство NdFeB магнитов составляет сейчас 2.88 трилл долл. США, из них 2.44 относится к спеченным магнитам и 0.44 – к магнитопластам.

Магниты из сплавов Alnico были основной коммерческой продукцией с начала 40-х до конца 60-х годов. С 70-х годов это место заняли ферриты. Ожидается, что NdFeB магниты выйдут на лидирующие позиции на мировом рынке постоянных магнитов после 2010 г.

Структура индустрии производства магнитов существенно изменилась с 1985 г. Сейчас стоит вопрос о выборе дальнейшего направления развития этой индустрии. Для ответа на этот вопрос необходимо изучить более подробно и глубоко современное положение дел. Как говорится, «предсказать будущее, обозрев прошлое». В частности, текущая ситуация с производством NdFeB магнитов совсем не такая, как пять или десять лет назад, не говоря уже о том, что было в 1983 г. Рост себестоимости процесса изготовления магнитов, сопровождающийся снижением их цены, очень усложняют их производство в развитых странах. Западные производители магнитов сосредотачивают свои усилия на производстве конечной продукции, например, магнитных систем и приборов, которые имеют более высокую добавленную стоимость, сокращая при этом или перемещая в развивающиеся страны, в том числе, в Китай, производство магнитов.

Для того чтобы обеспечить потребности внутреннего рынка и защитить окружающую среду, в 2006 году в Китае уменьшились экспортные квоты, и многие заводы, выпускающие РЗМ, закрылись. Все предпринимаемые меры, безусловно, окажут сильное психологическое и практическое влияние, как на импортеров, так и на потребителей конечной продукции РЗМ. Возникнут два «эффекта домино», а именно, начнут разрабатываться некоторые новые зарубежные месторождения, а ряд закрытых в настоящее время месторождений вновь начнут эксплуатироваться для того, чтобы компенсировать дефицит РЗМ на рынке. С другой стороны, некоторые зарубежные потребители РЗМ будут стремиться переместить свои предприятия в Китай.

В обзорном докладе «Процессы перемагничивания одноосных высокоанизотропных ферромагнетиков» А.С. Лилеев (МИСиС) остановился современных подходах к изучению особенностей процессов перемагничивания высокоанизотропных ферромагнетиков, являющихся в настоящее время основным материалом для создания постоянных магнитов. Подчеркнул сложность реальных изучаемых объектов, какими являются промышленные постоянные магниты, и необходимость в связи с этим учета большого количества факторов, влияющих на магнитное поведение материала. К таковым относятся как структурные особенности материала (сложность кристаллических структур, политипные превращения, наличие спектра дефектов кристаллической структуры), так и особенности магнитного поведения (существенные зависимости фундаментальных магнитных констант от состава и температуры, спин-ориентационные переходы, изменения фундаментальных констант на поверхности микрообъемов материала, магнитостатическое взаимодействие между микрообъемами магнита). В связи с этим встает вопрос о терминологии, используемой при обсуждении процессов перемагничивания, которые должны точно отражать физическое состояние или физическое явление.

На основе анализа различных моделей, используемых при изучении процессов перемагничивания, представлен вниманию феноменологический подход при рассмотрении элементарного акта перемагничивания микрообъема, обладающего некоторыми индивидуальными гистерезисными характеристиками. Апробация указанного подхода была проведена на реальных, содержащих большие количества различных видов дефектов и неоднородностей материалах, какими являются промышленные постоянные магниты из соединения Nd₂Fe₁₄B, пленочные напыленные постоянные магниты из этого же соединения и магниты из соединения SmCo₅. Во всех случаях моделирование приводило к результатам, близким к экспериментальным, и позволило объяснить ряд особенностей процессов перемагничивания постоянных магнитов.

В докладе профессора МГУ А. М. Тишина «Магнитное охлаждение - достижения, проблемы и перспективы» представлены результаты измерения динамических характеристик магнитокалорического эффекта (МКЭ) – влияния скорости изменения магнитного поля на характер кривых зависимости адиабатического изменения температуры (DT) от магнитного поля (H), полученные для редкоземельных металлов гадолиния, тербия и диспрозия. Результаты измерения динамического МКЭ хорошо согласуются с результатами измерения DT, полученными ранее на тех же материалах общепринятым методом ступенчатого изменения магнитного поля от нуля до максимальной величины с фиксированием начальной и конечной температур образца. Приведено подробное описание методики измерения динамических характеристик МКЭ с помощью прямого метода измерений. Обсуждается важность измерения динамических характеристик МКЭ для определения возможности использования материала в качестве рабочего тела магнитных холодильных машин и уточнения рабочих характеристик и режимов работы таких машин.

В докладе Т. Н. Емелиной «Основные тенденции в производстве РЗМ и магнитов на их основе: ситуация в России и в мире» описаны основные тенденции в развитии редкоземельной отрасли в России и в мире. В частности, рассмотрены вопросы распределения основных запасов РЗМ. Приведены данные о добыче РЗМ. Обозначены лидеры в производстве редкоземельных металлов. Важным объектом рассмотрения стал Китай. Изложена ситуация развития РЗМ отрасли в Китае, как мирового лидера по производству РЗМ и магнитов на их основе. Рассмотрена ситуация в России, где имеются значительные запасы РЗМ (2 место в мире после Китая), но в настоящее время нет возможности организации добычи собственного сырья. Это связано в первую очередь с нерентабельностью разработки имеющихся месторождений, поскольку многие из них находятся в труднодоступных северных территориях. В России отсутствуют производители чистых РЗМ в виде металлов и оксидов, кроме того, имеется ряд и других причин.

Возможное решение проблемы обеспечения редкоземельным сырьем российских предприятий это организация и развитие сотрудничества с китайскими предприятиями.

Исследованию доменных структур посвящен доклад профессора Тверского государственного университета Ю. Г. Пастушенкова «Количественный анализ процессов перемагничивания в RE-3d постоянных магнитах на основании исследований магнитной доменной структуры" в котором выполнен анализ возможностей применения магнитооптического метода Керра для получения качественных и количественных данных о процессах перемагничивания в основных группах постоянных магнитов: SmCo₅, Sm-Zr-Co-Cu-Fe, Nd-Fe-B. Показано, что введение в рассмотрение критических полей (H_S-поле насыщения, H_n- поле зародышеобразования, H_K- поле удаления зародышей доменов обратного знака), контролирующих процессы намагничивания и перемагничивания в отдельных зернах магнитов позволяет сопоставить значения этих полей отдельным элементам микроструктуры (неверно ориентированные зерна, немагнитные включения, нарушения межзеренных прослоек и др.). Обнаружено, что угловые зависимости всех, введенных в рассмотрение критических полей отдельных зерен, независимо от механизма магнитного гистерезиса (задержка смещения доменных границ или задержка образования и роста доменов обратного знака) соответствуют закону 1/cos(j-j_т), где j-угол между намагниченностью и внешним полем, j_т- угол между ОЛН зерна и осью текстуры магнита. Этот факт не позволяет использовать угловые зависимости коэрцитивной силы для анализа механизма магнитного гистерезиса в постоянных магнитах. Анализируется возможность проведения таких исследований в наноструктурных постоянных магнитах с целью получения необходимых характеристик магнитов для корректного моделирования гистерезисных процессов в них на основе предложенной ранее модели.

В работе А. Г. Попова (Институт физики металлов УрО РАН) «Термомагнитное и мессбауэровское исследование структурных превращений, происходящих в аморфном сплаве Nd₉Fe₈₅B₅ под воздействием интенсивной пластической деформации и отжига» изучено влияние интенсивной пластической деформации (ИПДК) и последующего отжига на структурные превращения и формирование магнитных гистерезисных свойств в аморфном сплаве Nd₉Fe₈₅B₆. Ленты быстрозакаленного сплава (БЗС) были получены разливкой расплава на вращающееся колесо с линейной скоростью 35 м/с. Набор фрагментов лент подвергали ИПДК между наковальнями Бриджмена под давлением 5 ГПа и числе оборотов наковален n = 5.

Сравнение мессбауэровских спектров лент аморфного БЗС и деформированного образца показало, что после выделения a-Fe под воздействием ИПДК происходят заметные изменения в структурном состоянии аморфной А’-фазы. Увеличивается доля ближних окружений атомов ⁵⁷Fe как с низкими, так и высокими значениями сверхтонкого поля H_hf. Не выявлено существенного различия в спектрах ЯГР отожженных аморфных лент и деформированных образцов. Для анализа фазового состава отожженных материалов их экспериментальные спектры аппроксимировали суперпозицией из 11 модельных подспектров.

Авторами работы «Соединения типа BaCd₁₁ в системах R-Fe-Ga-C» Г. В. Ивановой, А. Г. Поповым Е. В. Белозеровым, Е.В. Щербаковой (Институт физики металлов УрО РАН) был проведен поиск соединений, обладающих магнитным порядком, высокими значениями намагниченности насыщения, энергии магнитокристаллической анизотропии и температуры Кюри Т_С, в системах R-Fe-М-C. Ранее в сплавах с R = La и M = Ga [1] обнаружена новая сверхструктура на основе фазы типа NaZn₁₃ с тетрагональной решеткой c Т_С @ 400 K, а в сплавах с R = Ce, Pr и M = Si [2,3] - соединение типа BaCd₁₁ c Т_С @ 470 K.

В данной работе изучены сплавы с R = Ce, Pr, Sm, Y и M = Ga. Слитки составов RFe_13-xGa_xC, приготовленные методом индукционной плавки, отожжены при 1100 ^оС в вакуумированных кварцевых ампулах. Фазовый состав образцов и направления осей легкого намагничивания (ОЛН) фаз определены рентгенографически. Значения температур Кюри фаз получены из кривых температурной зависимости начальной магнитной восприимчивости, измеренных в синусоидально синусоидальном поле с амплитудой 8 Э при частоте 80 Гц.

В докладе С. В. Андреева, Н. В. Кудреватых (Уральский государственный университет) «Структура и свойства закаленных по методу центрифуги сплавов системы Nd-Fe-B в области состава фазы 2-14-1» предприняли попытку получения текстуры нанозерен в указанных сплавах путем пропускания электрического тока по струе расплава при СР по методу центрифуги. Использовали следующие составы сплавов: Nd₁₄Fe₇₈B₈(A-сплав); Nd₉Fe₈₅B₆(D-сплав); Nd₉Fe₇₉B₁₂ (E-сплав); Nd₉Fe₇₄Ti₄C₁B₁₂ (F-сплав). Атомная структура и фазовый состав изучались с помощью методов рентгеновского, электронно-микроскопического и нейтронно-диффракционного анализа. Найдено, что в результате СР во всех образцах формируется многофазное состояние – присутствует кристаллическая 2-14-1 и аморфная фазы (АФ), а также нано-размерные включения фазы б-Fe. АФ формируется главным образом со стороны контактной поверхности. Ее количество зависит от СР – параметров и может достигать 70%. Пропускание тока при СР сплава А в ряде случаев способствовало возникновению текстуры нанозерен.

В докладе германских коллег X. Нагель и E. Розендааль, работающих в Китае, (фирма NKE, NingboDr. NagelMagnet Technology Co. Ltd) обсуждается проблема требований к производству высококачественных магнитов NdFeB. Подробно обсуждается хорошо испытанное оборудование, разработанное и изготовленное фирмой NKE в течение последних двух десятилетий. Для того, чтобы требования к изготовлению высокачественных магнитов сочетались с минимальной стоимостью, разработан комплексный процесс, включающий постоянный и точный контроль всех технологических параметров, а также проводимый в условиях тщательно контролируемой инертной атмосферы. Введение в технологический процесс полностью автоматизированных этапов – один из ключевых моментов в достижении поставленной цели.

В оригинальной работе В. А. Глебова, А. В. Глебова «Методика магнитной сепарации и очистки от примесей порошков уранового топлива для ядерных реакторов» (ФГУП ВНИИНМ им. А. А. Бочвара) предложено использование установки, использующая ранее разработанную авторами систему постоянных магнитов типа открытой доменной структуры Киттеля. Установка создает сильные высокоградиентные магнитные поля с величиной силового произведения B(gradB) на шесть-семь порядков больше, чем в известных магнитных системах. Это обеспечивает необходимую чувствительность для работы со слабомагнитными материалами, в частности, с порошками соединений урана.

Е. А. Кузнецова, Ю. В. Кулаев, П. А. Курбатов (Московский энергетический институт (Технический университет)) в своем докладе «Методы проектирования и настройки магнитных систем открытого типа для магниторезонансных томографов» сообщили, что в настоящее время лидерами по производству и продажам МРТ можно назвать General Electric Medical Systems (США), Siemens (Германия), Toshiba (Япония), Hitachi-Medical Systems (Япония), ESAOTE (Италия). Создание магниторезонансных томографов в России, и в частности магнитных систем на постоянных магнитах для них, является на сегодняшний день актуальной задачей.

Сложность проектирования и изготовления магнитных систем МРТ определена требованиями высокой интенсивности и однородности магнитного поля в рабочем зазоре при ограничениях на массогабаритные и ценовые показатели системы. В докладе представлены теоретические и практические результаты, полученные при разработке магнитной системы с постоянными магнитами открытого типа для ортопедического МРТ с магнитной индукцией 0, авторами метода синтеза профиля полюсов магнитной системы найдено и обосновано новое конструкторское решение регулируемых полюсов из 23 Тл и однородностью 20 ppm в зоне эллипсоида с осями 150´120 мм.

На основе разработанного композиционного магнитомягкого материала с малой электрической проводимостью. Применение композиционного материала позволило снизить влияние вихревых токов, возбуждаемых градиентными катушками, на процесс получения изображения. Созданы методы и программное обеспечение для настройки магнитной системы: грубой, с помощью плавающих полюсов, и точной, с помощью малых постоянных магнитов, эффективность которых подтверждена при создании опытной партии ортопедических МРТ.

В настоящей статье отмечены только отдельные, наиболее заметные моменты работы конференции. Острые дискуссии, плодотворные обсуждения творческий обмен информацией и заключенные на конференции соглашения говорят о том, что конференция явилась необходимым мероприятием и поставленные перед ней цели достигнуты.

Участникам конференции удалось и отдохнуть, посетив замечательный концерт Владимирского городского хора под управлением заслуженного деятеля искусств, народного артиста Российской Федерации, профессора Эдуарда Митрофановича Маркина. Концертная программа включала в первом отделении выступление Владимирской капеллы мальчиков и мужской хор, а во втором отделении выступление Владимирского Городского хора девочек и мужской квартет солистов. Впечатление было незабываемым.

РЕШЕНИЕ XVI Международной конференции по постоянным магнитам

В последние годы существенно увеличилось оснащение предприятий-разработчиков современными средствами моделирования и проектирования магнитных систем. Их эффективность может быть повышена при большом внимании к проблемам моделирования, как магнитных свойств и процессов перемагничивания, так и магнитных систем, состоящих из магнитомягких и магнитотвердых материалов.

Расширилась практика независимых испытаний и добровольной сертификации постоянных магнитов и магнитных систем.

Большой вклад в вопросы сертификации и стандартизации постоянных магнитов вносит аккредитованный Госстандартом РФ Орган по сертификации электротехнических материалов и изделий, при Московском энергетическом институте (Техническом университете).

При ФГУП «Спецмагнит» аккредитован и внесен в Госреестр РФ Государственный центр испытаний средств магнитных измерений «Магнетест».

Начато обновление нормативно-методической документации.

Положительный итог настоящей Международной конференции заключается также в обсуждении полученных научных и практических результатов, информировании о них работников промышленности, налаживании научных и коммерческих связей.

Конференция отмечает:

Россия остается одной из немногих стран в мире, занимающейся разработкой и производством всех типов постоянных магнитов.

Продолжают развиваться основные научные школы на базе Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов», Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Уральского научного центра в Екатеринбурге, Института физики металлов УрО РАН, Уральского государственного университета им. А. М. Горького, Тверского государственного университета.

Существенным отличием тематики докладов на конференции явилось то, что более 40% докладов были посвящены исследованию и разработке наноматериалов и нанотехнологий. Во время конференции был проведен «круглый стол» на тему: «Магнитные наноматериалы - реальность и перспективы».

С удовлетворением можно отметить увеличение среди участников конференции молодежи. Следует поддержать опыт Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов» рассматривать участие студентов старших курсов в конференции, как часть специальной преддипломной практики.

Проведен конкурс на лучший доклад среди молодых ученых.

Несмотря на имеющиеся трудности, увеличиваются объемы выпуска постоянных магнитов на основных промышленных предприятиях: – ОАО НПО «Магнетон» (г. Владимир), ФГУП «Спецмагнит» (г. Москва), ОАО «Магнит» и НПКФ «Партнер» (г. Новочеркасск), ОАО «ПОЗ-Прогресс» (г. Верхняя Пышма), и ООО «Магнит» (г. С-Петербург).

Вместе с тем появились новые производители - малые предприятия (около 20), на которых развернуто производство магнитов типа Nd-Fe-B (спеченные и магнитопласты). Выпуск ферритов интенсивно развивается на ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь. Организовано перспективное производство быстрозакаленных магнитных порошков Nd-Fe-B. Это позволило наладить в России выпуск магнитопластов в виде многополюсных роторов, муфт, датчиков, в том числе для автомобильной промышленности.

На предприятии «Эрга» налажено производство анизотропных композиционных постоянных магнитов на основе HDDR процесса

Применение постоянных магнитов неуклонно расширяется. Однако потребителей постоянных магнитов не удовлетворяют имеющаяся ситуация производства магнитов как по объему выпуска, так и по номенклатуре и качеству, в первую очередь, постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B и магнитопластах.

Отечественные промышленные постоянные магниты из Nd-Fe-B значительно уступают зарубежным по энергоемкости, объемной однородности магнитных свойств материала, температурному коэффициенту, магнитной индукции, механическим свойствам. Не выпускаются крупногабаритные постоянные магниты высокого качества. Вследствие этого растет импорт дешевых зарубежных постоянных магнитов, особенно из Китая, что отрицательно сказывается на перспективах развития отрасли.

За последние два года наблюдается значительный рост потребности ряда отраслей народного хозяйства России в современных средствах магнитных измерений и намагничивающем оборудовании. Однако все ещё имеются серьезные недостатки в метрологическом обеспечении испытаний постоянных магнитов и магнитных систем.

Рост объемов производства магнитов из сплава Nd-Fe-B сопровождается ростом накопления отходов. Это создает с одной стороны экологические проблемы их утилизации, с другой стороны эти отходы могут быть сырьем для извлечения из них дорогостоящих редкоземельных металлов (неодима, диспрозия, тербия). В связи с ростом производства магнитов из РЗМ вопросы как организации производства в России редкоземельных металлов, так и переработки отходов приобретают стратегическое значение.

В последние годы существенно увеличилось оснащение предприятий-разработчиков современными средствами моделирования и проектирования магнитных систем. Однако их эффективность может быть повышена при большем внимании к проблемам моделирования магнитных свойств и магнитных систем.

Конференция рекомендует:

Следует продолжать исследования в области магнитных наноматериалов и разработки технологии их получения. Более активно проводить рекламу инновационной привлекательности разработок в этой области. Использовать для финансирования этих работ целевые федеральные, отраслевые и региональные программы.

ПроситьМинистерство экономического развития и торговли Российской Федерации разработать меры финансово-экономического характера, в том числе по таможенной политике, с целью защиты и поддержки российских производителей постоянных магнитов на внутреннем рынке в конкурентной борьбе с китайскими производителями.

Просить Министерство промышленности и энергетики Российской Федерации разработать меры по развитию предприятий сырьевого комплекса, в том числе выпускающих неодим, и на общероссийском уровне решить вопрос переработки отходов производства, содержащих редкоземельные металлы.

Научно-техническим комитетам при Магнитном Обществе (МАГО), секции постоянных магнитов при Научном Совете «Физика конденсированного состояния» РАН проанализировать положение дел на предприятиях и исследовательских организациях России с измерительным оборудованием и состоянием метрологии в области магнитных материалов. Полученную информацию довести до соответствующих заинтересованных ведомств.

С участием представителей Госстандарта завершить разработку стандартов на магнитотвердые материалы и методики измерения их свойств.

Активно привлекать молодых ученых, аспирантов и студентов Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов», Тверского государственного университета, Уральского государственного университета им. А. М. Горького, Московского энергетического института (технического университета) и других ВУЗов для участия в конференции. Продолжить практику проведения конкурсов на лучший доклад среди молодых ученых.

Оргкомитету конференции решить вопрос о конкретных датах проведения в 2009 году следующей XVII Международной конференции по постоянным магнитам с учетом сроков проведения других профильных конференций и симпозиумов.

Широко информировать научно-техническую общественность о результатах XVI Международной конференции по постоянным магнитам. Рекомендовать к публикации статьи, написанные на основе докладов, сделанных на конференции. Расширить информированность общественности в России и за рубежом о следующей XVII Международной конференции по постоянным магнитам в 2009 году.

Председатель Оргкомитета, действительный член РАЕН, профессор А. С. Лилеев

Магнитные плиты

Sat, 29 Mar 2008 19:05:21 +0300

Магнитные плиты на основе постоянных магнитов используются в технологических линиях для очистки различных продуктов от ферромагнитных загрязнений. Магнитная плита позволяет удалять из транспортируемого продукта примеси железа, что помогает избежать остановок производства, вызванных поломками оборудования, пожарами и взрывами.

Для получения более подробной информации и цен просим Вас направить электронное письмо, с максимально детальным описанием необходимой Вам магнитной системы, по адресу: sale@amtc.org или по телефону-факсу +7(495) 777-72-26.

Встроенные железоотделители

Sat, 29 Mar 2008 19:01:14 +0300

Некоторые производители различного технологического оборудования по непонятным причинам «забывают» укомплектовать свое оборудование необходимыми магнитными заграждениями, предохраняющими различные дорогостоящие узлы от засоров и поломок. Эту проблему приходится решать самостоятельно потребителям этого оборудования, часто, к сожалению, уже после поломок.

В любой производственной линии (будь то минизавод по производству томатной пасты или нефтеперегонный завод) существуют потенциально опасные места, которые необходимо защищать от случайного попадания металлических предметов. В большинстве случаев примеси металлов ухудшают качество конечного продукта и зачастую необходимость установки металлоулавливателя зафиксирована в нормативных требованиях к производимому продукту.

Для сыпучих и жидких продуктов наиболее экономичным и эффективным решением проблемы очистки продукта от металлических включений являются магнитные решетки. Магнитные решетки ( или магниты бункера ), предлагаемые нашей компанией, могут быть различных форм, размеров, выполненными из разных материалов.

Исходя из многообразия конструкций, разработанных и выпускаемых компанией «Перспективные магнитные технологии», практически в любой технологической цепи возможно найти место для установки той или иной конструкции железоотделителя. Магнитные железоотделители (в виде решеток) можно устанавливать в бункер, в трубопровод, в виде отдельного модуля. Для тех случаев, когда размер выловленных ферромагнитных частиц мал и могут возникнуть определенные неудобства с очисткой решетки от притянутых (налипших) частиц, разработаны металлоуловители с вынимающимися магнитными стержнями. Такая конструкция железоотделителя позволяет в течение нескольких секунд произвести очистку от выловленных ферромагнитных частиц.

Как уже было сказано, в тех случаях, когда это позволяет продукт, наиболее выгодно использовать металлоулавливатели в виде магнитных решеток. Практически, за небольшим исключением, это любой сыпучий и жидкий продукт – зерно, различная мука, чай, кофе, какао, комбикорм, сахар, орехи, различные порошки и растворы, эмали, шликерная масса и т.д.

Принцип работы таких металлоулавливателей очень прост. Продукт просыпается или протекает сквозь магнитную решетку. Здесь обеспечивается контакт загрязненного примесями продукта и магнитных стержней. Именно наличие контакта загрязненного продукта и решетки выгодно отличает эти изделия от других типов железоулавливателей, позволяет решить проблему удаления примесей меньшим количеством магнитов и, тем самым, снизить стоимость металлоуловителя.

Для изготовления магнитных решеток используются очень сильные постоянные редкоземельные магниты, собранные определенным образом под конкретные задачи. Эти магниты создают высокоградиентное магнитное поле (до 1.1Тл = 11 000 Гауссов), улавливают ферромагнитные частицы и надежно их удерживают, не позволяя потоку основного продукта сбить их. Получаемое высокоградиентное магнитное поле полностью исключает прохождение примесей (будь то гайка или стальная пыль) сквозь решетку. В зависимости от характера и количества примесей в продукте конфигурация и сила магнитного поля различная, специально рассчитанная и испытанная в реальных условиях для всех основных типов продуктов.

Количество рядов, диаметры магнитных стержней и зазоры между ними, конструкция магнитной системы в стержнях выбираются не случайно, а оптимизируются в соответствии с производительностью и параметрами продукта, характеризующими его сыпучесть или текучесть (влажность, размер гранул, коэффициент вязкости и т. д.)

Специалистами компании «Перспективные магнитные технологии» разработаны, испытаны и внедрены в производство магниты бункера, способные улавливать очень мелкие и слабомагнитные частицы, в том числе из нержавеющей стали.

Магниты бункера, выпускаемые компанией «Перспективные магнитные технологии» долговечны, надежны, просты в эксплуатации и, что немаловажно, дешевле российских и зарубежных аналогов.

Выпускаемые магнитные решетки имеют санитарно-эпидемиологическое заключение для всех применяемых материалов, а также разрешение на применение Госгортехнадзора. Все разработки компании «Перспективные магнитные технологии» подтверждены соответствующими патентами.

Для получения более подробной информации и цен просим Вас направить электронное письмо, с максимально детальным описанием необходимой вам установки, по адресу sale@amtc.org или звонить по телефону +7(495) 777-72-26.

Использование порошковых сердечников при высоких температурах

Sat, 15 Mar 2008 12:11:07 +0300

Е.И. Мищенко

Анализ тепловых режимов является основной частью разработки мощных электронных приборов. Компоненты могут нагреваться от внешних источников или потерь энергии в них самих. Очень часто, в целях оптимизации стоимости, размеров и производительности катушки индуктивности и трансформаторы рассчитывают для работы при условии существенно повышенных температур. Для разработчика очень важно знать поведение порошковых сердечников при повышенных температурах. Знание этого необходимо для выбора наилучшего материала для каждого применения и для уверенности в том, что прибор будет нормально функционировать при максимальной рабочей температуре.

ЗАО «Полимагнит» предлагает порошковые сердечники производства «Arnold group» (США), изготовленные из MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст). Все три материала обладают отличной стабильностью и надежностью при высоких температурах. Зависимость индуктивности от изменения температуры, из-за распределенного воздушного зазора в порошковых сердечниках, относительно слабая. Вследствие того, что температура Кюри сплавов, используемых в производстве порошковых сердечников, высокая, изменениями в параметрах насыщения для типовых рабочих температур можно пренебречь. Кроме того, порошковые сердечники не восприимчивы к термическим ударам. MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) рассчитаны на работу в непрерывном режиме при температуре до 200^оС.

MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) изготавливаются прессованием с неорганическим изолятором, при этом не используется никаких связующих материалов. По этой причине они не подвержены эффекту старения, даже когда непрерывно работают при высоких температурах.

Разработчики должны знать об изменении свойств ферритовых сердечников от температуры, а также то, что ферритовые сердечники подвержены термическому удару.

Для выбора самого лучшего материала сердечника необходимо учитывать множество факторов. Тепловые характеристики являются одним из важнейших аспектов. Разработчику необходимо хорошо знать о преимуществах и недостатках каждого материала.

Максимальная рабочая температура для всех трех материалов 200^оС. Ограничение накладывается эпоксидным покрытием. В большинстве цепей немало других компонентов откажут при более низких температурах, поэтому материал сердечника редко когда оказывается ограничивающим фактором.

MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) не подвержены эффекту старения, даже при постоянной эксплуатации при повышенных температурах. Материалы, из которых изготавливаются порошковые сердечники, не содержат органических связующих, поэтому не подвержены явлению термического старения, как, например, порошковое железо. (В целом, основным преимуществом MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) является то, что потери в них значительно меньше, чем в порошковом железе. Они также более стабильны по отношению к изменениям температуры, частоты и уровня подмагничивания.)

При высоких температурах магнитные свойства порошковых сердечников изменяются на очень малую величину. Малые изменения проницаемости, отклика на подмагничивание постоянным током и потерь в сердечнике обратимы. При помещении материала в условия с комнатной температурой магнитные свойства возвращаются к исходным, вне зависимости от количества циклов.

Зависимость проницаемости от температуры.

Изменение проницаемости от изменения температуры у порошковых сердечников относительно мало. В основном это обусловлено распределенным зазором, а также стабильностью используемых сплавов. На Рис 1. показано типовое изменение проницаемости от температуры.

Рис. 1. Изменение проницаемости от температуры для порошковых сердечников.

Изменения предсказуемые, с высокой точностью повторяемости. Несмотря на то, что изменения проницаемости от температуры для используемых в производстве порошковых сердечников сплавов велико, эффективная проницаемость материала резко стабилизируется при наличии зазора.

Проницаемость в зазоре, само собой разумеется, равна единице вне зависимости от температуры. Следовательно, порошковые сердечники с меньшей проницаемостью, обладающие большим эффективным зазором, демонстрируют лучшую температурную зависимость.

Зависимость проницаемости от подмагничивания постоянным током.

Порошковые сердечники проявляют пологую насыщаемость. Из-за распределенного микроскопического зазора в материале порошковые сердечники не сразу достигают плотности потока насыщения (Bmax). Проницаемость уменьшается постепенно и предсказуемо с ростом уровня намагничивания.

Характеристики насыщения изменяются всего на несколько процентов даже в широком диапазоне температур. На Рис. 2 приведена зависимость проницаемости от подмагничивания постоянным током. Снижение плотности потока насыщения при увеличении температуры отнюдь не так сильно как для ферритов. Температура Кюри значительно выше, поэтому рабочая температура электроники значительно ниже уровней, при которых Bsat начинает существенно уменьшаться.

Термический удар.

В отличие от ферритов, порошковые сердечники невосприимчивы к термическому удару. Они запросто проходят наиболее жесткие военные и аэрокосмические испытания электронных компонентов на тепловой удар. Одним из возможных способов (хотя и редким) разрушения тороидального порошкового сердечника под действием температуры является такая плотная намотка обмотки, что расширение меди под действием температуры приведет к напряжениям большим, чем сердечник может выдержать.

Рис. 2. Зависимость проницаемости от подмагничивания постоянным током

Рабочая температура.

Как указывалось выше MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) рассчитаны на работу в непрерывном режиме при температуре до 200оС - максимальная температура, которая соответствует практически всем силовым применениям. Фактором, ограничивающим температуру 200^оС, является эпоксидное покрытие, а не сам материал. На самом деле, после прессования порошковые сердечники для снятия внутренних напряжений подвергаются отжигу в течение нескольких часов при температуре выше 500оС. После отжига на сердечники наносится эпоксидное покрытие для диэлектрической защиты и улучшения механических свойств. Очевидно, что температура 200^оС не производит на порошковые сердечники разрушающего действия, даже при непрерывном воздействии.

Потери в сердечнике и рост температуры.

Чем больше переменный или пульсирующий ток, протекающий по обмотке сердечника, тем больше будут потери в сердечнике. Постоянный ток не оказывает влияние на потери в сердечнике, только на потери в меди. Графики потерь порошковых сердечников не сильно зависят от подмагничивания постоянным током, так как петля гистерезиса значительно сглажена из-за распределенного зазора.

Как и следовало ожидать, потери проявляются в виде тепла, что приводит к повышению температуры. Задача разработчика - выбрать оптимальный порошковый сердечник для заданного применения с учетом потерь. При равенстве прочих показателей, МРР (Мо пермаллой) обладает наименьшими потерями, затем идут Super-MSS (сендаст), Hi-Flux и порошковое железо. В Arnold “Magnetic Powder Cores” каталоге приведены графики потерь в сердечнике и уравнения для этих графиков. Потери приведены в зависимости от частоты и плотности потока для различных проницаемостей каждого материала - MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст). Потери практически не зависят от температуры (чего нельзя сказать о ферритах).

Металлоулавливатели в виде магнитных решеток (магнитов бункера) – наиболее экономичное решение проблемы очистки продукта от металлических включений

Fri, 14 Mar 2008 23:23:35 +0300

С.Г. Нищук, Д.Б. Копелиович

Высокоэффективные устройства на основе постоянных магнитов для сепарации и стыковки строительных материалов и конструкций

Fri, 14 Mar 2008 23:17:06 +0300

С.Г. Нищук, Д.Б. Копелиович

Специалисты компании "Перспективные магнитные технологии и консультации" ведут активные разработки разнообразных магнитных систем, устройств и механизмов на основе высокоэнергетичных постоянных магнитов NdFeB. Этот материал, появившись в конце 20-го века, благодаря своим непревзойденным магнитным свойствам (по энергетическим характеристикам NdFeB в несколько раз превосходит традиционные постоянные магниты) позволил вывести технику на основе постоянных магнитов на качественно новый уровень и существенно расширил области их применения. Прогресс во многих отраслях современной экономики, таких как компьютерные технологии, электроника, автомобилестроение связан, в том числе, с внедрением магнитных материалов нового поколения.

результате работы над проектов специалистами компании "Перспективные магнитные технологии и консультации" разработан и внедрен в производство целый ряд устройств на основе постоянных магнитов NdFeB, позволяющих повысить производительность труда и качество продукции. По их назначению эти устройства можно разделить на несколько классов.

К первому классу можно отнести различные железоотделители или, как их еще называют, линии магнитной задержки. На ЖБК, заводах ЖБИ и сухих смесей и т.д. при транспортировке песка, гравия и других сыпучих продуктов по конвейерам во избежание поломок смесительного и др. оборудования, а также попадания посторонних включений в готовую продукцию используют подвесные, барабанные, внутритрубные железоотделители. Применение того или иного типа устройств, а также оснащение их ручной или автоматизированной системой очистки обусловлено характером и количеством ферромагнитных включений в транспортируемом материале. Традиционно данная задача решалась применением электромагнитных железоотделителей - устройств достаточно дорогостоящих, громоздких и потребляющих большое количество электроэнергии. Линии магнитной задержки на постоянных магнитах NdFeB, имея стоимость, как правило, не выше электромагнитных устройств, электроэнергию не потребляют и обслуживания не требуют. Кроме того, они имеют существенно меньшие габариты и вес, что также крайне важно с точки зрения монтажа оборудования на реальном производстве.

Вторая проблема, которую позволяют решать устройства на мощных постоянных магнитах, - фиксация элементов опалубки при производстве ЖБК и ЖБИ, особенно сложных форм, в том числе при монолитном строительстве. Набор магнитных держателей опалубки (захватов) используют для закрепления опалубки в металлических формах или на стальной плите. В этом случае полностью отпадает необходимость в сварочных работах при креплении опалубки; резко сокращается время подготовительных операций и повышается их точность. Конструкция захватов предусматривает возможность "отключения" магнитного поля, поэтому демонтаж конструкции после застывания изделия происходит практически мгновенно. Таким же способом с высокой точностью можно позиционировать перед заливкой изделия различные закладные элементы.

Еще одна область применения магнитов в строительстве - организация сварочных работ. Нами сконструирован набор приспособлений, позволяющий значительно упростить и ускорить монтаж металлоконструкций, - магнитные угольники (фиксаторы), как со стандартными (45, 90, 135 градусов) фиксированными углами, так и регулируемые. С их помощью элементы металлоконструкции (уголок, швеллер, труба, лист) точно и жестко фиксируются в нужном положении. Фактически магнитные фиксаторы - это "вторая пара рук сварщика", они делают возможным независимую работу сварщика в процессе строительно-монтажных работ. Также очень удобен "магнитный ноль", особенно незаменимый в полевых условиях.

Все данные изделия находятся в стадии промышленного производства и подготовлены для широкого внедрения в строительную практику.

Использование магнитов на основе неодим-железо-бор

Fri, 14 Mar 2008 23:13:28 +0300

Екатерина Тишина

Магнитный материал NdFeB по праву может называться материалом 21-го века. Он вобрал в себя все достижения в области разработки постоянных магнитов, огромные усилия больших и малых научных коллективов и побил все рекорды магнитных характеристик. Именно открытие этого материала подняло магнитную индустрию на принципиально новый уровень.

За рубежом устройства на основе неодимовых магнитов сразу же нашли применение во многих областях. Помимо традиционных потребителей новейших материалов - военно-промышленного комплекса и ядерной промышленности, в их число входят стройиндустрия и нефтегазовый комплекс, химическая и металлургическая промышленность, медицина и микробиология, теплоэнергетика и машиностроение, деревообрабатывающая и пищевая промышленность, радиоэлектроника и наружная реклама. Это далеко не полный список областей применения этих магнитов.

Спектр устройств на постоянных магнитах чрезвычайно широк, но можно попытаться выделить основные классы магнитных систем.

Первый класс - это подъемно-транспортное и погрузочно-разгрузочное оборудование на основе постоянных магнитов. Недавно в одной статье про неодимовые магниты был приведен следующий пример: "…магнит размером с футбольный мяч легко поднимает "Волгу"…". Хочется добавить: "с пассажирами и полным багажником". Представляете, каких размеров должен быть электрический магнит с такой же грузоподъемностью? Раз в 20 больше. Существуют, также, ручные и полуавтоматические подъемно-транспортные приспособления, помогающие избежать травм и увечий при погрузке, разгрузке и транспортировке.

Другой класс - это сепарационные системы, использующиеся на горно-обогатительных предприятиях, сепараторы для сыпучих и текучих веществ, устанавливаемые обычно в трубопроводах или над конвейерами (т. н. линии магнитной задержки) для различных предприятий стройиндустрии, пищевой, химической промышленности, предприятий по утилизации промышленного, бытового и строительного мусора.

В третий класс изделий можно отнести роторы двигателей и микродвигателей, тормозные системы, герметичные муфты и т. д.

В отдельный класс можно выделить установки, где неодимовые магниты используются в качестве различного рода магнитных линз для фокусировки, отклонения заряженных частиц в радиоэлектронике, в некоторых областях науки, в медицине (томографы, ЯМР-спектрометры).

Практически везде, где есть конвейеры, стоит проблема попадания металломагнитных примесей в потенциально опасные отсеки оборудования. На предприятиях строительной индустрии (ЖБК, заводах ЖБИ и сухих смесей и т.д.) отсутствие магнитного заграждения приводит "всего лишь" к поломкам и ремонту дорогостоящего оборудования (лопастям, насосам, весовым механизмам и т.д.) или ухудшению качества выпускаемой продукции (например, на предприятиях стекольной и керамической промышленности). В животноводстве же, и пищевой промышленности это зачастую приводит к летальным исходам. В первом случае гибнет скот от попадающих в комбикорма и добавки гвоздей и шурупов, а во втором - люди от взрывов. Так, из-за попадания в норию крупных металломагнитных примесей в 1971-89гг. произошли взрывы на Иркутском и Саранском комбикормовых заводах, Белогорском, Читинском и Армавирском комбинатах хлебопродуктов. Таким образом, существует очевидная потребность в таких изделиях у предприятий самого различного профиля.

На западе внедрение сильных магнитов в повседневную жизнь (вплоть до бытовых магнитов, игрушек для детей и даже украшений) произошло очень быстро. К сожалению, отечественный потребитель еще весьма далек от этого. Справедливости ради, нужно отметить, что некоторые предприятия строительной, нефтегазовой, деревообрабатывающей промышленности уже успешно используют новую технику на постоянных магнитах, но доля этих предприятий ничтожно мала по сравнению с общим количеством нуждающихся в этой технике.

И, что самое парадоксальное, дело здесь не в конкурентоспособности этих устройств. Конкурентов у этих изделий просто нет. Они компактней, безопасней, не требуют затрат электроэнергии, а главное, дешевле применяемых сегодня электромагнитных систем. Те изделия, которые не требуют электропитания для вспомогательных блоков, могут работать в поле, под землей и под водой, днем и ночью - постоянно!

Несмотря на инертность отечественного рынка, Группа AMT&C смотрит в будущее с оптимизмом. На самом деле в нашей стране существуют предпосылки развития техники на постоянных сильных магнитах. Есть предприятия - как старые, в основном относящиеся к ВПК, сумевшие "выжить" в сложный переходный период, не растерять людей и накопленные знания, так и новые, образованные на базе научных институтов, которые разрабатывают и постоянно расширяют круг производимых изделий на основе постоянных магнитов. Надеемся, что круг предприятий и выпускаемых ими изделий будет расти.

Использование магнитов в стройиндустрии

Fri, 14 Mar 2008 23:07:31 +0300

С.Г. Нищук

Все мы с детства знаем легенду об уральской магнитной горе, к которой прилипали стрелы кочевников. Если пофантазировать и предположить, что эта гора была бы из магнита на основе неодимового сплава (неодим-железо-бор), то она, наверняка, притягивала бы к себе пролетающие мимо стальные самолеты. Именно из порошка Nd-Fe-B в конце прошлого века научились спекать качественно новые постоянные магниты. Этот материал по праву может называться материалом 21-го века. Он вобрал в себя все достижения в этой области, огромные усилия больших и малых научных коллективов и побил все рекорды магнитных характеристик.

За рубежом устройства на основе неодимовых магнитов сразу же нашли применение, практически, во всех областях. Помимо традиционных потребителей новейших материалов - военно-промышленного комплекса и ядерной промышленности, в их число входят стройиндустрия и нефтегазовый комплекс, химическая и металлургическая промышленность, медицина и микробиология, теплоэнергетика и машиностроение, деревообрабатывающая и пищевая промышленность, радиоэлектроника и наружная реклама. Это далеко не полный список областей применения этих магнитов.

Спектр устройств на постоянных магнитах чрезвычайно широк, но можно попытаться выделить основные классы магнитных систем. Первый класс - это подъемно-транспортное и погрузочно-разгрузочное оборудование на основе постоянных магнитов. В статье про неодимовые магниты был приведен следующий пример: "…магнит размером с футбольный мяч легко поднимает "Волгу"…". Наглядно. Хочется добавить: "с пассажирами и полным багажником". Представляете, каких размеров должен быть электрический магнит с такой же грузоподъемностью? Раз в 20 больше. Существуют, также, ручные и полуавтоматические подъемно-транспортные приспособления, помогающие избежать травм и увечий при погрузке, разгрузке и транспортировке. Другой класс - это сепарационные системы, использующиеся на горно-обогатительных предприятиях, сепараторы для сыпучих и текучих веществ, устанавливаемые обычно в трубопроводах или над конвейерами (т. н. линии магнитной задержки) для различных предприятий стройиндустрии, пищевой, химической промышленности, предприятий по утилизации промышленного, бытового и строительного мусора. В третий класс изделий можно отнести роторы двигателей и микродвигателей, тормозные системы, герметичные муфты и т. д. В отдельный класс можно выделить установки, где неодимовые магниты используются как различного рода магнитные линзы для фокусировки, отклонения заряженных частиц в радиоэлектронике, в некоторых областях науки, в медицине (томографы, ЯМР-спектрометры).

Практически везде, где есть конвейеры, стоит проблема попадания металломагнитных примесей в потенциально опасные отсеки оборудования. На предприятиях строительной индустрии (ЖБК, заводах ЖБИ и сухих смесей и т.д.) отсутствие магнитного заграждения приводит "всего лишь" к поломкам и ремонту дорогостоящего оборудования (лопастям, насосам, весовым механизмам и т.д.) или ухудшению качества выпускаемой продукции (например, на предприятиях стекольной и керамической промышленности). В животноводстве же, и пищевой промышленности это зачастую приводит к летальным исходам. В первом случае гибнет скот от попадающих в комбикорма и добавки гвоздей и шурупов, а во втором - люди от взрывов. Так из-за попадания в норию крупных металломагнитных примесей в 1971-89гг. произошли взрывы на Иркутском и Саранском комбикормовых заводах, Белогорском, Читинском и Армавирском комбинатах хлебопродуктов. Таким образом, существует очевидная потребность в таких изделиях у предприятий, представляющих не только строительную индустрию.

На западе внедрение сильных магнитов в повседневную жизнь (вплоть до бытовых магнитов, игрушек для детей и даже украшений) произошло так же быстро, как на смену виниловым грампластинкам пришли компакт-диски. К сожалению, отечественный потребитель, если воспользоваться этим же сравнением, продолжает слушать граммофон. Справедливости ради, нужно отметить, что некоторые предприятия строительной, нефтегазовой, деревообрабатывающей промышленности уже успешно используют новую технику на постоянных магнитах, но доля этих предприятий ничтожно мала по сравнению с общим количеством нуждающихся в этой технике.

И, что самое парадоксальное, дело здесь не в конкурентоспособности этих устройств. Конкурентов у этих изделий, попросту, нет. Они компактней, безопасней, не требуют затрат электроэнергии, а главное, дешевле применяемых сегодня электромагнитных систем. Те изделия, которые не требуют электропитания для вспомогательных блоков могут работать в поле, под землей и под водой, днем и ночью - постоянно! В связи с этим, даже возобновились дискуссии о разного рода идеях вечных двигателей, летательных аппаратах, использующих альтернативные принципы. Быть может, это уже не за горами. Но, оказывается, можно упорно отвергать даже то, чем уже пользуется весь мир.

Несмотря на инертность отечественного рынка, смотреть в будущее нужно с оптимизмом. На самом деле в нашей стране существуют предпосылки развития техники на постоянных сильных магнитах. Есть предприятия как старые, в основном ВПК, сумевшие "выжить" в сложный переходный период, не растерять людей и накопленные знания, так и новые, образованные на базе научных институтов, которые разрабатывают и постоянно расширяют круг производимых изделий на основе постоянных магнитов, оснащая нашу промышленность по последнему слову.

Магниты и современная медицина

Fri, 14 Mar 2008 22:32:46 +0300

Екатерина Тишина

В настоящей статье мы попытались представить обзор различных возможностей использования магнитов и магнитных материалов в медицинских целях. Речь идет как о широко известных, хорошо зарекомендовавших себя областях применения, так и об инновационных. Данная статья ни в коем случае не может рассматриваться как руководство по применению тех или иных методик, она лишь предлагает широкому кругу читателей познакомиться с перспективами и проблемами использования магнитов в медицине, а, возможно, и принять участие в дальнейших исследованиях.

Магнитная терапия

В настоящее время трудно сказать, кто был тем человеком, кто первый начал использовать магниты в лечебных целях, и когда это было. История магнитной терапии – лечения человека и животных с помощью магнитного поля – насчитывает столетия.

Этот способ лечения давно сосуществует с традиционной медициной, хотя до сих пор среди ученых и практикующих врачей нет однозначного мнения о его действенности или бесполезности. Исследования продолжаются как в научных, так и в лечебных учреждениях, а применение продуктов магнитной терапии в мире продолжает возрастать. Все более развивающаяся индустрия производства магнитных браслетов, поясов, стелек, подтяжек, матрасов, и т. д. Косвенно свидетельствует о чудотворной силе всех этих продуктов. Мировой объем рынка продуктов магнитной терапии в настоящее время может быть оценен в сотни миллионов долларов ежегодно.

Множество научных и лечебных лабораторий и институтов США, Японии, Германии, Швеции занимаются проблемами магнитной терапии, но тема далека от закрытия.

Магнитные поля и тело человека

Влиянию электромагнитных полей на тело человека и животных посвящено великое множество статей, однако, в большинстве из них описаны эффекты, оказываемые полями радио- и микроволновой частоты или, в последние годы, промышленной частоты (50-60 Гц). Исследования биологических эффектов постоянных магнитных полей сконцентрированы на больших полях уровня полей в приборах MRI (магнитно-резонансные томографы), обычно составляющих несколько Тесла (несколько десятков тысяч Гаусс). К сожалению, исследования воздействия полей, типичных для продуктов магнитной терапии, большинство из которых ограничено несколькими сотнями Гаусс даже на поверхности магнита, весьма малочисленны. Тем не менее, основные механизмы воздействия магнитных полей на биологические организмы, позволяющие развивать магнитную терапию, известны. Эти механизмы включают в себя: 1) увеличение кровотока в результате возросшего содержания кислорода (оба эти явления лежат в основе способности организма к самовосстановлению); 2) изменение скорости миграции ионов кальция, в результате чего, с одной стороны, кальций быстрее поступает в сломанную кость, и она быстрее срастается, а с другой стороны, кальций быстрее вымывается из больного пораженного артритом сустава; 3) изменение кислотно-щелочного баланса (pH) различных жидкостей в теле человека и животных (дисбаланс часто является следствием болезни); 4) изменение выработки гормонов эндокринными железами; 5) изменение ферментной активности и скоростей различных биохимических процессов, 6) изменение вязкости крови.

Человеческое тело с магнитной точки зрения представляет собой инертный материал, каковым является его основное содержание – вода.

Под воздействием магнитного поля химическая структура воды не меняется, но изменяется морфология и сила сцепления ряда примесей. Как известно, при магнитной обработке воды кальциевые примеси (CaCO3) теряют способность выпадать в осадок в виде плотного камня и кристаллизуются в виде мелкодисперсной взвеси. При контакте воды, подвергшейся магнитной обработке, с уже выделившимися солями происходит их частичное растворение, а также разрушение до состояния мелкого легкоудаляемого шлама, который улавливается стандартными фильтрами очистки от механических примесей.

Магнитная обработка воды, таким образом, имеет безусловно техническое (защита котлов, трубопроводов, бойлеров и т.п.) значение, а не лечебное.

Это лишь подтверждает, что магнитное поле может влиять на процессы нуклиации в организме человека. В целом вода диамагнитна, т.е. слабо отталкивается магнитными полями. Под действием магнитного поля электроны молекул воды могут слегка корректировать свое движение, создавая при этом магнитное поле противоположного направления, примерно в 100,000 раз меньше приложенного. При удалении магнитного поля электроны возвращаются на свои первоначальные орбиты, и молекулы воды снова становятся немагнитными.

Известно, что многие покровители магнитной терапии предлагают к использованию в лечебных целях "намагниченную воду”, - вряд ли это возможно. Хотя вода и реагирует на приложенное поле, но эта реакция весьма слаба, к тому же она тут же практически пропадает, как только поле удаляется. Однако полностью отрицать возможность воздействия сильного магнитного поля на структуру молекул было бы также неправильным.

Диамагнетизм воды и большинства физиологических жидкостей очень слаб. Тем не менее, недавно была продемонстрирована магнитная левитация (парение) не только капель воды, но также цветков, кузнечиков и маленьких лягушек (Berry и Geim 1997) в очень сильном поле, производимом электромагнитом в 160,000 Гаусс (16 Тесла). Эти "летающие лягушки" были показаны в средствах массовой информации по всему миру, но они лишь подтверждают правило: большинство слабых магнитных полей, которые используются в устройствах магнитной терапии, могут вызывать лишь диамагнитные силы в тысячи раз слабее гравитационных.

Некоторые авторы утверждают также, что магнитные поля притягивают кровь, ссылаясь на железо, которое она содержит. Однако, железо крови очень сильно отличается от металлического железа, которое является сильным магнетиком благодаря кооперативным эффектам, объединяющим индивидуальные атомные магнитные моменты – явлению ферромагнетизма. Свойства ферромагнитного материала являются результатом совместного поведения многих магнитных атомов, действующих в унисон. Атомы железа в крови содержатся не изолированно, а входят в состав больших молекул гемоглобина, расположенных внутри красных кровяных телец. Хотя каждый из атомов железа магнитный, он находится на значительном удалении от остальных атомов, остается слабообменно связанным с другими атомами Fe, и, следовательно, в значительной мере магнитно-независимым.

Исследования влияния сильного статического магнитного поля на кровь человека проводились многократно с помощью таких методов, как ядерный магнитный резонанс (NMR), магнитная томография (MRI). Еще в 1936 году ученые Поулинг и Кориел сообщили о диамагнитной восприимчивости оксигемоглобина (т.е. обогащенной кислородом крови) и парамагнитной восприимчивости деоксигемоглобина (т.е. крови бедной кислородом). В ходе этих исследований удалось оценить, в частности, величину эффективных магнитных моментов комплекса Fe+2, который входит в состав гемоглобина крови человека. 10 лет назад (1993) Хигаши и соавторами исследовали ориентацию нормальных эритроцитов крови в сильном постоянном магнитном поле с максимальной величиной до 8 Тесла. Было обнаружено, что эритроциты ориентируются таким образом, чтобы плоскость их диска была параллельна направлению приложенного поля. Наконец, в 1997 году американские исследователи Хайк и Чен из Университета Флориды изучили различные аспекты воздействия сильных постоянных магнитных полей на кровь человека, а именно: на магнитную восприимчивость, магнитодвижущую силу и вязкость.

Магнитная восприимчивость крови измерялась с использованием СКВИД-магнетометра. Было обнаружено, что кровь ведет себя как диамагнитная жидкость, когда она обогащена кислородом (в артериях) и как парамагнитный материал, когда она обескислорожена (в венах). На рис. 1 и 2 представлены результаты измерения магнитной восприимчивости крови в артериях (1) и венах.

Рис. 1. Магнитная восприимчивость крови, обогащенной кислородом.

Рис.2. Магнитная восприимчивость крови, бедной кислородом.

В ходе экспериментов величина прилагаемого магнитного поля варьировалась от +5 Тесла до -5 Тесла, с шагом 0.5 Тесла. Исследуемые зависимости, как следует из рисунков, имеют линейный характер. Для крови бедной кислородом (венозной) восприимчивость представляет собой прямую с положительным наклоном (3.5)*10-6 , для крови, богатой кислородом (артериальной) – восприимчивость имеет отрицательный наклон, равный (-6.6)*10-7. Следует отметить, что при слабых магнитных полях, обычно применяемых в целях магнитной терапии, намагниченность крови ничтожно мала. Кровь, как и вода, слабо отталкивается магнитными полями, а не притягивается.

Исследовалось также влияние магнитного поля на вязкость крови. Было обнаружено, что течение крови замедляется в присутствии поля. Результаты эксперимента представлены на Рис. 3.

Рис. 3. Вязкость крови.

В серии экспериментов обнаружено, что замедление движения крови достигает 25%, если величина приложенного поля составляет 10 тесла. При значении поля в 1 Тесла (характерная величина для MRI – устройств), вязкость меняется менее чем на 0.3 %, что не позволяет рассчитывать на сколько-нибудь значительный эффект.

Хотя большинство компонент человеческого тела и других живых организмов являются слабо диамагнитными, обнаружено, что многие организмы содержат в небольших количествах сильно магнитные материалы, обычно магнетиты (Fe3O4). Наиболее интересный случай – это магнитотактическая бактерия, содержащая такое количество магнитных частиц, что они вызывают ориентацию бактерии по линиям магнитного поля Земли. Кристаллы магнетитов присутствуют также в теле голубя, пчел, многих млекопитающих, и даже в мозгу человека. Тем не менее кажется совершенно невероятным, чтобы присутствием столь малых количеств магнетитов в теле человека можно было объяснить эффект магнитной терапии. Однако, если частицы магнетита расположены в определенном месте, они могут локально усиливать эффекты слабых магнитных полей, например, изменять поток ионов через мембраны клеток, или тип электрического пропускания нервных клеток.

Доказательства и сомнения, адвокаты и скептики

"Я не знаю ни одного ученого, кто относился бы к этим заявлениям серьезно... Это прихоть, навязчивая идея. Но все эти магнитные вещи получили такое же хождение, как медные браслеты и кристаллы, и они могут стать еще популярнее" – Роберт Парк, член Американского Физического Общества.

"Атомы железа в магните плотно прижаты друг к другу. В вашей крови в каждой молекуле гемоглобина содержится четыре атома железа, и они разделены между собой расстоянием слишком большим для образования магнита. Это легко проверить – уколите свой палец и поместите каплю крови рядом с магнитом" – Михаил Шермерс, физик

Долгое время считающаяся шарлатанским направлением медицины, в наше время магнитная терапия получила научную поддержку в результате исследований в Медицинском колледже Бейлора (США, 1997). Внушают ли доверие эти исследования? Результаты исследований, о которых идет речь, были опубликованных в 1997 году в Архивах Физической и Реабилитационной Медицины.

Исследования проводились доктором Карлосом Валбона на 50-ти постполиомиелитных больных в Реабилитационном Центре Бейлоровского Института Хьюстона. Магниты для исследований (многополярные, циркулярные) предоставила компания Bioflex, Inc., она же произвела набор визуально идентичных поддельных магнитов для контроля. Для того чтобы результаты исследования были достоверными, никто из пациентов не знал, какие из магнитов были настоящими, а какие поддельными. До и после 45-минутного периода магнитной терапии пациентам предлагалось оценить свою боль по 10-балльной шкале. 29 пациентов, которые пользовались настоящими магнитами, сообщили, в среднем, о значительном уменьшении боли (от 9.6 до 4.4), в то время как пациенты, пользующиеся подделками (21 человек), сообщили о значительно меньшем уменьшении боли (от 9.5 до 8.4). Это различие является существенным, и не может объясняться эффектом плацебо.

Однако для твердых скептиков некоторые сомнения все же остаются и после этих исследований. И доктор Валбона, и его коллега доктор Карлтон Хазлвуд сообщили об их личном удачном опыте использования магнитов для снятия боли в колене, повышая тем самым сомнение в их объективности. Сознательные или несознательные систематические ошибки исследователей могут быть очень незначительными и не оказывать влияния на результаты исследований. Серьезная трудность – возможность отличить настоящий магнит от подделки, другая трудность любых подобных исследований - субъективность полученных данных.

Несмотря на все эти причины для осторожности результаты исследований в Бейлоре внесли изменения в точку зрения многих физиков. Так, доктор Вильям Джарвис, президент Национальной комиссии по мошенничеству в медицине, ранее считал магнитную терапию существенно шарлатанским методом. Сейчас он в порядке эксперимента допускает, что она может быть полезна при лечении постполиомиелитных больных.

Многие средства массовой информации, пишущие на эту тему, не делают должного различия между формой магнитной терапии, изучаемой в колледже Бейлора, основанной на действии умеренных статических полей от постоянных магнитов, и более распространенной формой магнитной терапии, основанной на сильных импульсных полях электромагнитов. Импульсные магнитные поля существенно отличаются от постоянных, поскольку, в соответствии с уравнениями Максвелла, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует электрическое поле. Электрические поля оказывают выраженное воздействие на биологические процессы, в частности, на нервные и мускульные клетки, о чем мы знаем еще со времен Гальвани и его опытов с ножками лягушек. Много лет назад FDA (Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) одобрило использование импульсных магнитных полей в "стимуляторах роста костей" для лечения плохо срастающихся переломов и "магнитной стимуляции" – воздействия импульсных полей на мозг и другие компоненты нервной системы. В настоящее время подобные работы ведутся весьма интенсивно. В частности, показано, что при лечении депрессии многообещающим средством является транскраниальная (внутричерепная) магнитная стимуляция, при которой пациент получает сотни импульсов магнитного поля величиной до 1 Тесла и более длительностью в миллисекунду каждый. Однако, подобные формы магнитно-импульсной терапии основаны на биологических эффектах от индуцируемых электрических полей, и в корне отличаются от терапии с применением статических полей постоянных магнитов.

Магнитная терапия сегодня

Журнал Time недавно сообщил о возросшем использовании магнитов знаменитыми гольфистами, футболистами и другими профессиональными спортсменами для снятия боли. Магнитные продукты для снятия боли в настоящее время продаются во многих магазинах для спорта, их реклама появляется в спортивных журналах. Наибольшее применение магнитная терапия имеет в Японии и Китае, однако, и в США и Европе она занимает все более значимое место как часть нетрадиционной медицины. Многие производители рекомендуют применение магнитных заплаток непосредственно в местах локализации болей, другие предлагают прикладывать маленькие магниты к акупунктурным точкам. Магнитные ремни, содержащие 16 или более магнитов, претендуют на облегчение болей в спине, подобные магнитные “обертки” предлагается прикладывать почти ко всем частям тела, включая кисти, запястье, локти, колени, лодыжки, и ступни (магнитные стельки особенно популярны). При головной боли Вы можете надеть на голову магнитные ленты, магнитные кольца в уши, или магнитые ожерелья на шею.

Многие магнитные ожерелья, браслеты, и серьги выполнены из богатых серебром и золотом магнитных сплавов, при этом покупателям обещается и эстетический, и терапевтический эффект. В одном каталоге утверждается, что магнитные клипсы "стимулируют нервные окончания, которые могут регулировать головную боль и боль в шейном отделе позвоночника", а магнитные браслеты "действуют на биополе человека" и "корректируют энергетический дисбаланс, создаваемый действием электромагнитных полей и атмосферных явлений". Другие магнитные идеи - амортизационные прокладки для сидений автомобиля, магнитные подушки и матрасы, обеспечивающие "специальное поле для сна", и даже специальное комфортное магнитное устройство для борьбы с простатитом у пожилых мужчин!

Магнитная терапия также широко применяется в лечении породистых гоночных лошадей. Магнитные накладки при самых различных проблемах с ногами, магнитные попоны, магнитные подушки в подковы, и т.д., все это получило поддержку многих тренеров и даже ветеринаров. Поклонники магнитной терапии справедливо утверждают, что эффект плацебо не может проявляться у лошадей и других животных, но они забывают о том, что интерпретируют результаты лечения люди. Последний факт оставляет место для сомнений.

Действенность магнитной терапии (как и другого медицинского лечения, традиционного или альтернативного) не зависит от нашего понимания биологических механизмов. Тем не менее, большинство производителей предметов магнитной терапии понимают необходимость получения привлекательного объяснения причин их действенности.

Уже предложено значительное количество механизмов действия, которые призваны объяснить терапевтические эффекты от действия магнитов. Это улучшение циркуляции крови, изменение прохождения нервных импульсов, увеличение содержания кислорода в крови и увеличение щелочного состава физиологических жидкостей, магнитное влияние на движущиеся ионы, уменьшение отложений на стенках кровеносных сосудов и др.

Однако, научных доказательств справедливости всех этих предположений не существует.

Наиболее нетрадиционное объяснение представлено доктором Киочи Нмакагава из Японии, который утверждает, что многие из современных болезней являются результатом "синдрома дефицита магнитного поля". Известно, что магнитное поле Земли уменьшилось на 6 процентов с 1830 года, и косвенные свидетельства утверждают, что оно уменьшилось более чем на 30 процентов за последнюю тысячу лет. Нмакагава аргументирует эффективность магнитной терапии простым восполнением нехватки земного магнитного поля.

Окончательные выводы преждевременны

Терапевтический эффект, оказываемый постоянными магнитами, в настоящее время все еще рассматривается со значительной долей скептицизма. Большинство результатов многочисленных исследований эффективности магнитной терапии может быть списано на эффект плацебо. Например, магнитные накладки для спины, используемые многими профессиональными гольфистами, по всей вероятности, помогают снимать боль в спине благодаря осуществляемой ими чисто механической поддержке, локальному нагреванию спины, а также благодаря тому, что их присутствие напоминает немолодым спортсменам, что им не следует слишком перенапрягать свои мышцы. Все эти устройства работают как с магнитами, так и без них. Исследования английских ученых по поводу эффективности действия магнитных стимуляторов для роста костей, показали, что стимуляция в равной степени успешна и в том случае, когда магнитное поле отключено, и связано это с навязанной пациенту при использовании стимулятора неподвижностью, а не с действием магнитных полей.

Наиболее “сильные” утверждения магнитной терапии, такие как возможность исцеления от рака путем навешивания на шею супермагнитов, не только бесполезны, но могут быть и опасны, поскольку они отвлекают пациентов от поисков правильного и адекватного медицинского лечения. Хотя до конца характер воздействия магнитного поля на раковые клетки нельзя считать изученным, некоторые утверждают, что магнитные драгоценности и большинство других продуктов для магнитной терапии вероятно безвредны, за исключением денежных потерь при покупке.

Результаты исследований в Бейлоре, однако, увеличили вероятность того, что, по крайней мере в некоторых случаях, местное применение постоянных магнитов действительно может снимать боль. Однако, эти выводы не могут считаться окончательными до тех пор, пока они не будут подтверждены дальнейшими испытаниями. Механизмы подобного воздействия остаются таинственным, но влияние статических магнитных полей на сложные электрохимические процессы в организме человека не является невозможным.

Магнетизм и медицина: достижения и перспективы

Если обоснованность применения магнитной терапии до сих пор остается под вопросом, то существует очень широкий круг медицинских приборов и устройств, методов диагностики и лечения, способов борьбы с различными медицинскими проблемами, в которых магнитные явления и свойства магнитных материалов не только с успехом используются, но это использования является научно оправданным. Другие идеи по использованию магнитов в медицине только начинают воплощаться в жизнь, но их перспективность уже очевидна.

Остановимся на наиболее существенных направлениях применения в медицинских целях магнитов и магнитных явлений.

Магнитно-резонансная томография

Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резонансная томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI) – нерентгенологический метод исследования внутренних органов и тканей человека. Здесь не используются рентгеновские лучи, что делает данный метод безопасным для большинства людей. Обследуемая часть тела пациента помещается в однородное импульсное магнитное поле большой интенсивности. Различные ткани тела человека поглощают поле в различной степени, что позволяет при помощи компьютерной обработки создавать визуальную картину тела пациента. Технология МРТ достаточно сложна: используется эффект резонансного поглощения атомами электромагнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Молекулы в организме при этом разворачиваются согласно направлению магнитного поля. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. В отличие от компьютерной томографии МРТ позволяет получить изображение патологического процесса в разных плоскостях. Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа (диагностика одного раздела позвоночника занимает 20-30 минут).

Недавние успехи в конструкции МР - томографов позволили разработать малые по размерам, портативные устройства, с помощью которых можно обследовать такие небольшие части тела, как руки и ноги. Большие закрытые устройства для обследования всего тела, вызывающие у многих пациентов клаустрофобию, заменены в настоящее время на новые, имеющие открытую конструкцию, что оставляет пациентам свободу в ходе обследования и избавляет их от ненужных страхов.

МРТ лучше других диагностических методов визуализирует некоторые структуры головного и спинного мозга, а также нервные структуры. В связи с этим она чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований нервной системы, а также в онкологии, когда необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процесса. Список заболеваний, которые можно обнаружить с помощью МРТ, внушителен: воспалительные, дистрофические и опухолевые поражения сосудов и сердца, органов грудной и брюшной полости, поражение лимфатических узлов, паразитарные процессы и другие патологии. Метод особенно эффективен для изучения динамических процессов (например, состояния кровотока и результатов его нарушения) в органах и тканях.

Магнитная стимуляция - помощь при лечении психических расстройств

Современные ученые-медики на практике возвращаются к использованию магнитов для лечения психических заболеваний - от депрессии до шизофрении.

Начиная с 1995 года транскраниальная (внутричерепная) магнитная стимуляция (TMS) используется в больницах Соединенных Штатов, Европы и Австралии вначале как экспериментальный метод, а затем в качестве обычной лечебной процедуры.

В ходе этой продедуры для изменения работы больного мозга используются мощные переменные магнитные поля. При проведении процедуры магнитной стимуляции используется специальный прибор – металлическая коробка размером с настольный компьютер. К прибору с помощью кабеля присоединен тяжелый металлический предмет, похожий на ракетку для пинг-понга.

От этой ракетки исходит плотно сфокусированное магнитное поле, достаточно мощное для того, чтобы чувствоваться на расстоянии руки. Если ракетка расположена напротив черепа пациента, при включении-выключении магнитного поля в мозгу пациента создается электрический ток, таким же образом, как движущийся магнит создает ток в катушке.

Ученым-медикам удалось правильно подобрать место расположения магнита, при котором создаваемый им ток очень эффективен при лечении депрессии. Улучшение при этом виде заболевания составляет по наблюдениям не менее 50 %.

Магнитная стимуляция также с успехом используется при навязчиво-компульсивном расстройстве, биполярном расстройстве и эпилепсии, в последнее время TMS - терапию стали успешно применять и при лечении шизофрении.

Ученые не пришли к единому мнению о механизме действия прибора для TMS. Вероятнее всего, что электрический ток, создаваемый магнитами, заставляет нейроны в облучаемой части мозга становиться более возбудимыми.

Трудновозбудимые нейроны требуют относительно большого количества электричества, чтобы стать активными. Если удастся повысить возбудимость нейронов до нормального уровня, это позволит избавиться от депрессивных симптомов.

Этот принцип действия подобен электрошоковой терапии. Но при электрошоке для передачи электричества пациенту необходимо большое количество энергии. Электрошок требует общей анестезии и может вызвать конвульсии, беспокойство и временную потерю памяти.

Прибор TMS генерирует ток непосредственно в мозгу пациента, что позволяет врачам использовать значительно меньшие уровни энергии. Самый тяжелый побочный эффект от такой процедуры - умеренная головная боль.

Моторы на постоянных магнитах для сердечников

Остановка сердца является наиболее частой причиной смерти в современном мире. Единственное действенное лечение для больных с хронической сердечной недостаточностью – трансплантация сердца. Однако, число подходящих для пересадки донорских органов столь мало по сравнению с количеством нуждающихся в этой процедуре больных, что надеяться только на этот метод нельзя.

Однако, большинству пациентов с тяжелой формой сердечной недостаточности, у которых работает только левый желудочек сердца, можно помочь. Для этого достаточно восстановить кардиоваскулярные функции сердца до нормального уровня.

В настоящее время для этих целей рядом фирм выпускаются вращательные насосы для поддержания физиологической циркуляции крови на постоянных магнитах. Такие насосы могут быть устроены по принципу центрифуги, использовать аксиальный (осевой) ток крови или представлять собой гибрид этих двух конструкций.

При создании насосов для обеспечения циркуляции крови используются высокоскоростные моторы на редкоземельных магнитах (чаще всего неодим-железо-бор). Они являются достаточно эффективными для обеспечения нужной температуры (кровь должна иметь температуру около 37 градусов Цельсия) и максимального продления срока действия батареек. Мотор и сам насос изготавливаются максимально компактными для удобства их использования больными.

Магниты как проводники и манипуляторы для медицинских процедур

Магниты в последнее время все чаще используются для более точного и менее инвазивного введения в организм больного человека различных инструментов и лекарств в ходе лечебных и диагностических процедур. Управление движением в этом случае осуществляется с помощью магнитного поля.

Магниты помогают бороться с заболеваниями мозга

Недавно в Вашингтоне была успешно выполнена следующая нетривиальная процедура - тонкий провод с крошечным магнитом на конце был введен в паховую артерию пациента, что проложило таким образом путь к его мозгу. С помощью шлемовидного магнита, окружающего голову больного, врач смог провести провод по кровеносным сосудам мозга через все их изгибы, и в конечном итоге достичь причины заболевания (ухудшения зрения): сильно увеличенных кровеносных сосудов. Несколько шприцев клея для блокировки излишнего кровотока, и провод извлечен – операция завершена, зрение восстановлено. В существующей практике лечение подобных заболеваний требует оперативного вмешательства - а именно, просверливания отверстия в черепе пациента. Однако недавно удалось разработать новый способ определения состояния мозга без непосредственного вмешательства. И использование магнитов в качестве проводников, которое пока еще является экспериментальным, может позволить достигать более глубоких, сложно расположенных областей мозга, чем можно себе сейчас представить. В случае успеха предложенной методики возможно будет лечить аневризму, различные параличи и другие серьезные заболевания мозга.

Эта операция относится к области эндоваскулярной хирургии, оперирующей с помощью проникновения в кровеносные сосуды. Эта процедура далеко не так проста для мозга, как для сердца. Кровеносные сосуды мозга значительно меньше и сильнее изогнуты. К тому же, они располагаются в мозговой жидкости, что делает проникновение в них эндоскопа похожим на движение внутри сосуда с желатином.

Если эндоскоп (провод) изгибается и не может достичь необходимого участка мозга, врач вынужден извлекать его – а длина провода может составлять более 6 футов – и начинать снова. Введение начинают с паховых артерий, расположенных далеко от сердца, поскольку они являются наиболее широкими и легко доступными.

"Причиной, по которой мы еще так малого добились, является трудность и опасность процедуры введения эндоскопа,"- говорит эндоваскулярный хирург, д-р Кристофер Моран из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, врач, впервые применивший магнитный помощник-проводник. "Если этот магнит сделает процесс введения более легким и мягким, то эндоваскулярные манипуляции станут обычными, позволяющими достичь цели без операций на открытом мозге”.

В описываемой нами выше эндоваскулярной манипуляции магнит использовался в качестве рулевого колеса: для преодоления эндоскопом изгибов и поворотов мозговых артерий увеличивался или уменьшался ток в сверхпроводящем магните, окружающем голову пациента. Этот шлем в свою очередь взаимодействовал с магнитным наконечником эндоскопа в артерии больного и направлял его в нужное место.

Магниты могут использоваться не только для упрощения проникновения манипуляторов в сосуды. Даже операции, в ходе которых происходит сверление черепа, не всегда позволяют нейрохирургам достичь необходимого участка мозга без повреждения соседних участков. Ученые в настоящее время изучают возможность использования магнитного проводника для повышения локальности лечебной процедуры и ее эффективности. Возможно, таким методом удастся лечить болезнь Паркинсона и опухоли мозга.

Все большее количество пациентов предпочитают лечение без операций на открытом мозге. “Если магнитные системы в конечном итоге окажутся способными решать более глубокие и сложные проблемы, это сделает их еще более востребованными в нейрохирургии и кардиологии", – утверждает Моран. "Большинство людей скорее позволят нам лечить свои заболевания путем проникновения в кровеносные сосуды, чем с помощью операции на своей голове".

Магнитная жидкость поможет сохранить зрение

Американские исследователи утверждают, что в ближайшем будущем можно будет предотвратить слепоту у людей с поврежденной сетчаткой, используя магнитную жидкость. Сетчатка - это тонкий, светочувствительный слой ткани на задней поверхности глаза. Если она повреждается или отслаивается в результате травмы или болезни, зрение ухудшается и может наступить слепота. Обычно для возвращения поврежденной сетчатки на место используется силиконовая жидкость, но американские исследователи обнаружили, что лучшим образом может решить эту проблему намагниченная жидкость.

Действительно, такой метод значительно более точен, поскольку он позволяет жидкости двигаться под действием внешнего магнита и достигать таких участков глаза, которые трудно достижимы другими способами.

До сих пор испытания нового материала проходили только в лаборатории, но ученые, которые занимаются этой проблемой уже 10 лет, надеются, что в течение года начнутся испытания на животных, а несколько позже – клинические исследования на человеке.

По новой технологии ультрамалые частички кобальта или магнитного железняка смешиваются с жидкостью на основе силикона, которая становится магнитной и может быть подвергнута воздействию внешнего магнитного поля. Кобальт может быть токсичным, поэтому ученые чаще используют магнетит - материал на основе железа.

Магнитные жидкости могут найти и другие медицинские применения, такие как целевая лекарственная химиотерапия. По этой технологии магнит, находящийся вне тела человека, должен направлять лекарство непосредственно в места расположения раковой опухоли, будь то опухоль легкого, простаты или мозга.

Магнитные курьеры

Магнитные наночастицы, захваченные клетками рака простаты. Ядра клеток - синие, липидные мембраны – красные, наночастицы – светлые точки .

Целевая лекарственная терапия в последнее время получает все большее распространение благодаря магнитным курьерам - магнитным частицам, прикрепленным к биомолекулам, частицам лекарства, или диагностического агента. Магнитные курьеры обеспечивают два уникальных преимущества для биологических систем. Используемые в качестве меток других молекул, они могут быть детектированы с помощью высокочувствительной магниторезистивной системы-сенсора, работающего, например, на эффекте гигантского магнитосопротивления. С другой стороны, молекулами, прикрепленными к магнитным курьерам, легко можно манипулировать с помощью внешнего магнитного поля. Это касается как процесса доведения, скажем, лекарства, до определенного органа человека, так и удержания его в этом органе.

Магнитоуправляемые сепараторы

В последние десятилетия были созданы противоопухолевые препараты, способные в ряде случаев сохранить жизнь пациентам, ранее считавшимся неизлечимыми. Подавляющее большинство этих лекарств относится к группе так называемых цитотоксических агентов, то есть веществ, убивающих активно делящиеся клетки. Эти соединения, подавляя развитие злокачественного новообразования, губительно действуют и на здоровые клетки и ткани.

В первую очередь страдают активно делящиеся стволовые клетки костного мозга - их гибель приводит к нарушению естественных процессов обновления клеток . Поэтому даже процедура трансплантации клеток костного мозга оказывается бесполезной.

Спасительной для пациента стала бы очистка костного мозга, взятого у пациента, от вредоносных клеток.

В настоящее время наиболее перспективным методом решения этой задачи оказалось разделение клеток с помощью специфичной иммуносорбции на магнитоуправляемые сорбенты. Другими словами, сепарация клеток костного мозга осуществляется в магнитном поле. Что же из себя представляют магнитоуправляемые сорбенты?

Это не что иное, как соединенные вместе ферромагнитные частицы (металлические шарики диаметром не более 5 мкм, покрытые полистиролом) и антитела - искусственные образования, которые притягивают либо здоровые, либо пораженные клетки. В первом случае это положительная, во втором - отрицательная иммуносорбция. А в результате каждая из клеток, относящаяся к той или иной группе, окажется как бы в ловушке (любая из них притягивает по три-четыре антитела). И если обработанный таким образом костный мозг поместить в магнитное поле, произойдет разделение (сепарация) составляющих его клеток на "плохие" и "хорошие". Последние отделяют от первых и помещают в отдельные емкости, предварительно освобождая от магнитоуправляемых сорбентов, где и хранят до момента трансплантации.

Магниты для извлечения игл и хранения хирургических инструментов

Другое применение магнитных манипуляторов – извлечение инструментов в ходе операций. Все пользователи хирургических игл и игл для шприцов сталкиваются с постоянной угрозой застревания или даже потери иглы. Эта неприятность весьма часто случается во время операционных и процедурных манипуляций. Проблема извлечения иглы при оперативном вмешательстве может быть решена с использованием специальных ручных инструментов с магнитными датчиками, которые позволяют безопасно притягивать иглы и располагать их удобным для хирурга образом и исключают тем самым необходимость пользоваться хирургическими щипцами. Другое преимущество подобного устройства заключается в том, что для извлечения сложных игл необходима всего одна манипуляция.

Игла притягивается к магнитной части инструмента, а его рукоятка имеет специальную защиту. Как только игла извлекается, она сразу же помещается в специальные боксы для утилизации с помощью очень простой плунжерной системы.

Приборы с магнитными наконечниками используются также для извлечения инородных металлических предметов из глаз, ран, и других открытых тканей человека. При этом удается максимально облегчить эту процедуру для пациента. Для хранения хирургических инструментов в последнее время с успехом используется тканевый материал специальной конструкции, на котором закреплены полосы с гибкими магнитами.

Магнитные частицы - перспективы их использования в медицине

В последнее время ученые-медики стали все чаще обращаться к использованию магнитных частиц для выполнения различных задач, возникающих в процессе лечения. Перспективность такой практики объясняется тем, что магнитными частицами можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, при этом не требуется проникновение в больной орган.

Магнито-жидкостная гипертермия

Медики двух берлинских больниц недавно приступили к клиническим испытаниям нового метода противораковой терапии, использующего тепло и частички железа для разрушения раковых клеток. Этот метод получил название "магнито-жидкостная гипертермия". Он предназначен, прежде всего, для терапии одной из наиболее злокачественных форм опухоли головного мозга – глиобластомы.

Метод состоит в том, что в опухолевую ткань под наркозом вводится жидкость, содержащая микроскопические частицы железа, которые поглощаются раковыми клетками. Затем опухоль подвергается воздействию внешнего магнитного поля, в результате чего наночастицы железа нагреваются до температуры 45 градусов Цельсия.

Такой нагрев разрушает опухолевую ткань и одновременно усиливает эффективность последующей лучевой терапии. Однако, лечение эффективно пока лишь на ранних стадиях заболевания. Наночастицы железа поступают в опухоль с помощью сверхчувствительной электронной навигационной системы. Это делает возможным проводить лечение глиобластомы, которая залегает глубоко в тканях мозга или располагается рядом с участками мозга, отвечающими за речь и моторные функции.

Метод магнито-жидкостной гипертермии развивается уже 12 лет и прошел успешные испытания на животных.

Магнитные наночастицы разрушают раковые клетки

Многофункциональные наночастицы под воздействием магнитного поля могут проникать в раковые клетки, проделывая дыры в их мембранах.

Известно, что одной из основных проблем онкологии является создание эффективных маркеров, способных распознать раковые клетки среди здоровых с тем, чтобы впоследствии разрушать их, не причиняя вреда остальным. В настоящее время именно в этом качестве предлагается использовать сложные магнитные наночастицы, которые теперь могут рассматриваться как один из наноразмерных приборов для биомедицины.

Разрушительная для раковых клеток работа выполняется под действием магнитного поля. Ядро наночастиц состоит из оксидов железа. Исследователями было обнаружено, что под влиянием магнитного поля частицы, находящиеся внутри раковых клеток, способны разрывать мембраны клеток, проделывая в них дыры.

Структура наночастицы, использующейся для лечения рака, наблюдаемая в электронный микроскоп высокого разрешения.

Частицы “наноклиники” состоят из нескольких элементов. Кроме магнитного ядра, которое позволяет проводить неинвазивные манипуляции, частицы содержат также красители, поглощающие инфракрасный и излучающие желтый свет, покрытие из кремния, и обособленные пептидные группы, имитирующие гормоны. Краситель позволяет “видеть” частицы с помощью лазерного микроскопа, а наличие гормонов обеспечивает селективность процесса распознавания раковых и здоровых клеток.

Ядро из оксидов железа изготавливается в первую очередь и имеет средний диаметр около 18 нм. Молекулы красителя — в нем происходит процесс испускания одного желтого фотона при поглощении двух ИК-фотонов — абсорбируются на поверхности ядра. Кремниевое покрытие, добавляемое с использованием специальной технологии, увеличивает диаметр частицы еще на 7 нм. Окончательные размеры частиц составляют около 32 нм.

Исследователи проверяли действие многофункциональных наночастиц на двух линиях раковых клеток: клетках эпителиальной карциномы, клетках почечного рака зеленой африканской мартышки. Они воздействовали на раковые клетки с внедренными в них наночастицами магнитным полем в 7 Тесла, достижимым в диагностических системах, основанных на явлении магнитного резонанса. В результате было обнаружено разрушение раковых клеток на 30-85 %. То же самое поле в отсутствие наночастиц не вызывало никакого эффекта. Исследователи пока не знают, как в точности магнитные частицы совершают свою разрушительную работу. Однако, они наблюдали, что раковые клетки, подвергшиеся описанному лечению, имеют разрывы в мембранах, в то время как здоровые клетки - нет.

По-видимому, выравнивание наночастиц в магнитном поле приводит к истиранию и повреждению мембран.

Магнитные частицы помогают “увидеть” опухоль

Недавно в печати появилось сообщение о завершении важной исследовательской работы, посвященной новому методу диагностики рака. Новая техника, которая применяет магнитные частицы, обнаруживает метастазы в лимфатических узлах даже в том случае, когда они не могут быть определены другими использующимися для этих целей методами. К достоинству предлагаемой процедуры относится то, что она не требует операции.

Магнитно-резонансное изображение магнитных наночастиц отличает здоровые лимфатические узлы (зеленые) от метастатических (красные).

Для врачей, также как и для пациентов, определение расположения метастаз зачастую становится весьма обременительной процедурой. Часто единственным способом увидеть, где именно лимфатические узлы поражены раковыми клетками, является операционное вмешательство. В некоторых случаях, таких как рак желудка, такая операция может длиться несколько часов, и даже после нее хирурги не вполне уверены в том, что места расположения всех метастаз найдены правильно.

Дополнительные волнения при операционной диагностике метастатического поражения здоровой ткани вызывает тот факт, что кажущиеся чистые (здоровые) лимфатические узлы на самом деле могут быть поражены метастатическими клетками, т. е. визуальное определение локализации опухоли весьма неточно.

Крошечные магнитные частицы, являющиеся главным звеном описываемой техники, удивительно просты по составу. Если вы возьмете магнит со своего холодильника, размельчите его до состояния порошка и покроете каждую частицу сахарной оболочкой, - это и будет необходимый магнитный порошок. Тем не менее, эти простые наноагенты работают весьма эффективно. Их целями становятся не клетки опухоли, а клетки здоровой ткани, в частности, микрофаги, - класс иммунных клеток, которые перемещаются через здоровые лимфатические узлы. Будучи захвачены микрофагами, магнитные частицы изменяют магнитные свойства клетки, вызывая, в частности, уменьшение сигнала, и “затуманивание” лимфатического узла при наблюдении с помощью техники магнитно-резонансной томографии. В местах расположения метастаз опухолевые клетки заполняют лимфатические каналы, существенно уменьшая поток микрофагов, и, тем самым, число частиц, замазывающих картинку.

Перед исследованиями пациентам ставилась внутривенная капельница, содержащая магнитные частицы в соляном растворе. Процедура МРТ, в ходе которой обследовались лимфатические узлы, проводилась спустя 24-36 часов. 75 % метастатически пораженных узлов, определенных в ходе описываемой процедуры, не могли быть определены никакими другими методами в силу малой площади поражения.

Иглотерапия

Магнитомягкие материалы используются при изготовлении игл, которыми специалисты по иглоукалыванию лечат больных. В соответствии с представлениями восточной медицины, иглы помещаются в биологически активные точки на теле человека с тем, чтобы восстановить или выровнять энергетические потенциалы этих точек, и , тем самым, способствовать выздоровлению больного.

Известно, что магнитомягкие материалы являются концентраторами магнитного потока. Возможно, что в данном случае магнитные иглы выступают в роли проводников “биологической” энергии.

Красные кровяные тельца и магнитная память

Клетки крови под микроскопом

Одним из интересных свойств крови человека и животных является тот факт, что магнитные кластеры крови с содержащимися в них атомами железа - имеют строго определенные размеры, отклонения от которых ничтожны. Это свойство магнитных частиц крови может представлять интерес для разработчиков магнитной памяти. Как известно, проблема получения сверхмалых носителей магнитной информации одинакового размера является одной из наиболее трудноразрешимых. Разработка технологии выделения магнитных кластеров крови и осаждения их последующей полимеризацией на подложку с возможностью последующего намагничивания-размагничивания могла бы совершить революцию в совершенствовании магнитной памяти.

Магнитное охлаждение - уже реальность

Fri, 14 Mar 2008 22:20:48 +0300

Е.Н. Тишина

Задача создания компактного, экологически безопасного, энергетически эффективного и высоконадежного холодильника, работающего в диапазоне комнатных температур, чрезвычайно актуальна в настоящее время. Это обусловлено целым рядом серьезных претензий к ныне действующим охлаждающим системам. Известно, в частности, что при эксплуатации используемых в настоящее время возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающих такие серьезные экологические проблемы как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Среди разнообразных альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, все большее внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивные работы, посвященные магнитному охлаждению, ведутся во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая и России. Магнитный холодильник экологически безопасен и позволяет значительно снизить потребление электроэнергии. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно с учетом поистине огромного количества холодильных установок, используемых человеком в самых различных областях его деятельности.

Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под воздействием магнитного поля, как это происходит при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках. Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом (МКЭ). Изменение температуры магнитного материала происходит в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальной величины МКЭ достигает в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и т.п., при температурах магнитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения - Кюри, Нееля и т.д.). Главное преимущество аппаратов для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью материала – твердого тела - по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объёма в твёрдых магнитных материалах в 7 раз выше, чем в газе. Это позволяет делать значительно более компактные холодильники, используя в качестве рабочего тела магнитный материал. Само магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках, а процесс размагничивания-намагничивания – аналогом циклов сжатия – расширения.

Эффективность работы холодильника главным образом определяется количеством необратимой работы, производимой в течение цикла – для эффективных устройств оно должно быть как можно ниже. В газовом рефрижераторе существуют устройства, производящие значительное количество необратимой работы - это регенератор, компрессор и теплообменники. Значительная часть необратимой работы производится в теплообменниках - она прямо пропорциональна адиабатическому изменению температуры рабочего тела, которое значительно больше в газе, чем в магнитном материале. По этой причине наиболее эффективный отвод тепла происходит в магнитном холодильном цикле, особенно в регенеративном. Специальная конструкция теплообменника и использование регенератора с большой площадью поверхности позволяют добиться малой доли необратимой работы при магнитном охлаждении. В соответствии с теоретическими оценками эффективность магнитного регенеративного холодильного цикла в температурном диапазоне от 4.5 до 300 К может составлять от 38 до 60 % эффективности цикла Карно (около 52 % в интервале температур от 20 до 150 К, и около 85% в интервале от 150 до 300 К). При этом на всех этапах цикла условия теплопередачи будут наиболее совершенными из известных. Кроме того, магнитные холодильники включают в себя небольшое количество движущихся деталей и работают при низких частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить время его эксплуатации.

Хронология проблемы. Основные принципы магнитного охлаждения

МКЭ был открыт сравнительно давно (в 1881 году) Е. Варбургом (E. Warburg). Варбург наблюдал, как под действием магнитного поля железный образец нагревался или охлаждался. Ученый сделал вывод о том, что изменение температуры образца есть следствие изменения внутренней энергии вещества, обладающего магнитной структурой, под действием поля. Однако до практического использования этого явления было еще далеко. Ланжевен (Langevin, 1905) был первым, кто продемонстрировал, что изменение намагниченности парамагнетика приводит к обратимому изменению температуры образца.

Собственно магнитное охлаждение было предложено спустя почти 50 лет после открытия МКЭ независимо двумя американскими учеными Петером Дебаем (Peter Debye, 1926) и Уильямом Джиоком (William Giauque, 1927) как способ достижения температур ниже точки кипения жидкого гелия. Джиок и МакДугалл были первыми, кто продемонстрировал простейший эксперимент по магнитному охлаждению в 1933 году. (Чуть позже это сделали также де Гааз (de Haas, 1933) и Курти (Kurti, 1934). В ходе этого эксперимента удалось достичь температуры 0.25 К, а в качестве теплоотводящей субстанции использовался накачиваемый жидкий гелий при температуре 1.5 К. Таблетка с магнитной солью находилась в состоянии теплового равновесия с теплоотводящим веществом, пока в соленоиде существовало сильное магнитное поле. Когда же соленоид разряжался, магнитная таблетка термически изолировалась и её температура понижалась. Такая техника, называемая охлаждением адиабатическим размагничиванием, является стандартной лабораторной техникой, применяемой для получения сверхнизких температур. Однако, мощность такого рефрижератора и его рабочий интервал температур слишком малы для промышленных применений.

Более сложные методы, включающие в себя тепловую регенерацию и циклические изменения магнитного поля, были предложены в 60-х годах прошлого столетия. Дж. Браун из НАСА в 1976 году продемонстрировал регенеративный магнитный холодильник, действующий уже вблизи комнатной температуры с рабочим интервалом температур в 50 К. Мощность холодильника и его эффективность и в этом случае были низкими, поскольку температурный градиент необходимо было поддерживать путем перемешивания теплоотводящей жидкости, а время, необходимое для зарядки и разрядки магнита было слишком большим. Небольшие маломощные холодильные устройства были построены в 80-х-90-х годах сразу в нескольких исследовательских центрах: Los Alamos National Lab, the Navy Lab at Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (все США), Toshiba (Япония) .

В настоящее время работы над небольшими магнитными холодильниками для космических применений, работающими по принципу адиабатического размагничивания, финансируются несколькими исследовательскими центрами НАСА. Исследования возможностей магнитных холодильников для коммерческих применений ведутся Astronautics Corporation of America (США, Висконсин) и Университетом Виктория (Канада). Изучением материалов для рабочих тел магнитных холодильников с прикладной точки зрения в настоящее время интенсивно занимаются Лаборатория Эймса (Ames, штат Айова), Университет Three Rivers в Квебеке (Канада), NIST (Gathersburg, MD) и компания “Перспективные магнитные технологии и консультации” (AMT&C).

В 1997 году Astronautics Corporation of America продемонстрировала относительно мощный (600 Ватт) магнитный холодильник, работающий вблизи комнатной температуры. Эффективность этого холодильника была уже сравнима с эффективностью обычных фреоновых холодильников. Использующий активный магнитный регенератор (в этом устройстве совмещены функции теплового регенератора и рабочего тела), этот холодильник работал в течение более чем 1500 часов, обеспечивая рабочий интервал температур в 10 К вблизи комнатной температуры, мощность 600 Ватт, эффективность около 35 % по отношению к циклу Карно при изменении магнитного поля величиной 5 Тесла. В описываемом устройстве применялся сверхпроводящий соленоид, а в качестве рабочего тела использовался редкоземельный металл гадолиний (Gd). Чистый гадолиний использовался в этом качестве не только Astronautics, но и НАСА, Navy и др. лабораториями, что обусловлено его магнитными свойствами, а именно - подходящей температурой Кюри (около 20° С) и довольно значительным магнетокалорическим эффектом.

Величина МКЭ, а следовательно и эффективность процесса охлаждения в магнитном холодильнике определяется свойствами магнитных рабочих тел. В 1997 году Лаборатория Эймса сообщила об открытии в соединениях Gd5(SiхGe1-х)4 гигантского магнетокалорического эффекта. Температура магнитного упорядочения этих материалов может варьироваться в широких пределах от 20 К до комнатной температуры благодаря изменению соотношения содержания кремния (Si) и германия (Ge). Наиболее перспективными для использования в качестве рабочих тел в настоящее время считаются металл гадолиний, ряд интерметаллических соединений на основе редкоземельных элементов, система соединений силицидов-германидов Gd5(Ge-Si)4, а также La(Fe-Si)13. Применение этих материалов позволяет расширить рабочий интервал температур холодильника и существенно улучшить его экономические показатели.

Заметим, однако, что пионерские работы по поиску эффективных сплавов для рабочих тел магнитных холодильников были выполнены на несколько лет раньше на физическом факультете Московского университета . Наиболее полные результаты этих исследований изложены в докторской диссертации ведущего научного сотрудника физическом факультете МГУ А. М. Тишина 1994 года. В ходе этой работы были проанализированы многочисленные возможные комбинации редкоземельных и магнитных металлов и других материалов с точки зрения поиска оптимальных сплавов для реализации магнитного охлаждения в различных диапазонах температур. Было обнаружено, в частности, что среди материалов с высокими магнетокалорическими свойствами соединение Fe49Rh51 (сплав железа с родием) обладает наибольшим удельным (т.е. приходящимся на единицу магнитного поля) магнетокалорическим эффектом. Величина удельного МКЭ для этого соединения в несколько раз больше, чем в соединениях силицидов-германидов. Этот сплав не может быть использован на практике из-за его большой стоимости, а также существенных гистерезисных эффектов в нём, однако, он может служить своеобразным эталоном, с которым следует сравнивать магнетокалорические свойства исследуемых материалов.

Наконец, в январе этого года журнал Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) сообщил о создании в США первого в мире бытового (т.е. применимого не только в научных, но и в бытовых целях) холодильника. Работающая модель такого холодильника была изготовлена совместно Astronautics Corporation of America и Ames Laboratory и впервые продемонстрирована на конференции Большой Восьмерки в Детройте в мае 2002 года. Рабочий прототип предлагаемого бытового магнитного холодильника действует в области комнатных температур и использует в качестве источника поля постоянный магнит. Говоря об этом революционном достижении, профессор Карл Шнайднер из Лаборатории Эймса отметил: "Мы являемся свидетелями исторического события в развитии техники. В демонстрировавшихся ранее магнитных холодильных устройствах использовались большие сверхпроводящие магниты, но в этом новом магнитном холодильнике впервые применен постоянный магнит, не требующий охлаждения".

Устройство получило высокую оценку экспертов и министра энергетики США. Оценки показывают, что применение магнитных холодильников позволит уменьшить общее потребление энергии в США на 5 %. Планируется, что магнитное охлаждение сможет использоваться в самых различных областях человеческой деятельности - в частности, в ожижителях водорода, охлаждающих устройствах для высокоскоростных компьютеров и приборов на основе СКВИДов, кондиционерах для жилых и производственных помещений, охлаждающих системах для транспортных средств, в бытовых и промышленных холодильниках и т.п. Необходимо отметить, что работы по магнитным холодильным устройствам финансируются министерством энергетики США уже в течение 20 лет.

Конструкция холодильника.

В созданном прототипе магнитного холодильника используется вращающаяся колёсная конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.

Конструкция спроектирована таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возникает магнетокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток собственно и используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника. Такое устройство является компактным и работает фактически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников с парогазовым циклом.

"Постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют подвода энергии, - говорит профессор Карл Шнайднер из Ames Laboratory. Энергия необходима для вращения колеса и обеспечения работы водяных насосов".

Впервые эта технология была апробирована еще в сентябре 2001 года. В настоящее время идет работа над дальнейшим расширением ее возможностей: совершенствуется технологический процесс коммерческого производства чистого гадолиния и необходимых его соединений, который позволит добиться большей величины МКЭ при меньших затратах. Одновременно сотрудники Лаборатории Эймса сконструировали постоянный магнит, способный создавать сильное магнитное поле. Новый магнит создаёт поле в два раза большее, чем магнит в предшествующей конструкции магнитного холодильника (2001 г.), что является весьма важным, т.к. величина магнитного поля определяет такие параметры холодильника, как эффективность и выходная мощность. На процесс получения соединения для рабочего тела Gd5(Si2Ge2) и конструкцию постоянного магнита поданы заявки на патент.

Преимущества, недостатки и области применения.

Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов: системы, использующие сверхпроводящие магниты и системы на постоянных магнитах. Первые из них обладают широким диапазоном рабочих температур и относительно высокой выходной мощностью. Они могут использоваться, например, в системах кондиционирования больших помещений и в оборудовании хранилищ пищевых продуктов. Охлаждающие системы на постоянных магнитах имеют относительно ограниченный температурный диапазон (не более, чем на 30 ° C за один цикл) и, в принципе, могут применяться в устройствах со средней мощностью (до 100 Ватт) - таких как автомобильный холодильник и портативный рефрижератор для пикника. Но и те, и другие обладают целым рядом преимуществ над традиционными парогазовыми холодильными системами:

Низкая экологическая опасность: Рабочее тело – твердое и может быть легко изолировано от окружающей среды. Применяемые в качестве рабочих тел металлы лантаниды малотоксичны, и могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Теплоотводящая среда должна обладать всего лишь низкой вязкостью и достаточной теплопроводностью, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха. Последние хорошо совместимы с окружающей средой.

Высокая эффективность. Магнитокалорическое нагревание и охлаждение – практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные охлаждающие установки характеризуются более высокими к.п.д. и экономичностью. В частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие по парогазовому циклу. Технология магнитного охлаждения в перспективе может быть очень эффективной, что позволит значительно сократить стоимость таких установок.

Долгий срок эксплуатации. Технология предполагает использование малого числа движущихся деталей и низких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно сокращает их износ.

Гибкость технологии. Возможно использование различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.

Полезные свойства заморозки. Магнитная технология позволяет производить охлаждение и заморозку различных веществ (вода, воздух, химикаты) с незначительными изменениями для каждого случая. В отличие от этого, эффективный парогазовый цикл охлаждения требует многих отдельных ступеней или смеси различных рабочих тел-охладителей для проведения такой же процедуры.

Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов. В настоящее время целый ряд известных коммерческих компаний успешно занимаются улучшением свойств магнитов NdFeB (наиболее эффективные постоянные магниты) и работают над их конструкциями. Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.

Недостатки магнитного охлаждения.

Необходимость экранировки магнитного источника.
Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного поля.
Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлаждения в системах на постоянных магнитах. (не более 30 ° С).

Будет ли Россия самостоятельно развивать сверхперспективную технологию?

В нашей стране до настоящего времени проблема магнитного охлаждения существует только на уровне научных лабораторий, хотя именно российские ученые в начале 90-х годов выполнили первые работы по теории и практике применения МКЭ для создания магнитных холодильных машин. В соавторстве с сотрудниками компании “Перспективные магнитные технологии и консультации” и физического факультета МГУ уже многие годы работают создатели рабочего прототипа магнитного холодильника, о котором шла речь выше. К сожалению, в России такие разработки ведутся на недостаточном уровне из-за отсутствия необходимых средств. Не вызывает сомнения, что при соответствующей финансовой поддержке государственных или коммерческих структур разработка технологии и производство магнитных холодильников в России безусловно возможны. По нашему мнению необходимо в самое ближайшее время привлечь к работам в данном направлении все заинтересованные стороны.

Как выбрать подходящий магнит?

Fri, 14 Mar 2008 21:29:04 +0300

Д.П. Походенко

При выборе материала для постоянного магнита перед инженером встают четыре основных вопроса:

Какие магнитные свойства материала необходимы?
Какие требования предъявляются к физическим свойствам материала?
Какие температуры предстоит выдержать магниту?
Какие требования предъявляются к стоимости магнита?

На сегодняшний день существует много материалов, используемых при изготовлении постоянных магнитов. Альнико, ферриты (керамика), самарий-кобальт, неодим-железо-бор, железо-хром-кобальт и материалы в виде смеси магнитного порошка и какой-либо связующей компоненты. В качестве связующего материала могут выступать каучук, пластик и материалы на базе эпоксидной смолы.

Прежде чем приступить к обсуждению выбора подходящего материала, рассмотрим основные преимущества и недостатки каждого из вышеперечисленных материалов. Знание свойств материалов поможет в выборе материала магнита при любых требованиях.

Альнико

Альнико – один из старейших магнитных материалов, используемый еще со времён второй Мировой Войны. Он имеет несколько положительных качеств по сравнению с другими материалами. У него может быть очень высокая остаточная намагниченность B_r, изменяющаяся от 6700 до 13500 Г. Температура Кюри (температура, при которой материал полностью теряет свои магнитные свойства) у этого материала примерно 840 ⁰С, температурная стабильность данного материала очень высока. Температурный коэффициент индукции и других магнитных характеристик составляет 0.02 (% / ⁰С), меньше чем у многих других доступных материалов.

Еще одно достоинство Альнико – возможность формирования в материале магнитного поля большой кривизны. Одна из старейших форм Альнико – форма подковы, искривлённый магнит с северным и южным полюсами, выровненными так, что они могут, например, поднимать стальной стержень.

Один из недостатков Альнико – определённая трудность использования в составе изделия. Альнико - очень жесткий и хрупкий материал. Он может быть обработан только полированием, шлифованием или электроэрозионной обработкой.

У Альнико низкая коэрцитивная сила, изменяющаяся в пределах 0.64-1.9 кЭ.

Феррит (керамика)

Феррит - самый дешёвый магнитный материал. Известная нидерландская компания Pillips использует ферритовые магниты в своём производстве еще с конца 50-х годов. У этого материала умеренно высокие значения коэрцитивной силы H_cbи H_ci (от 2,500 до 4,000 Гс), что значительно выше, чем у Альнико. Его электрическое сопротивление также очень высоко. Когда мы думаем о керамических материалах, мы думаем о диэлектриках, тогда как практически все магнитные материалы имеют умеренную электрическую проводимость. К недостаткам ферритовых материалов можно отнести умеренно низкую температуру Кюри (около 450 ⁰С), а также низкую температурную стабильность. Температурный коэффициент ферритовых материалов составляет 0.2 (% / ⁰С), т.о. они в 10 раз менее стабильны, чем Альнико (-0.02 (% / ⁰С)). Ферритовые материалы давно применяются в производстве электродвигателей, где необходим магнитный материал с высокой коэрцитивной силой. В последнее время ферриты стали широко применяться в автомобильных двигателях постоянного тока, стеклоподъёмниках, вентиляторах, антенных моторах и т.д.

Ферриты с успехом используются в тех случаях, когда необходимы относительно хорошие магнитные характеристики материала. Как уже отмечалось, коэрцитивная сила данного материала изменяется в пределах от 2,500 до 4,000 Гс, что вполне достаточно для электроприводов постоянного тока, применяемых в автомобилестроении. Электроприводы в автомобилестроении – основная поддержка магнитного бизнеса вот уже почти 40 лет. Главное же достоинство ферритов - их низкая цена. Не следует также забывать о высокой химической стабильности к окислению, позволяющей ферритам сохранять свои свойства и внешний вид без всякого покрытия в течение десятилетий.

Таким образом, ферриты применяются там, где основным требованием при выборе магнита является низкая цена. Вместе с этим, поскольку свойства ферритов постоянно совершенствуются, вполне возможно расширение ниши, занятой ими на рынке магнитных материалов.

Самарий-кобальт

Материал самарий-кобальт (SmCo) впервые был использован в конце 70-х годов прошлого века в Дэйтонском университете в рамках одного из проектов ВВС США. Энергия магнитного поля этого материала оказалась значительно более высокой, чем у Альнико, а температурная стабильность - просто превосходной.

Как магниты SmCo, так и Альнико широко используются в оборонной промышленности. Ферритовые магниты не так часто применяются в этой области из-за их температурной нестабильности и низкой коэрцитивной силы при низких температурах.

Достоинства магнитов SmCo включают в себя высокие остаточную намагниченность B_r (до 11.5 кГ), коэрцитивную силу H_ci(от 5.5 до 25 кЭ) и высокую температуру Кюри. Существует две марки SmCo: 1:5 -сплав, у которого температура Кюри 750 ⁰С, и 2:17 -сплав с температурой Кюри 825 ⁰С. Магниты SmCo имеют очень хорошую температурную стабильность 0.035 (% / ⁰С), их температурный коэффициент индукции чуть больше, чем у Альнико. Они также обладают достаточно высоким значением энергетического произведения (BH)_max на единицу объёма ( (BH)_maxизменяется в пределах от 16 до 30 МГ*Э).

Недостатками магнитов SmCo являются их высокая стоимость и хрупкость. Это самый дорогой из имеющихся магнитных материалов. Высокая цена материала определяется использованием в нём дорогих редкоземельных металлов. В частности, технология очистки самария достаточно дорога, так же, как и кобальта, который широко используется в производстве сталей высоких марок.

Из двух сплавов - 1:5 и 2:17 – менее дорогим (на 10-15 %) является сплав 2:17, поскольку в нем небольшая часть используемого кобальта замещена железом, и содержание самария также меньше, чем в чистом сплаве 1:5. Выпуск магнитов из сплава 2:17 пока на 50 % выше, чем из сплава 1:5. Разработанные из сплава 2:17 магнитные системы имеют большую магнитную энергию, при этом сплав 2:17 производит ту же работу, что и сплав 1:5, и имеет меньшую стоимость. Второй существенный недостаток материала SmCo – это его хрупкость. Заказчикам обычно советуют иметь магниты SmCo с фасками радиусом скругления 0,004 дюйма.

Тем не менее, во многих военных разработках, где требуется стабильность и надёжность, а цена имеет второстепенное значение, магниты SmCo сменили Альнико.

Неодим- железо- бор

Научные исследования нового магнитного материала - неодим-железо-бор (NdFeB) - начались с 80-х годов прошлого века, а его широкое применение в промышленности - с 1984 года. Производители искали магнитный материал, который обладал бы такой же магнитной энергией, как SmCo, но имел существенно более низкую стоимость. Было установлено, что у сплавов NdFeB очень высокое энергетическое произведение - вплоть до 50-55 MG*Oe- при значительно меньшей цене, чем цена SmCo.

Магниты NdFeB имеют широкий диапазон рабочих температур (от -40 ⁰С до +150 ⁰С), некоторые их виды можно использовать вплоть до 200 ⁰С, однако, они имеют пониженные значения магнитных характеристик по сравнению с остальными марками.

Магниты NdFeB имеют меньшую температурную стабильность, чем магниты SmCo – их температурный коэффициент магнитной индукции изменяется от 0.07 до 0.13 (% / ⁰С) (сравните с 0.035 (% / ⁰С) у SmCo). Вследствие этого при температурах более 180 ⁰С магниты SmCo могут создавать большие значения магнитного поля, чем магниты NdFeB.

Материал NdFeB очень сильно подвержен коррозии, поэтому его покрывают цинком, никелем, медью или комбинацией этих материалов. Кроме того, во избежание возникновения химически нестабильных соединений в структуре сплава процесс изготовления проводится в отсутствие воздуха.

NdFeB имеет низкую температуру Кюри – примерно 310 ⁰С, которая может быть повышена добавлением кобальта. Однако, как отмечалось ранее, использование кобальта вместо железа ведет к удорожанию материала.

В настоящее время магниты NdFeB очень широко используются в двигателях электроприводов в компьютерной технике благодаря своим высоким энергетическим магнитным характеристикам . Ранее (в 80-х годах прошлого века) для этих целей использовались ферритовые магниты, позже - магниты из SmCo. Использование наиболее сильных магнитов позволяет сделать привод диска более миниатюрным. На сегодняшний день в приводах жестких дисков используется NdFeB. Устройства считывания и записи информации (так называемые VCM, а также все дисковые и шпиндельные моторы используют спеченые NdFeB. Примерно 60 % использующегося в промышленности магнитного материала NdFeB применяется в приводах компьютерных дисков.

Подверженность коррозии NdFeB вынуждает наносить на магниты покрытие. Окраска, покрытие эпоксидной смолой хороши в качестве защиты от окисления, но добавляют лишний слой между магнитом и другими частями изделия. Этот слой вызывает дополнительное магнитное сопротивление в цепи, подобно сопротивлению в электрической цепи. Покрытия никелем и цинком наиболее выгодны из-за возможности нанесения слоя очень малой толщины. Никель особенно эффективно защищает магнит от воздуха и влажности благодаря своей герметичности. Кроме того, это один из наиболее дешевых методов защиты от окисления. Как правило, толщина покрытия никелем не превышает 15-20 мкм.

В настоящее время магниты NdFeB доступны с присадками из различных материалов, такими как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий и т.д. Добавление данных химических элементов ведет к улучшению стабильности магнита с температурной и коррозионной точек зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +220 ⁰С. Для успешного использования при повышенных температурах дизайн магнитной цепи должен быть оптимизирован с точки зрения минимизации процессов размагничивания при высоких температурах.

При добавлении кобальта температура Кюри данных магнитов была несколько повышена, но типичной считается область 310-330 ⁰С. Магниты из NdFeB в основном используются в промышленных моторах, датчиках и исполнительных механизмах. Военно-промышленный комплекс пока еще использует их в ограниченных размерах, однако, определённый прогресс в данной области налицо.

Магнитопласты

Магнитопласты изготавливаются посредством смешения магнитного порошка и какой-либо связующей компоненты. В качестве связующего вещества могут применяться каучук, акрил, полиамид, термопластик, пластик, винил, эпоксидная смола, PPS и др.

Магнит изготавливается из смешанной массы следующими способами:

Каландрованием: прокаткой в сплошное полотно посредством прессования между двумя катками.
Выдавливанием: нагретая масса формируется путём выдавливания через отверстие определённого сечения.
Отливкой: нагретая масса впрыскивается в матрицу, где охлаждается до отвердения, затем матрицу открывают и извлекают отливку.
Прессованием под давлением: покрытый магнитный порошок помещается в полость матрицы и плотно сжимается под высоким давлением.

Магнитопласты обладают физическими свойствами, типичными для связующего материала. Каучуковый магнитопласт гибкий, не крошится и не ломается. Магнитопласты на основе эпоксидной смолы имеют хорошее сопротивление воздействию масел, бензинов и обычных растворителей. Основные органические связующие материалы имеют следующие характерные особенности:

Предел использования по температуре соответствует температуре, при которой связующий материал теряет твердость (обычно - 120-220 ⁰С).
Негерметичность, из-за которой внутрь материала могут проникать вода и воздух, влияющие на магнитные свойства материала.
Связующее вещество может набухать, впитывать влагу, и, как следствие, изменять свои размеры и терять прочность.

Правильный выбор связующего материала может минимизировать негативные эффекты.

Латунь, алюминий, сталь и даже высокотемпературные пластики могут быть использованы в процессе прессования магнитопластов, когда магнитные соединения формируются за счет перемешивания магнитного порошка и связующей компоненты.

Одновременная добавка в форму для литья двух компонент позволяет изготовить продукт, содержащий два различных материала. Это могут быть два магнитных материала или смесь магнитных материалов и пластика. Существует разновидность этого процесса, называемая многошаговым литьевым вспрыском, когда разнородные материалы прессуются последовательно. Часто с точки зрения магнитных свойств эта технология дает лучшие результаты, чем одновременное прессование.

Описанные процессы позволяют создавать как простые, так и очень сложные формы магнитов; с прямой, радиальной и многополюсной намагниченностью.

Рабочие температуры магнитопластов низки по сравнению с рабочими температурами спеченных магнитов. Использование разных магнитных порошков позволяет получить «гибридный» магнит, обладающий тем или иным набором свойств. Особенно полезны гибриды, представляющие собой смеси ферритового порошка с небольшим количеством редкоземельного порошка, обычно NdFeB. Разное процентное соотношение компонентов такого гибрида позволяет получить необходимые значения B_r и H_cj.

Один из недостатков магнитопластов - верхний температурный предел использования, диктуемый температурным состоянием связующего материала. Эта величина обычно составляет от 80 ⁰С до 220 ⁰С. Полифенильный сульфид (PPS) обладает высокой температурой эксплуатации с минимальной абсорбирующей способностью и высоким сопротивлением вредному воздействию масел и других нефтепродуктов. В автомобильной промышленности уже начато изготовление магнитов с применением PPS. Хорошие результаты даёт также использование в качестве связующих компонент Нейлона 6 и 12.

Термоэластичные магнитопласты имеют верхний предел использования по температуре около 80 ⁰С.

Каландрование: 65 %
Выдавливание: 65 – 80 %
Отливка: 60 – 68 %
Прессование под давлением: 78 – 80 %

В целом весовая концентрация порошка колеблется от 60 % до 80 %. Причем при производстве магнитопластов и магнитоэластов используются порошки NdFeB, ферриты, Альнико и SmCo, а также их различные комбинации.

Одной из наиболее перспективных сфер применения магнитопластов является создание компактных и высокоэффективных электрических двигателей и приводов, а также различного рода датчиков. Возможность создания магнитов самой сложной формы и высокой намагниченности, а также хорошие механические свойства – основные конкурентные преимущества магнитопластов.

так что же все-таки выбрать?

Основных критериев выбора два – стоимость и температурная стабильность.

Стоимость магнита почти всегда является основным критерием выбора. Цена является одной из основных величин, характеризующих магнит вместе с такой информацией, как тип материала, размер, форма, направление намагниченности и т.д.

В первую очередь рассматривайте ферритовые магниты из-за их низкой стоимости
В том случае, если особенно важна эффективность, используйте редкоземельные магниты на основе NdFeB
В том случае, если необходима высокая надежность и стабильность, применяйте магниты на основе SmCo или монокристаллические магниты на основе NdFeB
Если магниты должны быть длинными (относительно их диаметра или ширины), выбирайте Альнико. Короткие магниты делайте из ферритов и семейства редкоземельных магнитных материалов.
Маленькие магниты сложной формы и намагниченности делайте из магнитопластов.

Резюме

Группа AMT&C поставляет и производит широкий спектр магнитных материалов, включая магнитопласты, которые могут быть изготовлены с учетом самых сложных требований заказчика.

Если Вы нуждаетесь в дополнительной помощи в выборе магнита, то наша компания всегда готова её предоставить.

Прикладные публикации сотрудников

Гадолиний

Иттрий

Сплавы иттрия

Легирование

Физические и химические свойства

Белый порошок (плотность равна 5,046 г/см3) или бесцветные диамагнитные кристаллы (плотность равна 4,84 г/см3 ), tпл=2417°С, tкип=4297°С.

Применение оксида иттрия

Керамика

Огнеупорные материалы

Люминофоры

Ферриты

3. Другие соединения иттрия и их применение

Магниты для промышленного применения

Редкоземельные металлы

Пермаллои

Магнитомягкие ферриты

Применение магнитомягких материалов

Радиочастотные трансформаторы

Прецизионные трансформаторы

Дроссели насыщения

Катушки индуктивности

Сетевые фильтры

Катушки индуктивности для накопления энергии

Прогресс технологии магнитного охлаждения

Гигантское магнитосопротивление: от открытия до Нобелевской премии

2.1. Считывающие головки для жестких дисков

2.2. Магнитная оперативная память MRAM

XVI Международная конференция по постоянным магнитам

РЕШЕНИЕ XVI Международной конференции по постоянным магнитам

Магнитные плиты

Встроенные железоотделители

Использование порошковых сердечников при высоких температурах

Металлоулавливатели в виде магнитных решеток (магнитов бункера) – наиболее экономичное решение проблемы очистки продукта от металлических включений

Высокоэффективные устройства на основе постоянных магнитов для сепарации и стыковки строительных материалов и конструкций

Использование магнитов на основе неодим-железо-бор

Использование магнитов в стройиндустрии

Магниты и современная медицина

Магнитная терапия

Магнитные поля и тело человека

Доказательства и сомнения, адвокаты и скептики

Магнитная терапия сегодня

Окончательные выводы преждевременны

Магнетизм и медицина: достижения и перспективы

Магнитно-резонансная томография

Магнитная стимуляция - помощь при лечении психических расстройств

Моторы на постоянных магнитах для сердечников

Магниты как проводники и манипуляторы для медицинских процедур

Магнитные частицы - перспективы их использования в медицине

Магнитное охлаждение - уже реальность

Как выбрать подходящий магнит?

Белый порошок (плотность равна 5,046 г/см³) или бесцветные диамагнитные кристаллы (плотность равна 4,84 г/см³), t_пл=2417°С, t_кип=4297°С.