Магнитострикционные материалы - ферромагнитные металлы и сплавы (см. Ферромагнетик)и ферримагнитные ферриты ,обладающие
хорошо выраженными магнитострикц. свойствами (см. Магнитострикция); применяются для изготовления магнито-стрикиионных преобразователей. Существуют
металлич. и ферритовые M. м.
Свойства M. м. Связанные с преобразованием энергии
свойства M. м. характеризуются коэф. магнитоме-ханич. связи К, магнитострикц.
постоянной а и постоянной чувствительности А. Величина К равна
отношению преобразованной энергии (механической или магнитной) к подводимой
(соответственно магнитной или механической) без учёта потерь;определяет
чувствительность электроакустич. преобразователя
в режиме излучения, а-
его чувствительность в режиме приёма. Относит,
магн. проницаемость
характеризует электрич. импеданс преобразователя в отсутствие механич. колебаний,
к-рый необходимо учитывать при согласовании преобразователя с электрич. схемой
(- соответственно
амплитуды механич. напряжения, магн. индукции, магн. поля). Величины a,
L, К связаны
соотношениями, в к-рые входят магн. проницаемость m (в общем случае комплексная)
и константа упругой податливости. Ди-намич. постоянные упругости - модуль Юнга
и модуль сдвига - в комбинации с плотностью материала определяют скорость продольных
p сдвиговых волн и соответственно резонансные
частоты сердечников заданных размеров при заданной форме колебаний.
Эффективность преобразования, или кпд, определяется
наряду с коэф. К магн. и механич. потерями. Магн. потери в M. м. обусловлены
вихревыми токами, зависящими от уд. электрич. сопротивления р, и гистерезисом
магнитным, косвенно определяемым величиной коэрцитивной силы Нс. Характеризуются магн. потери величиной tgb, представляющей отношение
мнимой и действит. части m. Механич. потери зависят от добротности материала
Q.
Динамич. характеристики M. м. сильно зависят
от величины пост, поля нодмагничивания H0 (рис.). В таблице
приведены динамич. характеристики основных M. м., отвечающие малым амплитудам
Зависимость К, a, m от поля подмагничивания H0 для никеля (пунктир) и пермендю-ра (сплошная линия) при малой амплитуде переменного поля.
Температурная стабильность свойств M. м., особенно
важная при использовании их в фильтрах, стабилизаторах частоты и др., тем больше,
чем выше темп-pa Кюри T0. Для магнитострикц. излучателей звука
большое значение имеют величина магнитострикции насыщения l
s, к-рая определяет их предельную
мощность в условиях значит, нагрузки, и динамич. усталостная прочность sпр,
ограничивающая предельную амплитуду колебаний слабо нагруженных преобразователей.
Величина l s,
а также крутизна статич. кривой зависимости магнитострикции от магн. поля являются
определяющими параметрами M. м. при их использовании в оптико-механич. системах,
создающих управляемые статич. или НЧ-перемещения.
Из металлических M. м. наиб, употребительны никель
и сплавы на его основе, а также железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы.
Их используют в поликристаллич. форме и изготавливают по обычной металлу ргич.
технологии, прокатывая в виде полос толщиной 0,1-0,3 мм для уменьшения потерь
на вихревые токи. В сплавах на основе никеля, напр, введением добавок кобальта,
компенсируют магнитокристаллографич. анизотропию и соответственно повышают динамич.
характеристики К, a, m, а также снижают потери на гистерезис,
добавки же кремния или хрома повышают r и соответственно уменьшают потери
на вихревые токи. Созданием кристаллич. ориентации в никеле и его сплавах (т.
н. кристаллографич. текстуры) достигается увеличение l
s на 20-30%. Железо-кобальтовый
сплав - пермендюр - обладает большей l s
и более высокими магн. и магнитострикц. константами, чем никель, благодаря чему
он применяется в мощных излучателях звука. Однако этот сплав легко корродирует,
отличается невысокой временной и технол. стабильностью свойств, непластичен
и поэтому неудобен в обработке. Железоалюминиевые сплавы обладают достаточно
высокими магнитострикц. характеристиками и электросопротивлением; их недостаток
- низкая коррозионная стойкость, повыш. хрупкость, затрудняющая их механич.
обработку. Электромеханич. и электроакустич. преобразователи из металлич. M.
м. применяют на частотах до 20-40 кГц, практически без ограничения прочности.
Редкоземельные M. м. Особую группу металлич.
M. м. составляют материалы на основе соединений редкоземельных элементов [тербия
(Tb), диспрозия (Dy)] с железом. Магнитострикция их очень велика - до
10-3-10-2, однако она достигается
в магн. полях, составляющих десятки и сотни кА/м. Введение компонентов, компенсирующих
кристаллография, анизотропию, и создание текстуры позволяют увеличить крутизну
магнитострикц. кривой и соответственно повысить динамич. характеристики материалов
этого типа: у лучших составов величина К достигает 0,80 при H0 @ 10 кА/м.
Получают образцы сплавов на основе редкоземельных элементов методом вытягивания
из расплава или методами порошковой металлургии.
Ферритовые M. м. К ним относятся ферриты со структурой
шпинели - феррит никеля и твердые растворы на его основе (включающие ферриты
кобальта, цинка, меди и др. добавки) - и со структурой граната - в основном
феррит-гранат иттрия (ИФГ). Ферриты-шпинели употребляют в виде поликристаллич.
керамики, к-рая изготавливается из окислов (реже солей) металлов по керамич.
технологии, в форме монолитных сердечников; ферриты-гранаты выращивают из расплава
в виде монокристаллов.
Ферритовые M. м. практически не обладают потерями на вихревые токи и соответственно могут использоваться до весьма высоких частот. Для электроакустич. преобразователей применяют ферриты-шпинели на основе феррита никеля, к-рые обладают достаточно хорошими константами преобразования, высокой меха-нич. добротностью, коррозионной стойкостью. Однако относительно малая механич. прочность и низкие значения ls этих M. м. ограничивают предельную амплитуду излучателей звука из ферритов. Для использования в электромеханич. фильтрах, резонаторах путём модификации хим. состава созданы образцы керамич. ферритов с добротностью св. 5000 и весьма малыми температурными коэф. резонансной частоты сердечников. Они применяются на частотах от 104 до 106 Гц. В диапазоне 107-109 Гц для устройств акустоэлектро-ники используются монокристаллич. ферриты-гранаты на основе редкоземельных элементов, обладающие малыми магн. потерями и высокой механич. добротностью. Наиб, распространение среди них получил феррит-гранат иттрия, у к-рого Q ~ 107 на частоте 10 МГц, tgb ~ 0,03 на частоте 20 МГц, а Тс = 640 0C. Кристаллы ИФГ используются для линий задержки, в т. ч. с усилением сигналов на основе использования нелинейных эффектов и с взаимодействием акустич. и спиновых волн (см. Магнитоупругие волны).
И. П. Голямина