10.1 Основные требования к магнитотвердым материалам

Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях H 1000 кА/м, B_r = 0,1…1 Тл и коэрцитивную силу H_c 560 кА/м.

Важной характеристикой магнитотвердых материалов является максимальная удельная магнитная энергия _max. Удельная магнитная энергия при размагничивании изменяется от 0 до максимума, как это показано на рис. 10.1, и соответствует половине произведения определенных на кривой размагничивания значений индукции B_x и напряженности H_x. Более выпуклая форма кривой размагничивания соответствует большей магнитной энергии.

Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещением доменной стенки и вращением векторов намагничивания.

Необратимость этих процессов приводит к несовпадению кривых намагничивания и размагничивания, а при перемагничивании – к появлению петли гистерезиса. Существующие теории необратимость процессов намагничивания связывают либо со смещением доменной стенки, либо с вращением векторов. В последнем случае даются количественные закономерности, определяющие H_c. При различном химическом составе и структурном состоянии материала доля участия каждого из этих двух процессов различна, но для большинства магнитотвердых материалов основным процессом при размагничивании является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет значения H_c, B_r и _max.

Для однодоменных кристаллов размагничивание идет только в результате вращения векторов намагничивания. Размер однодоменных кристаллов определяется формой кристалла, параметром кристаллической решетки и магнитными характеристиками (точкой Кюри , константой анизотропии K и намагниченностью насыщения M_s). Для железа диаметр однодоменного кристалла равен 0,05 мкм.

Значения H_c зависят от константы кристаллографической анизотропии К и намагниченности насыщения M_s. Наибольшее значение К и H_c среди рассматриваемых металлов имеет кобальт, наименьшее – никель, поэтому кобальт используют в большинстве магнитотвердых материалов.

Влияние анизотропии формы на H_c велико для всех ферромагнетиков, и оно более сильное, чем влияние остальных видов анизотропии. Анизотропия формы вызывает появление размагничивающего поля H _р, так как магнитная система не замкнута (рис. 10.2). такое противоположно направленное поле H _р уменьшает намагничивающее поле и тем самым увеличивает H _с. Величина H _р анизотропна. А поэтому для однодоменного неравноосного кристалла значение H _с зависит от отношения продольной l ₁ к поперечной l ₂ оси кристалла (рис. 10.3).

Магнитоупругая анизотропия проявляется при возникновении неоднородных напряжений вследствие магнитострикции или приложения внешних сил. Наибольший вклад этот вид анизотропии дает в значение H _с для никеля, который имеет большое значение .

Таким образом, от суммы всех перечисленных составляющих зависит значение H _с однодоменного неравноосного кристалла.

Необратимые процессы вращения векторов намагничивания определяют H _с тонких пленок и многих многофазных сплавов. Тонкие пленки толщиной 0,1 – 30 мкм однодоменны и магнитоанизотропны. При толщинах, близких к 30 мкм, в пленках появляется полосовая доменная структура (рис. 10.4).

Длинные домены намагничиваются во взаимно противоположных направлениях и вращаются всей системой полос под действием внешнего поля. Это свойство используют в информационных устройствах.

Большие значения имеют многофазные сплавы со структурой однодоменных неравноосных ферромагнитных включений в немагнитной основной фазе. В таких сплавах размагничивание идет в результате вращения векторов намагничивания ферромагнитных включений.

В сплавах с ферромагнитной основной фазой и неферромагнитными включениями размагничивание может развиваться путем смещения доменной стенки. В таком случае значение коэрцитивной силы определяется константой кристаллографической анизотропиии К ферромагнитной основы, объемом неферромагнитных включений  и намагниченностью насыщения M_s. Коэрцитивная сила H _с имеет максимальное значение, если диаметр неферромагнитных включений соизмерим с шириной доменной стенки δ (для железа 10^-6м).

Все описанное позволяет сформулировать требования к составу и структуре магнитотвердых материалов. Преимущественное применение имеют сплавы, а не чистые металлы. Можно использовать однофазные сплавы с однодоменной неравноосной формой кристаллов либо многофазные сплавы с различной магнитностью основы и включений. Для ферромагнитных включений желательна однодоменная неравноосная форма кристаллов; для неферромагнитных включений важны их количество и размер. Ферромагнитная основа должна иметь различного рода искажения: структура – предпочтительно неравновесный пересыщенный твердый раствор внедрения; желательны остаточные напряжения. Перечисленные условия обеспечивают высокие значения H _с, B_r и _max.

Свойства магнитотвердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами и вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность при нагреве ограничивает применение магнитотвердых материалов с неравновесной структурой.

Свойства магнитотвердого материала определяют на образцах-кольцах. Полученные значения B_r и _max предельные, так как при иной форме магнита на незамкнутых концах возникает размагничивающее поле H _р и свойства будут занижены.

Магнитотвердые материалы для постоянных магнитов по способу изготовления подразделяют на литые, порошковые и деформируемые.