Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

1 Az anyagok mágneses tulajdonságai Mágneses pólusok (É, D), vonzás, taszítás, iránytű Pólusok nem szétválaszthatók „Mágneses” és „nem mágneses” anyagok.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "1 Az anyagok mágneses tulajdonságai Mágneses pólusok (É, D), vonzás, taszítás, iránytű Pólusok nem szétválaszthatók „Mágneses” és „nem mágneses” anyagok."— Előadás másolata:

1 1 Az anyagok mágneses tulajdonságai Mágneses pólusok (É, D), vonzás, taszítás, iránytű Pólusok nem szétválaszthatók „Mágneses” és „nem mágneses” anyagok Felmágnesezés, termikus lemágnesezés Gilbert: On the magnet (1600), Oersted: elektromágnes (1820) Jelentőségük(lágy: n*10 6 tonna/év, kemény: n*10 3 tonna/év) Ókori Kína ( II.sz.) Iránytű: magnetite (Fe 3 O 4 ), Magnesia 1880Martenzites állandómágnes 1900Fe - Si ötvözet 1923Fe - Ni ötvözet 1935Első mágnesszalag 1946Ferritek megjelenése 1966Ritkaföldfém - kobalt keménymágnesek 1975Irányítottan kristályosított keménymágnesek

2 2

3 3 Példák lágy és keménymágneses anyagokra

4 4 Mágneses tér  anyag kölcsönhatás leírása Mágneses permeabilitás Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység)

5 5 Mágneses dipólusmomentum Homogén mágneses térben momentumra erő nem hat csak nyomaték. Momentum energiája csökken ha térirányba áll be. Egymással igyekeznek párhuzamosra beállni.

6 6 Mágneses tulajdonságok eredete Egyedi elemi részecskék mágneses tulajdonságai Szabad atomok mágn. tulajdonságai saját (spin) mágn. momentum (elektron, proton, neutron) pályamomentum Atomi (spin) mágn. momentum  Bohr magneton Betöltött héjak spin momentuma NULLA. Szilárd testek Pályamomentumok kompenzálják egymást (befagynak)  Csak a betöltetlen héjak spinmomentumait kell számításba venni.

7 7 Mágneses anyagok csoportosítása Gyengén mágneses anyagok Dia(lezárt elektronhéj)    (  ) Univerzális tulajd. (Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au…) Para(legalább egy páratlan elektron)    ( ) (Mg, Al, Ti, W…)

8 8 Közel ideális diamágnesek „lebegése” Meissner-effektus

9 9 Rendezett mágneses szerkezetű anyagok Szilárd test mágneses momentuma: a párosítatlan spínű elektronok spínmomentumainak vektori eredője. (3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet) Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2  4 Bohr magneton Ferro  (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) Antiferro  (Cr, Mn) Ferri  (Fe 3 O 4, CrO 2, ErO …)

10 10 Rendezett szerkezetű mágneses anyagok jellemzése (hiszterézis)

11 11 Klasszikus mágneses paraméterek mérése

12 12 Hiszterézis görbéből származtatott jellemzők Első mágnesezési (szűz) görbe, dinamikus középgörbe M(H) és B(H) hiszterézis görbék Belső, mellék hiszerézis. Telítés !!! Telítési indukció (B M ), Remanens indukció (B R ), Koercitív erő (H c ) Permeabilitások (  r ): kezdő, maximális, differenciális, növekményes (irreverzibilis) Jósági szám (BH) max, négyszögletességi tényező B R/ /B M stb.

13 13 Hőmérsékletfüggés (ferro) FerromágnesCurie-hőmérséklet Antiferro mágnesesNéel-hőmérséklet

14 14

15 15 B M, B R, H C összetétel, technológiai hatások B M : csak a kémiai összetételtől függ (Bohr magnetonok térfogategységenkénti száma) Maximum  70Fe - 30Co (Permendur) (2,4 Bohr magneton/atom, B M = 2,45 T) Alakítás hatására: H C növekszik B R csökken

16 16 A mágneses tulajdonságokat meghatározó energia tagok Kicserélődési energia Kristályanizotrópia energia Magnetoelasztikus energia Doménfal energia Momentum beállásból származó (entrópia) többlet Magnetosztatikus és lemágnesező energia

17 17 Problémák 1. Mi az oka a rendkívül erős mágneses tulajdonságoknak? 2. Miért nincsen mágneses tulajdonsága a magas hőmérsékletről lehűtött ferromágneses anyagoknak?

18 18 Domén szerkezet Weiss (1907)Domén: telítésig mágnesezett tartomány, ahol minden momentum párhuzamosan áll. Bitter (1931) Faraday, Kerr effektusok (magneto-optikai jelenségek) TEM, SEM technikák elemi momentum, méret: cm Mi határozza meg a domének méretét?

19 19 Magnetosztatikus energia H külső tér, M mágnesezettségű minta (N: alaktényező)

20 20 Magnetostrikció, magnetoelaszticitás Mágneses tér hatására történő méretváltozás. a telítéshez tartozó érték ( ) Pl: 1 m hosszú = Méretvátozás: 0,1 mm Fe >0, Ni <0 ultrahang generátor transzformátor zúgása

21 21 Magnetostrikció PokikristályosEgykristályos

22 22 Könnyű és nehéz mágnesezési irányok. Görbék alatti területek különbsége.

23 23 Mi határozza meg a domének orientációját ? Egyensúlyi állapotban, a domének mágnesezettsége valamelyik könnyű mágnesezési irányba mutat.  doménfalak típusai Fe [100]  90° és 180° Ni [111]  70,53° és 109,47°

24 24 Doménfal (energia) Faltípusok: Bloch-fal (tömbi anyag) Néel-fal (vékonyréteg) Tüskés-fal (cross-tie) Lánc-fal Akadályok, rögzítettség mértéke függ a relatív mérettől. Vastag falak könnyeben mozognak mint a vékonyak. (Nagy és kis átmérőjű kerék a göröngyös úton.)

25 25 Kerr mikroszkópiával készült domenkép: Nd 16 Fe 76 B 8

26 26 Domének vékonyréteg gránát egykristályban, polarizált fényben

27 27 FERROMÁGNESES DOMÉNEK Kimutatás: Bitter-módszerrel Domének izotróp Fe-Si transzformátor-lemezben

28 28 Domenhatárok kockatexturált transzformátor- lemezben. [100]

29 29 Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól)

30 30 Reverzibilis falmozgás vas egykristályon

31 31 Falmozgás Fe-Co ötvözeten

32 32 Hőmérsékletfüggés (ferro) FerromágnesCurie-hőmérséklet Antiferro mágnesesNéel-hőmérséklet Reverzibilis, végtelenszer ismételhető Hőmérséklet érzékelők, tűzjelzők, forrasztó páka …

33 33 Klasszikus mágneses jellemzők

34 34 Barkhausen-zaj Mágnesezés mechanizmusa: 1.reverzibilis doménfalmozgás 2.irreverzibilis doménfalmozgás, doménfalak ugrásszerű mozgása  Barkhausen-zaj (kvázi-sztohasztikus zaj) 3.inkoherens forgás 4.koherens forgás

35 35 Barkhausen-zaj függ : mechanikai feszültségi állapot szövet- ill. diszlokációs szerkezet Vizsgálati (roncsolásmentes) módszer 1975-től

36 36

37 37 Mágnes tulajdonságok változtatásának lehetőségei A műszaki alkalmazások lágy és keménymágneses anyagai

38 38

39 39 A mágneses jellemzők megváltoztatásának módjai A B R növelésének módja: anizotrópia keltés Anizotrópia: kristály, indukált T C közeli mágnesteres hőkezelés (irányított diffúzió). Alakanizotróp szemcsék beforgatása (mágnestérrel) a mágnesezési irányba. Könnyűmágnesezési irányú szemcseirányítás (Goss, kocka) Irányított kristálynövesztés (keménymágnes). Mechanikai feszültség keltése (húzó/nyomó).

40 40 A mágneses jellemzők megváltoztatásának módjai H C növelésének módjai: Doménfalmozgás akadályozása (szemcseméret, kiválás, hibaszerkezet...) Doménfalvastagság (d) és akadályszélesség (D) kapcsolata. d  D gyenge hatás, d  D erős akadály

41 41 Lágymágnesek jellegzetes felhasználási területei Elektromechanikus eszközök: Emelő, mozgató mágnesek, relék, mágneskapcsolók Elektromágneses indukció alapján működő eszközök: Transzformátorok, fojtók, generátorok, motorok, leválasztó elemek Mágnestér árnyékolások Fluxusvezető elemek

42 42 Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál B M Nagy  Nagy H C Kicsi Fajlagos ellenállásNagy Curie-hőmérsékletNagy AlakíthatóságNagy VeszteségKicsi Hiszterézis területKicsi Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak. Mechanikai keménység  Mágneses keménység

43 43 Igények  Minél több és nagyobb mágneses momentumú atomot tartalmaz térfogat egységenként. Anizotrópia (állandó) kicsi. (Anizotróp, lágyított újrakristályosított szerkezet.) Kristályrácsban sok a könnyűmágnesezési irány (köbös). Rácshibasűrűség és a belső mechanikai feszültségek minimálisak. Magneto-elasztikus/strikciós (állandó) effektus minél kisebb.

44 44 Lágymágnes anyagok néhány típusa Veszteségi tényező: v 1.0, v 1.5, v 1.7

45 45 Tiszta Fe B S (20°C) = 2,15 T  max = A/cm 99,95 % Fe, 0,005% C ARMCO Ötvözetlen elektrotechnikai lemez (Fedin, Fermax…) Interstíciós C, N, O  rácstorzulás Dekarbonizálás Tulajdonságai erősen szórnak Gyártási technológiája nem tartható kézben

46 46 Tiszta Fe Magnetostrikció  erős feszültség függés Feszültség mentesítés, hőkezelés

47 47 Fe - Si ötvözetek (lemez) Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f) Traszformátor, dinamó-lemez (0,2 - 0,5 mm) Si hatása: csökkenti az anizotrópiát Optimum: 6-7 % Si rideg, kemény Transzformátor: 4-4,5 % Si Dinamó: 3,2-3,6 % Si Interstíciós ötvözők: C, O, P, Mn, S Maradó feszültség Hőkezelés: nedves hidrogénben C < 0,04 %

48 48 Textúrált Fe - Si lemezek Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal Hengerlés  szemcse orientáció  anizotróp, textúrás szerkezet Mágnesezési irány meghatározott !!!

49 49 Fe - Ni ötvözetek (Permalloy) 50% Ni - 50% Fe80% Ni - 20% Fe Kis telítési indukció (Fe-2,2 T, Ni-0,6 T) Nagy permeabilitás ( ) Kis veszteség Ni 3 Fe szuperrács (75% Ni, 500 °C) megakadályozandó ! Alakítás rendkívül sokat ront a tulajdonságokon. Lágyítás ( °C, 1h), gyors hűtés, feszültségmentesítés (600 °C), gyors hűtés T C -nél mágnestérben hűtés  permeabilitás * 10

50 50 Amorf ötvözetek, üvegfémek, nanokristályos ötvözetek Aamorf NCnanokristályos MCmikokristályos FINIMETkevert Rendkívül kis H C Barkhausen zaj nincs Vékony szalagok (0,02-0,05 mm) Eutektikus összetétel Átmeneti fém (Ni, Co, Fe, Mn) Nem fémes ötv.: (Si, P, N, C, B) Gyorhűtés (10 5 K/sec) Hőkezelés, törékenyek Transzformátor mag: Fe-Si-B-(C) Fe-Co-B-Si Ni 40 -Fe 40 -P 14 -B 6 Fe 29 -Ni 49 -P 14 -B 6 -Si 2

51 51 Nanokristályos mag – Ferrit mag

52 52 Lágy ferritek, gránátok Kerámia mágnes (Köbös spinel, Ferrimágneses rend)  Porkohászati technológia  Rideg, törékeny, nem alakítható (köszörülés)  Szigetelő (rossz félvezető)  nagy frekvenciás alkalmazások MOFe 2 O 3 FERRIT (M kétvegyértékű fém: Mn, Zn, Ni) Fe momentumok kompenzálják egymást  B S kicsi 3M 2 O 3 5Fe 2 O 3 GRÁNÁT (M kétvegyértékű ritkaföldfém: Sm, Eu, Gd) Ittrium ötvözés  YIG

53 53 Lágy ferritek, gránátok Köbös spinel szerkezet: O ionok FKK Fe ionokoktaéderes 1/2 0 0tetraéderes 1/4 1/4 1/4 M ionokoktaéderes

54 54 Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál B M Nagy B R Nagy (BH) max Nagy Hiszterézis területNagy H C  4kA/m  50[Oe]Nagy Keménymágnes jelleggörbe

55 55 Igények  Többségi fázis minél nagyobb és térfogategységenként minél több mágneses momentumot tartalmazzon. Többségi fázis finom eloszlású, és mérete nem haladja meg a domenméretet. Többségi fázisban kevés a könnyűmágnesezési irány (kristály-anizotrópia: hexagonális és tetragonális). Indukált anizotrópia legyen nagy. Nagy l/d ellipszoidok (alakanizotrópia).

56 56 Keménymágnesek jellegzetes felhasználási területei Légrésben előírt indukció keltése / fenntartása. Drága, sokszor alakíthatatlan. Híradástechnika: hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú eszközök Méréstechnika: galvanométerek Mechanikai mozgatás, rögzítés: motorok, emelő stb. mágnesek Mágneses információ tárolás: magnó, videó, floppy, merevlemez

57 57 Keménymágnek néhány típusa Martenzites(olcsó, klasszikus) Alnico, Ticonal (szokásos, tömegtermék) Cu-Ni-Co, Fe-Co-V(alakítható) Pt-Co, Pt-Fe(kitűnő, drága) R-Co(legjobb, magas ár) Nd-Fe-B(kitűnő, de alacsony T C ) Hexaferritek(olcsó, porkohászat, egyszerű alkalmazások)

58 58 Keménymágneses anyagok összehasonlítása Alnico, Kemény ferrit, NdFeB, R 2 Co 17, RCo 5

59 59 Martenzites szerkezetű keménymágnesek Martenzites fázisátalakulás  feszültség + magnetostrikció Bain torzulás: fkk  tkt  martenzit tű, húzófeszültség az [100] irányban (könnyű irány) Magnetostrikciós együttható  0 H C, B R növekszik W, Mo, Cr ötvözés  karbidok  doménfal mozgás nehezedik  H C nő Olcsó, egyszerű alkalmazásokhoz.

60 60 Alnico, Ticonal Spinodális bomlás:    1 +  2 (koherens fázishatár)  1  FeCo (tkk szilárd oldat) ferromágneses  2  Fe 2 NiAl (tkk szilárd oldat) paramágneses De:  (fkk) elkerülendő Fe - Al - Ni - Co ötvözetek  1 doménméret  2 doménfal Domen méretű ferromágneses fázis nem mágneses „kvázi- domenfallal elválasztva. + Alakanizotrópia.

61 61 Alnico technológia Hőkezelés Homogenizálás (~1300 °C)   Gyors hűtés 800 °C-ra (  elkerülése) Mágnesteres hőkezelés 800 °C-on (Curie T)   1 +  2 szerkezet és  1 alakanizotrópia Hőntartás 580 °C, 14 h  Co diffúzió  1 fázisba  B R, B M nő Rideg  öntés, porkohászat

62 62 Irányított hőelvonás Kristálynövekedés leggyorsabb az irányokban Alakanizotrópia Anizotróp mágnes [100] KI Könnyű mágnesezési irány

63 63 Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co Alakítható keménymágnesek Gyengébb minőségű mint az Alnico de képlékenyen alakítható.

64 64 ESD mágnesek Elongated Single Domain Hosszúkás, egydomén méretű szemcsék (CuNiFe, MnBi, Fe3O4, Báriumferrit, Stronciumferrit…) Szemcseméret – Hc Lágymágneses szemcsékből keménymágneses anyag! Kötőanyag (műanyag, gumi, alacsony olvadáspontú fém) Poliamid (PA), polifenilszulfid (PPS)

65 65 Pt - Co, Pt - Fe Legjobb keménymágnes 80% Pt (drága) fkk rács + rendeződés 850 °C-ról hűtés °C rendeződés (nagy kristály anizotrópia)

66 66 R-Co (ritkaföldfém-kobalt) RCo 5 és R 2 Co 17 összetételű intermetallikus vegyületek R: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb…) Szamárium, Prazeodímium Hexagonális szerkezet  nagy kristályanizotrópia H C = kA/m Típusok:SmCo 5 PrCo 5 Pr 0,5 Sm 0,5 Co 5 Sm 2 Co 17 Törékeny (balesetveszély), kemény, normál körülmények között nem korrodál, drága Max. üzemi hőmérséklet 250 o C

67 67 Fe - Nd - B mágnesek Ritkaföldfém Előötvözet, őrlés, sajtolás (izosztatikus, mágnesteres), hőkezelés Gyémánttárcsás vágás Korrodálnak (galvanikus Ni, Zn, műanyag bevonat) Galván Zn (15-30 mikrométer) Galván Ni (10 mikrométer) kemény, kopásálló, reped Zn-Ni Polimer bevonat (szerves) Kevésbé törékeny. olcsóbb mint a SmCo Max. üzemi hőmérséklet: °C

68 68 Kemény ferritek (Hexagonális ferritek) Nemfémes mágnesek, kerámiák BáriumferritBaFe 12 O 19 StronciumferritSrFe 12 O 19 B S kicsi (max. 0,46-0,47 T) H C nagy ( kA/m)  Nagy egytengelyű anizotrópia Rideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés) Szigetelő Curie hőmérséklet alacsony Olcsó, max. üzemi hőmérséklet 250 o C

69 69 KÖSZÖNÖM MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET KÖSZÖNÖM MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék MTA-BME Fémtechnológiai Kutatócsoport 1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 7. MT épület Tel.: ; Fax:


Letölteni ppt "1 Az anyagok mágneses tulajdonságai Mágneses pólusok (É, D), vonzás, taszítás, iránytű Pólusok nem szétválaszthatók „Mágneses” és „nem mágneses” anyagok."

Hasonló előadás


Google Hirdetések