Магнитные материалы

 

 

План: Оглавление

 

 

Введение …………………………………………………………………..          3      Раздел 1    Теоретическая часть

1.1.Магнитные материалы…………………………………………………        8

1.2. Магнитомягкие магнитные материалы……………………………....        10

1.3. Магнитотвердые магнитные материалы……………………………..        12

1.4. Специальные магнитные материалы…………………………………        15

Раздел 2    Практическая часть

2.1 Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее    применяемых материалов. …………………………………………………       17

2.2 Листовая электротехническая сталь…………………………………...       19

2.3 Технология производства и свойства холоднокатаной

трансформаторной стали……………………………………………………      22

2.4 Исследование электротехнической стали методами послойного спектрального и фракционного газового анализа…………………………     25

2.5 Динамика мирового производства электротехнической стали ……....     27

Заключение…………………………………………………………………..      33

Список использованной литературы………………………………………      34

 

 

 

 

 

 

Введение.

Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе.Например изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки  сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кг, у нас - 80 кг, а в Китае - 150 кг.

Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, в нашем накопителе «Ангара» - всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.  Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Сейчас в Новосибирске действуют, по крайней мере, три фирмы, разработавшие конструкции быстромонтируемых опор. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.  

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Одним из основных  направлений является создание материалов, располагающих свойством сверхпроводимости. В этом отношении значительный интерес представляет применение металлического водорода. Являющийся отличным изолятором водород, при определённых для него условиях может быть безупречным проводником электрического тока. Вследствие быстрого развития химии и химической промышленности дало возможность получать многие материалы, заблаговременно задавая свойства, которыми они должны располагать. Эти материалы напрямую необходимы в различных областях народного хозяйства, в их число входит и энергетика и электротехническая промышленность. Немалый интерес отводится, например, формированию синтетического латекса, представляя собой лёгкую, гнущуюся, в тоже время прочную губчатую резину. В его образовании используют микроскопически малые частицы синтетического каучука, находящиеся в воде в состоянии взвешения, их вспенивают воздухом и подвергают вулканизации.

Синтетический латекс нашёл себе применение не только в электротехнической промышленности, но и также, в автомобилестроении, бумажной, строительной и других различных отраслях промышленности.

Различного вида изделия из пластмасс очень широко применяют в электротехнике. Тем не менее, проводятся постоянные работы в создании новейших видов пластмасс. К примеру, создан пенопласт изолан-1, который в свою очередь является прекрасным изолятором, легко поглощает звук и не горит. Ко всему этому прогрессивно использование композиционных материалов. В энергетике, также как и в ряде других отраслей народного хозяйства, например, стали использовать маслянит. Он несёт в себе композицию металлов и высокополимеров, обладая большой износостойкостью, антифрикционным свойством, не боится коррозии.

Для изготовления силовых кабелей вместо меди представляет интерес и возможность применения натрия. Натрий способен заменить своим 1кг до 3,5 кг меди или же 1,75 кг алюминия, и к тому же натрий приблизительно в 6-8 раз дешевле меди. Изготовить более гибкий кабель даёт возможность использование натрия в сочетании с полиэтиленовой изоляцией, чем кабель с медными или алюминиевыми жилами.

Гибкие магниты используют в различных переключателях, реле и других схожих устройствах. В изготовлении таких магнитов в резиновую смесь приобщают до 70% ферритовых частичек и затем пропускают её через формовочную машину. Этим магнитам находят применения в дверцах холодильников.

Одно из направлений в произведении новых материалов, используемых в электротехнике, – синтез термостойких, жаропрочных и ограниченно горючих волокон. В итоге материалы располагают повышенной эластичностью, термостойкостью, электроизоляционными свойствами, прочностью, химической инертностью и т.д. Например, из борных волокон и полиэпоксидных полимеров образованы слоистые пластики, имеющие вышеуказанными свойствами. Одним из главных направлений научно-технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства является создание и использование новейших, более совершенных материалов. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть

1.Магнитные материалы

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Hаибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики. в состав которых входят некоторые элементы с незаполненными 3d-или 4f-электронными оболочками, атомы или ионы которых обладают магнитными моментами. К ферромагнетикам относятся в основном металлы и сплавы Fe, Co и Сu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соединения Mn и Сr, например MnBi, MnAl, CrPt; к ферримагнетикам - ферриты-шпинели MFe2O4 (M - Fe, Ni, Со, Mn, Mg, Zn, Сu), ферриты-гранаты R3Fe5O12 (R - РЗЭ), гексаферриты PbFe12O19, Ba2Zn2F12O22 и др., интерметаллические соединения RFe2, RCo5, RFe14 и другие. 

Магнитные материалы могут быть металлы (в основном ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (главным образом ферри- и антиферромагнетики.

Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ - А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называют предельной; множество др. возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, называют частными (непредельными). Если до начала действия внеш. поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H называют основной кривой намагничивания.

Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н - напряженность внеш. магнитного поля; М -намагниченность образца; Нc - коэрцитивная сила; Мr - остаточная намагниченность; Мs - намагниченность насыщения; 1 - предельная петля гистерезиса; 2 - непредельная (частная) петля; 3 - начальная кривая намагничивания.

Другие важные параметры магнитных материалов: 1. Остаточная намагниченность Мr [или остаточная магнитная индукция Вr, единица измерения - тесла (Тл)]; количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внешнем магнитным полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина Мr (Вr) существенно зависит от формы образца, его кристаллической структуры, температуры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и других факторов. 2. Коэрцитивная сила Hс; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения Мr до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии вещества, наличия дефектов. способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, например температуры. 3. Oтносительная магнитная проницаемость m; характеризует изменение магнитной индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (mдиф), начальной (mн) и максимальной (mмакс) проницаемостей. 4. Максимальная удельная магнитная энергия Wмакс (в Дж/м3) или пропорциональная ей величина (BH)макс на участке размагничивания петли гистерезиса. 5. Намагниченность насыщения Мs (или магнитная индукция насыщения Bs). 6. Кюри точка ТK. 7. Уд. электрическое сопротивление r (в Ом • м). В ряде случаев существенны и др. параметры, например температурные коэффициенты остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности основных параметров.

Из аморфных магнитных материалов наиболее распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные Магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 105 К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагревании до 300-450 °С аморфные магнитные материалы переходят в кристаллическое состояние. Композиционными магнитными материалами называют материалы, изготовленные из ферромагнитного металлического или ферритового порошка с диэлектрическим связующим (бакелитом, полистиролом. резиной. тальком. смолой, жидким стеклом. легкоплавкой стеклоэмалью и др.).

Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы Магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы.

2.Магнитомягкие магнитные материалы

Магнитомягкие магнитные материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магнитной проницаемости (mмакс достигает 106), узкая петля магнитного гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании.

Магнитомягкими магнитными материалами являются: 1) электротехническое железо и стали (низкоуглеродистые и кремнистые); 2) кристаллические сплавы на основе Fe-Ni - в т.ч. бинарные (пермаллои) и легированные Мо (суперпермаллои), Mn (муметалл), Сr, Ti, Nb, Сu, Аl (изопермы); на основе Fe-Co с добавками V (пермендюры); на основе Fe-Ni-Co с добавками Mn и Сr (перминвары); на основе Fe-Al (алферы, алфенолы) и Fe-Si-Al (алсиферы, сендасты и др.); 3) аморфные сплавы на основе Fe (типа 80% Fe, 20% В), Fe-Ni (типа 40% Fe, 40% Ni, 20% SiB), Co-Fe (типа 70% Co, 5% Fe, 10% Si, 15% B), Co-Zr, Co-Zr-Mo; 4) ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты (со структурой перовскита); 5) композиты ферромагнитного металлического порошка (карбонильное железо, пермаллой. алсифер) с диэлектрическим связующим на основе смол (напр., шеллака), полистирола, жидкого стекла, талька и т.п. (магнитодиэлектрики).

Металлические магнитомягкие магнитные материалы обладают наибольшими значениями магнитной проницаемости (напр., у суперпермаллоя mмакс = 106 при коэрцитивной силе Hс = 0,3 А/м) и магнитной индукции насыщения (напр., у пермендюра Bs = 2,4 Тл), температурной стабильностью свойств. Аморфные сплавы (обычно изготовляют в виде тонкой ленты) сочетают высокие магнитные свойства с хорошими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, температурной и деформационной стабильностью. Ферриты и магнитодиэлектрики характеризуются сравнительно небольшими значениями магнитных характеристик (начальная магнитная восприимчивость mн = 5.104 - 2.104, Bs = 0,3-0,5 Тл, Hс = 3.103 А/м) и высоким удельным электрическим сопротивлением (r ~ 1014 Ом.м). Магнитные и электрические свойства ферритов можно регулировать изменением хим. состава, режимов спекания и термообработки.