Файл: Стабильность свойств ферритов. (Анализ физических свойств при внешних воздействиях, прогнозирование. Элементы проектирования).pdf

СТАБИЛЬНОСТЬ СВОЙСТВ ФЕРРИТОВ

(

- ■

:.Ѵ-

ъ

'

СТАБИЛЬНОСТЬ

СВОЙСТВ ФЕРРИТОВ

(Анализ физических свойств при внешних воздействиях, прогнозирование.

Элементы проектирования)

М о с к в а « С о в е т с к о е р а д ио » 1974

- /

ПРЕДИСЛОВИЕ

Интенсивное внедрение разнообразной радиоэлек­ тронной аппаратуры в различные отрасли народного хо­ зяйства требует обеспечения высокого уровня эксплуа­ тационной надежности и стабильности характеристик выпускаемой аппаратуры. При этом значительные уси­ лия разработчиков радиоэлектронной аппаратуры на­ правлены на создание структурно-надежных систем и высоконадежных элементов радиоэлектронной аппарату­ ры, из которых проектируются и изготавливаются си­ стемы.

Важнейшими моментами при создании надежной ап­ паратуры являются м и к р о м и н и а т ю р и з а ц и я ра­ диоэлектронных систем и использование в них элемен­ тов на ферритах.

В современной аппаратуре ферриты могут использо­ ваться в самых различных рабочих условиях: в полях разной напряженности и частоты, в различных темпера­ турных режимах, при воздействии механических нагру­ зок, радиационного облучения различной интенсивности и т. д. Поэтому к ферритам, выпускаемым в настоящее время промышленностью, предъявляются высокие тре­ бования, учитывающие сложные условия их эксплуата­ ции в радиоэлектронной аппаратуре. Из всей совокупно­ сти этих требований как наиболее важное следует выде­ лить с т а б и л ь н о с т ь электромагнитных параметров ферритов при эксплуатации.

Поскольку надежность радиоэлектронной аппаратуры закладывается на стадии проектирования, то разработ­ чику необходимо располагать количественными данными о теплофизических, механических и других свойствах ферритов, об их временной стабильности при различных условиях эксплуатации. Наличие подобной информации позволяет эффективно решать три основные задачи по­ вышения надежности проектируемой аппаратуры:

— рациональное схемное и конструктивное решение составных частей аппаратуры;

3

—применение в аппаратуре элементов на основе фер­ ритов с необходимыми свойствами;

—выбор оптимальных режимов работы этих эле­ ментов.

Как известно, сведения о стабильности и надежности изделий при воздействии различных эксплуатационных факторов могут быть получены путем наблюдения за работой изделий либо в условиях реальной эксплуата­ ции, либо при лабораторных испытаниях. Однако при реальной эксплуатации далеко не всегда удается опера­ тивно получать нужную и достоверную информацию. Этим объясняется необходимость лабораторных испы­ таний элементов радиоэлектронной аппаратуры с целью определения их временной стабильности, теплофизиче­ ских и механических свойств, показателей работоспособ­ ности, а также для математического моделирования из­ менения свойств изделий при воздействии различных эксплуатационных факторов.

Несмотря на теоретическую и практическую важ­ ность рассматриваемой тематики в литературе по ферри­ там она освещена явно недостаточно, а данные периоди­ ческой печати отрывочны и разрознены.

В настоящей книге содержатся систематизированные материалы по стабильности свойств ферритов, в том чис­ ле и по таким важнейшим вопросам, как влияние иони­ зирующих излучений на свойства ферритов; влияние механических нагрузок на работоспособность ферритов; исследованию теплофизических свойств ферритов; про­ гнозированию изменения свойств ферритов и проектиро­ ванию устройств с учетом этих измерений.

Разработка указанных направлений стала возмож­ ной благодаря проведению различных комплексных ис­ пытаний ферритов и элементов на их основе.

В гл. 1 даются общие сведения о ферритовых изде­ лиях, их назначении и особенностях применения в аппа­ ратуре. Гл. 2 содержит материалы, характеризующие влияние климатических факторов и различных режимов работы на основные параметры ферритовых изделий. В гл. 3 рассматривается влияние механических воздей­ ствий на работоспособность ферритовых изделий. Гл. 4 посвящена результатам исследований теплофизических свойств и анализу тепловых режимов работы ферритов при внешнем разогреве и внутреннем тепловыделении. В гл. 5 излагаются вопросы статистической обработки

4

Г л а в а 1

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРИТОВ В РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕРРИТАХ

Назначение ферритов. Для уменьшения потерь на вих­ ревые токи при работе в области высоких и сверхвы­ соких частот потребовалось создать новые магнитные материалы, обладающие наряду с необходимыми элек­ тромагнитными параметрами малой электропроводно­ стью. К таким материалам относятся ферриты, электри­ ческое сопротивление которых может достигать величины в миллион раз большей, чем у традиционных металли­ ческих ферромагнетиков. Благоприятное сочетание раз­ личных электрических и магнитных свойств явилось сти­ мулом интенсивного изучения ферритов, в результате че­ го появилась возможность использовать их во многих областях радиотехники и электроники. Особенности свойств и поведения ферритов на сверхвысоких частотах, такие как сочетание малой электропроводности и высо­ кой диэлектрической проницаемости, несимметричность тензора магнитной проницаемости и резонансный харак­ тер его зависимости от величины постоянного и частоты переменного магнитных полей, сделали ферриты неза­ менимыми во многих областях техники СВЧ.

Открытие ферритов со спонтанной прямоугольностью петли гистерезиса, позволившее получать сравнительно депіевые и миниатюрные сердечники для элементов за­ поминающих и логических устройств, привело к широко­ му применению ферритов в электронно-вычислительной технике.

Хорошие магнитострикционные свойства в сочетании с высокой механической добротностью в широком диа­ пазоне частот позволяют использовать ферриты в магнитострикционных преобразователях. Магнитожесткие ферриты, имеющие целый ряд преимуществ перед метал­ лическими постоянными магнитами (высокое удельное сопротивление, позволяющее использовать их в полях высокой частоты, возможность создания анизотропного намагничивания и, наконец, почти в два раза меньший

6

удельный вес), широко используются в различных тех­ нических устройствах, начиная от динамических громко­ говорителей и кончая магнитными механическими муф­ тами и амортизаторами.

Магнитная природа и структура ферритов. Ферриты представляют собой двойные окислы, образуемые при соединении окиси железа с окислами одновалентных* двухвалентных или трехвалентных металлов. В связи с тем, что в составе ферритов металлы находятся в хи­ мически связанном состоянии, ферриты практически не имеют свободных носителей тока, что и обусловливает их высокие диэлектрические свойства и малую электро­ проводность. Магнитные свойства ферритов определяют­ ся их кристаллической структурой, от которой зависят различные виды магнитного взаимодействия.

Ферриты — это вещества, в состав которых входят атомы элементов переходных групп. Нескомпенсирован­ ные спины d и f оболочек взаимно ориентируются в кри­ сталлической решетке посредством обменных сил, имею­ щих квантовомеханическую природу. В большинстве случаев обменное взаимодействие в ферритах и антифер­ ромагнетиках приводит к антипараллельной ориента­ ции спинов соседних ионов, в результате чего кристал­ лическая решетка в зависимости от типа своей струк­ туры разбивается на несколько магнитных подрешеток, каждая из которых отличается определенной ориента­ цией спинов. У антиферромагнетиков магнитные момен­ ты отдельных подрешеток полностью компенсируются в отличие от ферритов, которые имеют нескомпенсиро­ ванный магнитный момент, определяющий величину их спонтанной намагниченности насыщения / s. Явление это называется ферримагнетизмом, откуда и произошло на­ звание ферриты.

Кроме обменного взаимодействия, имеющего элек­ тростатическую квантовомеханическую природу, между

ных свойств и магнитострикцип. Соответствующие этим явлениям энергия кристаллографической магнитной ани­ зотропии и магнитоупругая энергия играют существен­ ную роль в образовании и характере доменной структу­ ры ферритов, аналогичной доменной структуре ферро­ магнетиков. Аналогия эта распространяется на процессы

7