PLASMA-SPRAYED MAGNETIC DIELECTRIC

Аннотация

The paper presents the results of studies of formation of coatings on the basis of mechanical mixture of amorphous alloy powders Co5 8Ni 10Fe 5B1 6Si 11 and fused corundum Al 2O 3. Morphology is studied, X-ray analysis of coatings is made, electrical and magnetic properties of sputtered magnetic dielectrics with various degrees of ferromagnetic filling and different porosity are considered.

Толық мәтін

Применение в современной радиоэлектронике магнитодиэлектрических материалов обусловлено выгодным сочетанием и особенностями их электрических, магнитных и механических характеристик. Так, по сравнению с массивными ферромагнитными сплавами, магнитодиэлектрики имеют более высокое удельное электросопротивление, низкие потери на вихревые токи, повышенные механические свойства (твердость, износостойкость) [1]. Существующие способы изготовления магнитодиэлектриков сводятся к получению исходного порошка заданной формы и дисперсности, его последующей обработке, приготовлению смеси с каким-либо связующим компонентом (эпоксидные и формальде-гидные смолы, полистирол, резина) и формованию. Свойства полученных таким образом изделий определяются не только выбором исходного ферромагнитного сплава, но и микроструктурой материала, наличием пор, трещин, окисных пленок на поверхности частиц и их анизотропией. В настоящее время особое внимание уделяется исследованию технологии изготовления и свойствам магнитодиэлектриков, изготовленных из порошков и лент аморфных сплавов. В сравнении с традиционными промышленными образцами магнитодиэлектрики на основе аморфных сплавов обладают более высокими магнитными характеристиками (Ms, Цо, Hc), меньшими потерями на перемагничивание, повышенной рабочей частотой и лучшей коррозионной стойкостью. Однако присутствие в магнитодиэлектриках органической связки и ее старение в процессе эксплуатации, особенно при вибрациях, повышенных температурах и радиационном воздействии, приводит к ухудшению их эксплуатационных характеристик, снижению надежности и ограничению области применения. Устранить указанные недостатки и более полно использовать свойства исходных аморфных сплавов можно путем применения технологии плазменного напыления. Так, напыление магнитодиэлектриков с последовательным чередованием магнитных и диэлектрических слоев либо напыление из композиций магнитных и диэлектрических (например, керамики Л120з) материалов должно обеспечить необходимое сочетание магнитных и электрических характеристик при высокой механической прочности. Для повышения плотности и однородности плазмонапыленного покрытия авторами разработан способ плазменного напыления [2; 3], схема которого представлена на рис. 1. I/ [Image] Рис. 1. Схема процесса формирования слоя магнитодиэлектрика Основой способа является специально разработанная оригинальная конструкция плазмотрона 1 [4] с газодинамическим соплом, сформированным кольцевым каналом у среза сопла-анода. При подаче технологического газа - водорода - в кольцевой канал формируется высокотемпературный цилиндрический поток 2, охватывающий плазменную струю. В результате их взаимодействия температура и скорость расплавляемых частиц выравнивается по сечению плазменной струи. Напыление покрытия 3 осуществлялось на плоскую подложку 4, выполненную из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 2 мм, охлаждаемую снизу водой, установленную на дистанции L от среза сопла плазмотрона. Порошок транспортирующим газом гелием подавался в плазмотрон, нагревался в плазменной струе 5 до температуры плавления и со скоростью, близкой к скорости плазменной струи (~300 м/с), переносился к поверхности подложки. При этом расходы плазмообразующего и транспортирующих газов выбирались из условия стабильной работы плазмотрона и максимального коэффициента использования порошка. Напыление осуществляется сканированием плазменной струей по поверхности напыляемой детали за счет возвратно-поступательного движения плазмотрона со скоростью V и смещением подложки на шаг сканирования S. Рассмотрим электрические и магнитные свойства магнитодиэлектриков с различной степенью ферромагнитного заполнения и разной пористостью [5]. Исследуемые образцы вырезались из отделенных от охлаждаемой основы покрытий. Компонентами композиции магнитодиэлектрика являлись порошки аморфного сплава Co58Ni10Fe5B16Si11 и электрокорунда Al2O3. Выбор соединения Al2O3 в качестве диэлектрика определялся тем, что, с одной стороны, этот материал имеет высокие диэлектрические параметры, а с другой - характеризуется известной картиной рентгеновской дифракции, что облегчает анализ структурного и фазового состояния синтезированных образцов. Величина удельного электросопротивления образцов определялась по данным измерений, проведенных с использованием четырехзондовой методики [6]. Конечные результаты электрических измерений записывались в сравнении с удельным электросопротивлением исходной аморфной ленты, величина которого составила р0 = 1,4-Ю-6 Ом м. Рентгеноструктурные исследования полученных образцов показали, что они являются многофазными наряду с характерным для аморфного сплава гало с 2©max1 ~ 45° и 2©max2 ~ 80°. Зависимость относительного электросопротивления р/р0 от пористости синтезированных аморфных покрытий приведена на рис. 2. Видно, что величина удельного электросопротивления р с увеличением пористости покрытий возрастает и превышает аналогичное значение р0 для ленты при Р = 17 % более чем в 50 раз. ‘Р/Рп - .и.--- д % 1 1 1 0 5 10 15 20 Рис. 2. Относительное изменение удельного электросопротивления р/р0 образцов с различной пористостью: х - с дисперсностью порошка 60.. .100 мкм; о - с дисперсностью менее 40 мкм Поскольку напыленное покрытие представляет собой слоистую систему с деформированными частицами аморфного сплава, порами и межчастичными прослойками (рис. 3), то естественно связать наблюдаемое повышение удельного электросопротивления исследуемых образцов с их микроструктурой. Очевидно, что основное влияние на электрические характеристики, особенно при малой пористости Р, оказывают узкие щелевые поры между поверхностями частиц и окисные межчастичные границы. С возрастанием роли этих факторов можно связать и наблюдаемое повышение удельного электросопротивления покрытий при уменьшении дисперсности напыляемых порошков. [Image] а б Рис. 3. Микрошлиф покрытия: а - 8 % Al2O3, увеличение *650; б - 40 % Al2O3, увеличение *650 Характерной особенностью исследуемых образцов являлась анизотропия их электрических свойств. Удельные электросопротивления образцов вдоль плоскости напыления и нормально к ней отличаются в среднем в 2-2,5 раза. С увеличением пористости эта разница уменьшается и при Р > 10 % практически полностью исчезает. Анизотропию электрических свойств можно объяснить наличием в напыленных образцах текстуры. Влияние диэлектрических добавок Al2O3 на величину удельного электросопротивления композиций «аморфный ферромагнетик - диэлектрик» показано на рис. 4. Видно, что эта зависимость является нелинейной и характеризуется резким возрастанием отношения р/р0 при содержании Al2O3 большем 20-25 %. Дальнейшее повышение весовой доли Al2O3 до 50 % приводит к увеличению удельного электросопротивления магни-тодиэлектрика почти на пять порядков. При одинаковом ферромагнитном заполнении удельная электропроводимость пористых образцов оказалась выше, чем у композиционных (рис. 2, 4). Кроме того, диэлектрические добавки Al2O3, вплоть до 10 %, оказывают слабое влияние на величину р/р0. Это можно связать с особенностями микроструктуры напыленных магнитодиэлектриков, в которых диэлектрические добавки присутствуют в виде частиц и не рассредоточены по межчастичным границам (см. рис. 3). [Image] 0 Ю 20 30 W 50 Рис. 4. Относительное изменение удельного электросопротивления магнитодиэлектрика в зависимости от весовой доли Al2O3 В работе [7] обсуждалось влияние ферромагнитного заполнения на некоторые магнитные свойства магнитодиэлектриков, в частности, на величину магнитной проницаемости и коэрцитивной силы. Рассмотрим характер изменения основных магнитных параметров материала, таких как намагниченность насыщения Ms, постоянная обменного взаимодействия а, температура Кюри Тс. Зависимости указанных величин от содержания в исследуемых образцах диэлектрической фазы Al2O3 приведены на рис. 5. Как и следовало ожидать, намагниченность насыщения Ms с увеличением доли диэлектрика уменьшалась практически линейно и составила 238 Гс при 50 % Al2O3. В то же время намагниченность, отнесенная к единице массы аморфного ферромагнетика, оставалась постоянной (кривая D), что указывает на неизменность его химического состава при плазменном напылении. Что касается постоянной обменного взаимодействия а и температуры Кюри Тс, то влияния на их значения добавок Л1203 в рассматриваемой области концентраций обнаружено не было. Это свидетельствует о том, что в процессе изготовления магнитодиэлектрика изменений ближнего порядка ферромагнитной фазы не происходит. Ход кривых удельного электросопротивления р и намагниченности насыщения Ms напыленных магнитодиэлектриков в зависимости от содержания Л1203 совершенно различен (см. рис. 4, 5). Это дает возможность определить такие концентрации диэлектрика, при которых достигается необходимое сочетание магнитных и электрических характеристик. Так, например, при концентрации Л1203, равной 40 %, намагниченность насыщения уменьшается в 1,5 раза, в то время как удельное электросопротивление магнитодиэлектрика возрастает более чем на три порядка. n/W [Image] ю1 1сР ю3 1(У' ю5 Рис. 6. Частотная зависимость относительной магнитной проницаемости (Н ~ 1 А/м): а - исходная лента; б - напыленное покрытие; в - магнитоди-электрик [Image] Рис. 5. Зависимости намагниченности (- •), удельной намагниченности (- °), температуры Кюри Тс и спин-волновой жесткости D от весовой доли Л1203 Значительный интерес для практического применения представляют магнитные спектры магнитодиэлектриков. Частотные зависимости магнитной проницаемости ленты, напыленного покрытия (пористостью 8 %) и магнитодиэлектрика (30 % Л1203), изготовленных из сплава Co58Nii0Fe5Bi6Sin, приведены на рис. 6. По сравнению с исходной лентой, частотный спад магнитной проницаемости напыленных материалов существенно меньше. Это подтверждает принципиальную возможность изготовления методом плазменного напыления магнитодиэлектриков с повышенным диапазоном рабочих частот. На основании полученных результатов исследований выявлены морфология плазмонапыленных покрытий магнитодтэлектриков, структура, магнитные и электрические свойства в зависимости от степени ферромагнитного заполнения и пористости. Установлено следующее: - напыленное покрытие представляет собой слоистую систему с деформированными частицами аморфного сплава, порами и межчастичными прослойками; - величина удельного электросопротивления р с увеличением пористости покрытий возрастает и превышает аналогичное значение р0 для ленты при Р = 17 % более чем в 50 раз; удельные электросопротивления образцов вдоль плоскости напыления и нормально к ней отличаются в среднем в 2-2,5 раза; - зависимость удельного электросопротивления композиций «аморфный ферромагнетик - диэлектрик» является нелинейной и характеризуется резким возрастанием отношения р/р0 при содержании Л1203 большем 20-25 %, повышение весовой доли Л1203 до 50 % приводит к увеличению удельного электросопротивления магнитодиэлектрика почти на пять порядков; - при одинаковом ферромагнитном заполнении удельная электропроводимость пористых образцов выше, чем у композиционных; - намагниченность насыщения Ms с увеличением доли диэлектрика уменьшается практически линейно и составляет 238 Гс при 50 % Л1203 - зависимости намагниченности насыщения и удельного электросопротивления при различной концентрации диэлектрика позволяют определить необходимое сочетание магнитных и электрических характеристик; - частотный спад магнитной проницаемости напыленных материалов существенно меньше, чем у исходной ленты. Данным методом можно изготавливать покрытия высокочастотных магнитных экранов на поверхностях сложной геометрической формы, а также сердечники и магнитопроводы.