Создание эффективных систем электромагнитной защиты на основе магнитомягких аморфных и нанокристаллических сплавов Co и Fe тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Кузнецов, Павел Алексеевич

• Кузнецов, Павел Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Павел Алексеевич

4

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИТОМЯГКИХ СПЛАВОВ И СОЗДАНИЕ НА ИХ ОСНОВЕ НОВЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

1.1. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы

1.2. Приборное и методическое обеспечение исследований структуры нанокристаллических материалов

13. Нормативные документы, регламентирующие защиту от электромагнитного излучения. Электромагнитная совместимость.

1.4. Радиопоглощающие материалы

1.5. Материалы для экранирования магнитных полей промышленной частоты

1.6. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материалы

2.2. Разработка метода контроля лент аморфных сплавов на основе системы плоских катушек

2.3. Разработка метода выходного контроля экранирующих материалов в катушке поля

2.4. Метод атомно-силовой микроскопии

2.5. Метод универсальной дезинтеграторно-активаторной обработки для получения порошков

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 100 — 10000 МГЦ

3.1. Морфологический анализ порошков, полученных методом УДА обработки лент нанокристалличских сплавов

3.2. Кинетика кристаллизации лент и порошков нанокристаллических сплавов

3.2.1. Рентгеновский метод

3.2.2. Атомно-силовая микроскопия

3.3. Влияние структуры порошков на свойства композиционных материалов

3.3.1. Магнитные свойства

3.3.2. Диэлектрические свойства

3.4. Влияние дисперсности порошка и его структуры на радиопоглощающие характеристики

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ (50 ГЦ)

4.1. Эффективность экранирования лент аморфных сплавов в состоянии поставки

4.2. Влияние термообработки на экранирующие свойства и структуру лент аморфных сплавов

4.3. Разработка конструкции магнитного экрана

4.4. Зависимость эффективности экранирования от режимов термообработки аморфных сплавов

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

5.1. Радиопоглощающие материалы для защиты от электромагнитных полей

5.2 Экраны для защиты от статических и переменных магнитных полей ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание эффективных систем электромагнитной защиты на основе магнитомягких аморфных и нанокристаллических сплавов Co и Fe»

Разработка новых материалов и технологий их получения является объективной необходимостью технического и социального развития общества. Без них невозможно представить существенные достижения ни в одном из важных направлений науки и техники. Традиционные кристаллические материалы к настоящему времени практически достигли предела своих физико-механических и эксплуатационных свойств. Поэтому в последние годы отмечается быстрый рост научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу материалов с аморфной и нанокристаллической структурой. Для развития работ в этом направлении в настоящее время Президентом РФ утверждено приоритетное направление развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Индустрия наносистем и материалы» и соответствующая критическая технология «Нанотехнологии и наноматериалы». Реализация разработок этого направления открывает реальные перспективы создания новых видов конкурентоспособной продукции гражданского и двойного применений.

Одной из важнейших проблем является разработка новых более эффективных систем защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона и магнитных полей промышленной частоты, удовлетворяющих современным требованиям директивы совета Европы №89/336 и российских СанПиН и ГОСТов по электромагнитной совместимости (ЭМС) [1]. Без выполнения этих требований невозможна сертификация и соответствующая реализация целого ряда изделий.

Применение защитных материалов и покрытий с целью снижения взаимного влияния радиокомпонентов, улучшения электромагнитной совместимости различных систем, а также экологических условий окружающей среды [2] является важнейшим направлением развития техники на современном этапе.

Для создания систем электромагнитной защиты наиболее распространенными материалами являются ферриты и кристаллические сплавы на основе железа (пермаллои, альсиферы). Анализ современных тенденций показывает, что по совокупности магнитных свойств имеется реальная перспектива замены этих материалов аморфными и нанокристаллическими магнитомягкими сплавами.

Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию структуры и магнитных свойств аморфных и нанокристалличекских сплавов, в литературе отсутствуют четкие рекомендации по их использованию в системах электромагнитной защиты. Это связано, в первую очередь, с тем, что недостаточно изучены зависимости эффективности защиты от магнитных и структурных характеристик аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов. Недостаточно ясными являются также режимы оптимизации свойств аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов и технологические режимы получения на их основе систем электромагнитной защиты для каждого конкретного случая применения. Существенным является и отсутствие простых измерительных систем, позволяющих эффективно оценивать возможность применения аморфных и нанокристаллических сплавов в системах электромагнитной защиты.

Все это сдерживает создание, широкое внедрение и коммерциализацию эффективных систем электромагнитной защиты.

Кроме этого, недостаточно изучены физико-химические и технологические особенности аморфных магнитомягких материалов при создании систем электромагнитной защиты. Существует возможность оптимизации свойств магнитомягких материалов и технологических режимов получения систем электромагнитной защиты для каждого конкретного случая применения.

Практика показывает, что для изготовления защитного материала необходимо проводить работы, как по оптимизации свойств его компонентов, так и по оптимизации конструкции. При этом считается, что в готовом материале 60% свойств обеспечивается характеристиками компонентов, а 40% — конструкцией.

В работе проводится как оптимизация магнитных свойств аморфных и нанокристаллических материалов, так и конструкций систем электромагнитной защиты.

Цель настоящей работы заключается в создании на основе аморфных (Со-Ре-№-81-В) и нанокристаллических (Ре-Си-№>-8ьВ) магнитомягких сплавов эффективных систем защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона и магнитных полей промышленной частоты.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

В части создания систем защиты от электромагнитных полей частотой 100-10000 МГц:

1. Определение основных характеристик материала, влияющих на эффективность защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона.

2. Выявление закономерностей изменения структуры нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР при различных режимах термической обработки.

3. Разработка новых методов выявления и идентификации нанокристаллов в аморфной матрице при низкотемпературной обработке.

4. Изучение влияния фракционного состава, объемного содержания и нанокристаллической структуры порошка-наполнителя в магнитодиэлектрическом композите на высокочастотные магнитные и диэлектрические свойства.

5. Разработка конструкции и способа получения эффективной системы защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона.

В части создания систем защиты от магнитных полей промышленной частоты 50 Гц:

6. Определение основных магнитных характеристик материала, влияющих на эффективность защиты от магнитных полей промышленной частоты.

7. Разработка систем входного и выходного контроля экранирующих свойств аморфных сплавов.

8. Выявление закономерностей изменения структуры аморфных сплавов АМАГ-172 и 71КНСР при термической обработке и влияние этих изменений на их экранирующие характеристики.

9. Разработка конструкции и способа получения эффективной системы защиты от магнитных полей промышленной частоты.

Научная новизна данной диссертационной работы состоит в следующем:

1. Установлены основные характеристики нанокристаллических и аморфных магнитомягких материалов, определяющие эффективность защиты от электромагнитных полей и магнитных полей промышленной частоты.

2. Разработан новый метод на основе атомно-силовой микроскопии, позволяющий выявлять и идентифицировать нанокристаллы в аморфных сплавах.

3. Установлено влияние фракционного состава, режимов термообработки и объемного содержания порошков на магнитные и диэлектрические свойства магнитодиэлектрических композитов. Предложена модель нанокристаллической структуры порошкового материала.

4. Установлены связи между размером и объемным содержанием нанокристаллов в аморфной матрице порошка-наполнителя и высокочастотными магнитными свойствами магнитодиэлектрических композитов.

5. Разработана конструкция и способ получения системы защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона.

6. Разработана система входного и выходного контроля экранирующих свойств аморфных сплавов на основе плоских катушек и катушки поля.

7. Определены связи статических магнитных и экранирующих свойств аморфных магнитомягких сплавов в исходном и термообработанном состоянии.

8. Определены основные закономерности изменения структуры аморфных магнитомягких сплавов при термообработке и их связь с экранирующими свойствами.

9. Разработана конструкция и способ получения магнитного экрана.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее научные результаты позволили:

1. Изготовить радиопоглощающие покрытия с уровнем отражения минус 10 дБ и менее в диапазоне частот от 700 до 4000 МГц.

2. Разработать, провести комплексные испытания и изготовить опытную-партию комплектов одежды для защиты сварщиков и обслуживающего, персонала от статических и переменных магнитных полей частотой 50 Гц и напряженностью до 1000 А/м с уровнем экранирования не менее 20.

3. Разработать конструкцию, изготовить и испытать опытный образец экрана силового кабеля для снижения магнитных полей частотой 50 Гц и напряженностью до 120 А/м с уровнем экранирования до 500 раз.

4. Разработать конструкции экранов магнитных полей для защиты чувствительных элементов навигационных комплексов в полях до 400 А/м с уровнем экранирования 10-15.

Полученные результаты могут быть использованы также для:

5. Оптимизации режимов получения лент аморфных сплавов на основе Со-Ре-М-БиВ и Ре-Си-МЬ-Б^В в условиях промышленного производства и разработки технологии изготовления защитных материалов на их основе.

6. Выбора режимов получения магнитодиэлектрических композитов с высокими высокочастотными магнитными свойствами для разработки новых многослойных конструкций радиопоглощающих материалов эффективных в диапазоне частот 30 - 10000 МГц.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Переход из аморфного состояния в нанокристаллическое приводит к увеличению магнитной проницаемости магнитодиэлектрических композитов в 1,5-2 раза в диапазоне частот 100 - 1000 МГц. Высокочастотные магнитные свойства магнитодиэлектрических композитов определяются размером и объемным содержанием нанокристаллов а-(Ре, в аморфной матрице сплава Ре-Си-МЬ-БиВ (АМАГ-200 и 5БДСР) при условии постоянства объемного содержания порошка-наполнителя в композите. Достижение высоких магнитных свойств в аморфной матрице обеспечивается при концентрации 0,9 -1,6-10"5 1/нм3 наночастиц на единицу объема.

2. Модель нанокристаллической структуры порошков сплавов АМАГ-200 и 5БДСР, основанная на градиентном распределении размеров нанокристаллов по объему. Поверхностные слои порошка содержат нанокристаллы больших размеров, чем внутренние слои, а их объемное содержание меньше, чем во внутренних слоях.

3. Эффективность экранирования магнитного поля определяется величиной начальной магнитной проницаемости аморфных сплавов на основе кобальта. Коэффициент экранирования более 150 достигается при значении начальной магнитной проницаемости не менее 10000, что обеспечивается сплавом АМАГ-172 при термической обработке 400 °С в течение 5-10 мин.

4. Новая конструкция и способ получения магнитного экрана из лент аморфных сплавов. Расположение лент внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты и фиксация их относительно друг друга с помощью эластичного материала обеспечивает 100 % сплошность магнитного экрана, чем достигается повышение коэффициента экранирования магнитных полей.

Ниже приводится аннотированное изложение диссертации по главам. Первая глава посвящена анализу современного состояния разработок и исследований свойств аморфных и нанокристаллических сплавов. Показана перспективность использования сплавов с аморфной и нанокристаллической структурой для изготовления систем электромагнитной защиты. Определены основные характеристики материалов, влияющие на эффективность систем электромагнитной защиты.

Во второй главе приводятся описания материалов, перспективных для изготовления систем электромагнитной защиты, и методики их исследования. Выбраны ленты аморфных сплавов на основе кобальта: АМАГ-172, АМАГ-170, 84КХСР, 71КНСР и нанокристаллических сплавов на основе железа: АМАГ-200 и 5БДСР, изготовленных на российских предприятиях в условиях промышленного производства.

Разработаны две измерительные системы: на основе плоских катушек для оперативного контроля экранирующих свойств лент аморфных сплавов; на основе катушки поля для контроля экранирующих свойств магнитных экранов из лент аморфных сплавов. Показана возможность применения метода атомно-силовой микроскопии для выявления и идентификации нанокристаллов на поверхности аморфных сплавов.

Для получения порошков заданного фракционного состава использована ударная дезинтеграторная технология получения порошков из лент аморфных сплавов.

Третья глава посвящена исследованию лент и порошков нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР. Проведен морфологический анализ порошков нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР, полученных методом дезинтеграторно-активаторного размола. Рассмотрены механизмы образования порошков различных фракций. Показано, что при дезинтеграторном размоле уменьшение размеров частиц порошка сопровождается частичным переходом в нанокристаллическое состояние.

Исследованы процессы перехода структуры лент и порошков из аморфной в нанокристаллическую при термообработке с привлечением как традиционного метода рентгеновской дифракции, так и разработанного метода атомно-силовой микроскопии. Показано, что по сравнению с лентой, которая может рассматриваться в качестве базы сравнения, порошки различных фракционных составов и полученные по различным технологическим режимам кристаллизуются по-разному. Полученные данные объясняются влиянием остаточных напряжений и развитием процессов частичной кристаллизации в порошках.

Изучено влияние фракционного состава порошка-наполнителя на высокочастотные магнитные и диэлектрические свойства магнитодиэлекгрических композитов. Показано, что магнитная проницаемость в большей степени определяется нанокристаллической структурой и в меньшей — размером частиц порошка. Диэлектрическая проницаемость в большей степени определяется размером частиц порошка и в меньшей — нанокристаллической структурой. Полученные данные объясняются тем, что магнитные свойства магнитодиэлекгрических композитов, в основном, определяются не смещением границ доменов, а вращением векторов намагниченности нанокристаллов а-(Ре, 81). Максимальные магнитные свойства достигаются при определенной концентрации нанокристаллов в аморфной матрице.

На основе полученных в процессе исследований данных проведены расчеты коэффициентов отражения исследованных материалов. Для изготовления радиопоглощающего материала с уровнем отражения минус ЮдБ и менее и толщиной 8 мм и менее порошки сплавов необходимо термообрабатывать при температуре 490 °С в течение 30 мин. На основе этого режима термообработки изготовлены образцы радиопоглощающих материалов. Способ их изготовления и результаты испытаний описаны в главе 5.

Четвертая глава посвящена исследованию аморфных сплавов на основе кобальта: АМАГ-170, АМАГ-172, 84КХСР, 71КНСР.

На основе аморфных сплавов АМАГ-172 и АМАГ-170, принадлежащих различным режимам получения, показано, что экранирующие свойства лент, определенные в системе плоских катушек, в большей степени определяются начальной магнитной проницаемостью. Достижение коэффициента экранирования более 200 возможно при значениях начальной магнитной проницаемости не ниже 10000.

Серия термообработок в интервале температур 300 - 490 °С показала, что для повышения коэффициентов экранирования в 3 и более раз наиболее оптимально термообрабатывать ленты при температуре 400 °С в течение 5 — 10 мин. Все образцы термообработанных лент являлись рентгеноаморфными. Это позволило в ходе работы анализировать ширину «гало» и использовать полученные результаты для оценки степени аморфности материала. Показано, что при термообработке при температурах 100 °С и 300°С в течение 30 - 60 мин приводит к уменьшению ширины «гало», что можно связать с процессами химического и топологического упорядочения в аморфном сплаве. При увеличении температуры термической обработки до 400°С и временах выдержки 5 и 10 мин ширина «гало» увеличивается. Это увеличение объясняется тем, что на фоне «гало» появляется сильно размытый пик от нанокристаллической фазы, неопределяемой рентгеновским методом. При дальнейшем увеличении температуры вклад этого пика в «гало» становится больше, а сам пик становится уже, что и приводит к уменьшению ширины «гало». Проведенные исследования подтверждают правильность выбора режима термообработки лент аморфных сплавов для получения на порядок более высоких экранирующих свойств, чем в исходных нетермообработанных лентах.

С учетом того, что ленты сами по себе являются только исходным сырьем для изготовления экранов, рассмотрены существующие конструкции магнитных экранов из лент аморфных сплавов. Определены их преимущества и недостатки.

На основе рассмотренных аналогов и прототипов разработан и запатентован магнитный экран, отличающийся от известных аналогов тем, что аморфные ленты расположены внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты и зафиксированы относительно друг друга с помощью эластичного материала.

Разработанная конструкция экрана является базовой, что позволило провести исследования влияния температуры обработки и количества слоев экрана на экранирующие свойства. Показано, что изготовленные по разработанной конструкции магнитные экраны из лент аморфных сплавов АМАГ-172, 71КНСР, 2НСР, термообработанных по режиму 400 °С в течение 10 мин обладают макимальными экранирующими свойствами. Коэффициент экранирования в таких сплавах достигает 100 и более. Наилучшими экранирующими свойствами обладает аморфный сплав на основе кобальта АМАГ-172.

Сочетание экрана из сплава АМАГ-172 с экраном из сплава 2НСР, обладающего высокой индукцией насыщения, позволяет увеличить коэффициент экранирования до 200 и более. Требуемый уровень магнитного поля 0,5 мкТл внутри такого экрана достигается в полях до 100 мкТл, что в 20 раз выше, чем для экрана из сплава Укгоуас 6025.

На основе выбранного режима термообработки и конструкции экрана изготовлены образцы защитных изделий. Способ их изготовления и результаты испытаний описаны в главе 5.

В пятой главе на основе проведенных исследований разработаны технологии получения радиопоглощающих материалов (РПМ) в диапазоне электромагнитных полей и магнитных экранов в диапазоне полей промышленной частоты.

На процесс изготовления РПМ материалов с коэффициентом отражения минус 10 дБ в диапазоне частот 700 - 4000 МГц и толщиной менее 8 мм разработаны технические условия ТУ 38Л405-365-2004 «Пластины резиновые радиопоглощающие «Лист-У-10», «Лист-У-15» и «Лист-У-30»».

Пластины «Лист-У-10» изготовлены из порошка фракцией менее 50 мкм, полученного из исходной ленты, имеют толщину 4 мм и уровень отражения минус

10 дБ и менее в диапазоне частот 2-4 ГГц. Пластины «Лист-У-15» изготовлены из порошка фракцией менее 50 мкм, полученного из термообработанной ленты, имеют толщину 6 мм и уровень отражения минус 10 дБ и менее в диапазоне частот 1,2 - 2,3 ГГц. Пластины «Лист-У-30» изготовлены из порошка фракцией от 100 до 50 мкм, полученного из исходной ленты, имеют толщину 8 мм и уровень отражения минус 10 дБ и менее в диапазоне частот 0,7 - 1,5 ГТц.

Разработан и запатентован способ получения магнитных экранов из лент аморфных сплавов.

Разработанные конструкции магнитных экранов от постоянных и переменных магнитных полей частотой 50 Гц использованы при изготовлении защитной одежды и в силовых кабелях. Испытания показали, что при экранировании изготовленной защитной одеждой магнитного поля индукцией 1000 мкТл, создаваемого работающим сварочным аппаратом, удается добиться снижения магнитного поля более чем в 10 раз и тем самым существенно уменьшить вредное влияние магнитного поля на тело человека. Использование разработанных экранов при экранировании магнитных полей силовых кабелей позволяет добиться снижения поля индукцией 100 мкТл до 500 раз и тем самым уменьшить расстояние до кабеля, при котором возможно нахождение обслуживающего персонала и чувствительного электронного оборудования.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Кузнецов, Павел Алексеевич

Выводы

Обосновано применение аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов для создания систем защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона и магнитных полей промышленной частоты.

В части создания систем защиты от электромагнитных полей:

1. Выявлены закономерности изменения структуры нанокристаллических сплавов АМАГ-200 и 5БДСР при их термообработке. Дисперсность порошка и способ его получения дезинтеграторно-активаторным размолом оказывают существенное влияние на процессы кристаллизации. По сравнению с исходной лентой, уменьшение фракционного состава порошка приводит к увеличению скорости кристаллизации. Самый мелкий порошок фракции менее 50 мкм уже в процессе получения частично кристаллизуется. Порошок, полученный из предварительно термообработанной ленты, в которой сняты закалочные напряжения, кристаллизуется медленнее ленты. Порошок, полученный из предварительно термообработанной ленты, в которой сняты закалочные напряжения и начаты процессы кристаллизации, кристаллизуется быстрее ленты.

Установлено, что увеличение объемного содержания нанокристаллов при термообработке происходит за счет увеличения их количества, что подтверждается соответствующими расчетами концентрации.

2. Разработан новый метод на основе атомно-силового микроскопа «НАНОСКАН», позволяющий выявлять и идентифицировать образование нанокристаллов на поверхности аморфных сплавов. Чувствительность метода выше, чем у метода рентгеновской дифракции. С помощью этого метода уже при низкотемпературной обработке лент аморфного сплава фиксируется образование нанокристаллов размером 40 нм и объемным содержанием 5 %, что не обнаруживается рентгеновским методом.

3. Зависимость магнитной и диэлектрической проницаемости от объемного содержания порошка в композите имеет экспоненциальный характер.

Для достижения высоких магнитных свойств в композиционных материалах порошок-наполнитель должен обладать определенной нанокристаллической структурой - в нем должна быть обеспечена концентрация наночастиц а-(Ре, БО в пределах от 0,9 до 1,6-10"5 1/нм3.

4. Предложена модель нанокристаллической структуры порошков сплавов АМАГ-200 и 5БДСР, основанная на градиентном распределении размеров нанокристаллов по объему частиц порошка. Экспериментальные исследования порошкового материала позволяют сделать вывод, что поверхностные слои порошка содержат нанокристаллы больших размеров, чем внутренние слои, а их объемное содержание меньше, чем во внутренних слоях.

Для увеличения высокочастотных магнитных свойств и расширения частотного рабочего диапазона композиционных порошковых материалов необходимо удалять поверхностные слои частиц порошка каким-либо химическим или механическим способом, не вызывающим разогрева порошка до температуры кристаллизации.

5. Проведены расчеты радиопоглощающих характеристик магнитодиэлектрических композитов на основе значений магнитной и диэлектрической проницаемости материалов, полученных при различных режимах термообработки. Для получения радиопоглощающего материала с коэффициентом отражения менее минус 10 дБ, толщиной менее 8 мм и объемным содержанием порошка-наполнителя в композите 35 об % оптимальным режимом термообработки порошка является режим при температуре 490 °С в течение 30 мин.

Разработана технология и выпущены технические условия на процесс получения РПМ на основе порошков нанокристаллического сплава АМАГ-200. Изготовленными РПМ материалами перекрывается диапазон 700 - 4000 МГц. Дальнейшее расширение частотного диапазона и увеличение эффективности экранирования может достигаться за счет создания многослойных конструкций.

В части создания систем защиты от магнитных полей:

6. Разработан новый метод, основанный на плоских катушках, позволяющий эффективно разбраковывать ленты аморфных магнитомягких сплавов по значениям коэффициентов экранирования. Этот метод рекомендуется для> организации выходного контроля в условиях промышленного производства, и. у потребителя при организации входного контроля лент аморфных сплавов.

7. Выявлены закономерности изменения структуры аморфных сплавов 71КНСР и АМАГ-172 при термообработке.

Результаты рентгеноструктурных исследований на двух сплавах 71КНСР и АМАГ-172 показывают, что при температурах 400 — 430 °С и временах выдержки 5 - 10 мин происходит расслоение аморфной структуры на две составляющие: аморфную и нанокристаллическую, что приводит к повышению начальной магнитной проницаемости, а, следовательно, и коэффициента экранирования. Для изготовления магнитных экранов наиболее оптимально обрабатывать ленты аморфных сплавов при температуре 400 °С в течение 5-10 мин.

8. Разработана и запатентована новая конструкция магнитного экрана из лент аморфных сплавов, исключающая образование магнитных «дыр», снижающих эффективность экранирования. В этой конструкции ленты расположены внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты и зафиксированы относительно друг друга с помощью эластичного материала.

9. Изготовленные таким образом магнитные экраны из лент аморфных сплавов АМАГ-172, 71КНСР и 84КХСР, термообработанных при температуре 400 °С и времени изотермической выдержки 10 мин, обладают максимальными экранирующими свойствами. Коэффициент экранирования таких экранов достигает 100 и более. Наилучшими экранирующими свойствами из отечественных сплавов обладает аморфный сплав АМАГ-172.

Показано, что при сочетании экрана из сплава АМАГ-172 с экраном из сплава 2НСР, обладающего большей, чем АМАГ-172, индукцией насыщения, коэффициент экранирования превышает 200.

10. Разработанные магнитные экраны испытаны в реальных условиях эксплуатации при защите от постоянных и переменных магнитных полей частотой 50 Гц.

На опытном производстве ОАО «Севкабель» изготовлены и испытаны образцы экранированного силового кабеля. Использование разработанных экранов при экранировании магнитных полей силовых кабелей позволяет добиться снижения поля до 500 раз и тем самым уменьшить расстояние до кабеля, при котором возможно безопасное нахождение обслуживающего персонала и чувствительного электронного оборудования. Это значительно расширяет области применения такого кабеля в изделиях гражданского применения.

Изготовлены и испытаны комплекты защитной одежды. Использование изготовленной защитной одежды позволяет добиться снижения магнитного поля 1000 мкТл более чем в 10 раз и тем самым существенно уменьшить вредное влияние магнитного поля на человека.

11. Изготовленные материалы могут быть использованы также для решения следующих задач: электромагнитной защиты биологических объектов; защиты от помех и несанкционированного доступа линий связи и РЛС; снижения заметности техники; защиты от электромагнитного оружия и для борьбы с террористической деятельностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Павел Алексеевич, 2005 год

1. B.C. Кармашев Электромагнитная совместимость технических средств // Справочник, М., 2001,401 с, илл.

2. J. Petzold Advantages of softmagnetic nanocrystalline materials for modern electronic applications// J. Magn. Magn. Mater., vol. 242-245, 2002, pp. 84-89.

3. J. Petzold Application of nanocrystalline softmagnetic materials for modern electronic devices // Scripta Materialia, vol. 48, №7, 2003, pp. 895-901.

4. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней O.B. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие. — Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 2000. — 360 с.

5. Метастабильные и неравновесные сплавы / Ефимов Ю.В., Варлимонт Г., Мухин Г.Г. и др./ Под ред. Ефимова Ю.В. — М.: Металлургия, 1988. 383 с.

6. Быстрозакаленные металлы. Сборник научных трудов. Под редакцией Б. Кантора. Перевод с англ. Под редакцией А.Ф. Прошкина. М.: Металлургия, 1983. -472 с.

7. ТУ 14-1-3374-82 ЦНИИЧермет.

8. B.C. Чернов, О.Г. Иванов, А.С. Евтеев, Н.В. Даньшин, Н.Н. Гусева Свойства и применение аморфных сплавов типа АМАГ // Сталь, №6,2001, С. 100 101.

9. Yoshizawa, Y.S. Oguma, К. Yamauchi New Fe-based soft magnetic alloys-composed of ultrafine structure // J. Appl. Phys., 64, 1988, pp. 6044-6046.

10. M.E. McHenry, F.Johnson, H. Okumura, T. Ohkubo, V.R.V. Ramanan, D.E. Laughlin The kinetics of nanocrystallization and microstructural observations in

11. FINEMET, NANOPERM and HITPERM nanocomposite magnetic materials // Scripta Materialia, vol. 48, № 7, 2003, pp.881-887.

12. Edward Delia Torre Problems in physical modeling of magnetic materials // Physica B, vol. 343, 2004, pp. 1 9.

13. G. Herzer Grain structure and magnetism of nanocrystalline ferromagnets // IEEE Transactions on Magnetics, vol. 25, № 5, 1989, pp. 3327 3329.

14. G. Herzer Grain size dependence of coercivity and permeability in nanocristalline ferromagnets // IEEE Transactions on Magnetics, vol. 26, № 5, 1990, pp. 1397 — 1402.

15. В.Г. Шадров, JI.В. Немцевич Нанокристаллические магнитные материалы // Физика и химия обработки материалов, 2002, № 5, с. 50 — 61.

16. A.M. Глезер Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы // Рос. хим. журнал, 2002, т. XLVI, № 5, с. 57-63.

17. Н.И. Носкова Структура, прочность и пластичность нанокристаллических и аморфных материалов // ФММ, 1998, том 86, вып. 2, с. 101 116.

18. И.Б. Кекало, В.Л. Столяров, В.Ю. Цветков Релаксационные процессы и магнитные свойства высококобальтовых сплавов с нулевой магнитострикцией//Аморфные металлические материалы: Сб. статей, М.: Наука. 1984, с.119-126.

19. И.Б. Кекало Влияние состава и условий получения аморфных сплавов на эволюцию их магнитных свойств при отжиге (обзор)// Аморфные (стеклообразные) металлические материалы: Сб. науч. тр., М.: Наука, 1992, С. 107—112.

20. С.К. Kim, W.K. Но, R.C. O'Handley Exchange Coupling and Microstructure in annealed cobalt-rich amorphous alloys// IEEE Trans. On Magn., vol. 31, №3, 1995.

21. M.A. Willard, D.E. Laughlin, M.E. McHenry Structure and magnetic properties of (Feo.5Cooj)88Zr7B4Cui nanocrystalline alloys // Journal of Applied Physics, vol. 84, № 12, December, 1998, pp. 6773 6777.

22. J. Gonzalez, N. Murillo, J.M. Blanco Effect of nanocrystallization on the magnetostriction of Co-based amorphous alloys// IEEE Trans. On Magn., №6, vol. 30, 1994, pp. 4812-4814.

23. Носкова Н.И., Мулюков P.P. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. Екатеринбург. УрО РАН, 2003. - 279 с.

24. Yoshiyuki Naito, Kunihiro Suetake Application of Ferrite to Electromagnetic Wave Absorber and Its Characteristics // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTS-19, No. 1, January, 1971, pp. 65 72.

25. H.M. Musal, Jr. and H.T. Hahn Thin-Layer Electromagnetic Design // IEEE Trans, on Magn., vol. 25, № 5, September, 1989, pp. 3851 3853.

26. Tatsuya Nakamura Snoek's limit in high-frequency permeability of polycrystalline Ni-Zn, Mg-Zn, and Ni-Zn-Cu spinel ferrites // J. of Appl. Physics, vol. 88, № 1, July, 2000, pp. 348-353.

27. J.H. Paterson, R. Devine, A.D.R. Phelps Complex permeability of soft magnetic ferrite/polyester resin composites at frequencies above 1 MHz // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 196 197, 1999, pp. 394 - 396.

28. T. Nakamura, T. Tsutaoka, K. Hatakeyama Frequency dispersion of permeability in ferrite composite materials // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 138, 1994, pp. 319-328.

29. A.H. Иванов, E.B. Шелехов, E.H. Кузьмина Метод Фойгт-аппроксимации для определения параметров наноструктуры по профилю рентгеновских линий // Заводская лаборатория, 70 (11), 2004, С. 29-33.

30. H.B. Чириков, B.B. Савин, E.B. Шелихов Применение коллимации по Кратки в малоугловой рентгеновской камере КРМ-1 для исследования металлических сплавов в стеклообразном состоянии // Заводская лаборатория, т. 49, 1983, № 11, С. 52-54.

31. Номографический расчет размеров областей когерентного рассеяния по уширению дифракционных линий // Заводская лаборатория, т. 49, 1983, № 2, С. 65 -66.

32. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Горелик. С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев JI.H.: Уч. пособие для вузов. — 3-е изд. доп. и перераб. — М.: МИССИС, 1994. 328 с.

33. Siemens DIFFRAC AT FIT software

34. B.JI. Миронов Основы сканирующей зондовой микроскопии. Уч. пособие для вузов. РАН, Институт физики микроструктур, г. Нижний-Новгород, 2004 г., 110 с.

35. В.А. Быков Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхностей // Дисс. на соиск. д.т.н., Москва, НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина, 2000, 393 с.

36. A.B. Нохрин, И.М. Макаров Исследование зеренной структуры нано- и микрокристаллических металлов методом атомно-силовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, т. 68, № 1, 2002, С. 70 79.

37. A.B. Нохрин, И.М. Макаров, Ю.Г. Лопатин Методика исследования зеренной структуры микрокристаллических сверхпластичных алюминиевых сплавов методом атомно-силовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, т. 70, № 12, 2004, С. 25 34.

38. Интернет сайт http://www.mtu-net.ru/nanoscan/applications

39. Высокочастотная электродинамика / Б.З. Каценеленбаум, М.: Наука, 1966 г.

40. Б.Ф. Алимин Современные разработки поглотителей электромагнитных волн и радиопоглощающих материалов//Зарубежная радиоэлектроника, №2, 1989, С.75-82.

41. Б.С. Митин, В.А. Васильев Порошковая металлургия аморфных металлических сплавов // Аморфные металлические материалы: Сб. статей, М.: Наука, 1984, С. 127- 130.

42. А.П. Пурга Некоторые проблемы физических и химических основ дезинтеграторной технологии // Сборник статей, НПО «Дезинтегратор», Таллинн, 1989.

43. А.Г. Алексеев, А.Е. Корнеев Магнитные эластомеры/М.: Химия, 1987. 240 с.

44. R. Lebourgeois, S. Berenguer etc. Analysis of the initial complex permeability versus frequency of soft nanocrystalline ribbons and derived composites // JMMM, vol. 254 255, 2003, pp. 191 - 194.

45. Morihiko Matsumoto and Yoshimori Miyata Thin Electromagnetic Wave Absorber for Quasi-Microwave Band Containing Aligned Thin Magnetic Metal Particles // IEEE Trans, on Magn., vol. 33, № 6, November, 1997, pp. 4459 4464.

46. В.А. Говорков Электрические и магнитные поля / изд. 3-е, перераб. и доп., М.: Энергия, 1968. 488 с.

47. Интернет сайт корпорации «Magnetic Shield Corporation» (США) — http://www.magnetic-shield.com

48. Интернет сайт корпорации «FMS» (США) — http://www.fms-corp.com/home.htm

49. Интернет сайт корпорации «AD-Vance Magnetics» (США) — http://advancemag.com

50. Р.В. Файзуллина, Ю.И. Савченко, Е.И. Шабалин Эффективная разбраковка стали для изготовления магнитных экранов // Сталь, № 1, 1998, С. 69.

51. Flexible electromagnetic shield comprising interlaced glassy alloy filaments // патент США 4126287 от 21.11.1978. Владелец: Allied Chemical Corporation. Изменен: 21.06.1994.

52. Magnetic shielding garment for electro-biologic measurements // патент США 5578359 от 26.11.1996. Владелец: Hewlett-Packard.

53. Magnetic shielding material // Патент США 5045637 от 3.09.1991. Владелец: Nippon Steel Corp.

54. И.И. Кифер Испытания ферромагнитных материалов/М.-Л.: ГЭИ, 1962. — 544с.

55. В.И. Чечерников Магнитные измерения / М.: Изд-во Московского университета, 1963. 285 с.

56. Е.Н. Чечурина, Е.Г. Шрамков Труды метрологических институтов СССР / М.-Л.: Изд-во стандартов, 1971. Вып. 133(193). С. 4 11.

57. Г.С. Корзунин, А.Д. Абрамов Способ измерения магнитных свойств незамкнутых ферромагнитных образцов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 1999, т. 65. № 10, С. 39 40.

58. И.В. Золотухин Физические свойства аморфных металлических материалов. -М.: Металлургия, 1986. 176 с.

59. А.М. Глезер, Б.В. Молотилов Структура и механические свойства аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1988. - 328 с.

60. Шевченко В.Г. Анизотропные явления в полимерных композитах и их электромагнитные следствия: Дисс. в виде научного доклада . д-ра хим. наук: 02.00.06/Институт синтетических и полимерных материалов РАН. -М., 2001. 70 с

61. Андреева А.В. Основы физикохимии и технологии комопзитов. Уч. пособие для вузов. М.: ИПРЖР, 2001.-192 с.

62. Baxes, Gregory A. Digital Image Processing / John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, 1994.

63. T. Kulik, G. Vlasak, R. Zuberek Correlation between microstructure and magnetic properties of amorphous and nanocrystalline Fe73>5CuiNb3Sii6,5B6 // Materials Science and Engineering A, vol. 226-228, 1997, pp. 701 705.

64. Физика металлов и металловедение, 1999, том 88, №1, С. 50 73

65. Т. Naohara The role of Nb in the nanocrystallization of amorphous Fe-Si-B-Nb alloys // Acta mater., vol. 46, № 2, 1998, pp. 397 404.

66. B.B. Маслов, B.K. Носенко и др. Нанокристаллизация в сплавах типа Finemet // ФММ, том 91, № 5,2001, С. 47 55.

67. N. Lecaude, J.C. Perron Nanocrystallization mechanisms in Finemet-type alloys from calorimetric studies // Materials Science and Engineering, A226 228, 1997, pp. 581-585.

68. P. Бозорт Ферромагнетизм / пер. с англ., под ред. Е.И. Кондорского и Б.Г. Лившица. М.: Изд. ин. литературы, 1956 - 784 с.

69. О.Г. Иванов Особенности формирования физических свойств и разработка новых аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта // автореф. дис. на соискание степени канд. технич. наук: 01.04.07 / ОАО «НИИМЭТ». Калуга, 2004.- 16 с.

70. Кузнецов П.А., Фармаковский Б.В. Экранирование магнитных полей аморфными магнитомягкими материалами // IEEE в сб. трудов V Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (ЭМС-2003), 2003 г., С. 92 94.

71. Кузнецов П.А., Аскинази А.Ю., Фармаковский Б.В. Метод оперативного контроля магнитных свойств аморфных магнитомягких материалов с помощью системы плоских катушек // Вопросы материаловедения, № 2(38)г -2004, С. 136-143.

72. РД 5.90.2546-87 Руководящий документ на проведение измерений статических магнитных характеристик магнитомягких сплавов: ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», 1987, 35 с.

73. Патент РФ «Магнитный и электромагнитный экран» / П.А.Кузнецов, Б.В. Фармаковекий, А.Ю. Аекинази, Я.В. Орлова, Т.В. Песков (Россия). — №2004116728; заявл. 01.06.04, положительное решение от 07.12.04.

74. Кузнецов П.А., Аекинази А.Ю., Фармаковекий Б.В. Материалы на основе аморфных магнитомягких сплавов как средство защиты от магнитных полей промышленной частоты // Инновации, №5(72), 2004, С. 90 — 93.

75. Прецизионные сплавы. Справ, изд. под редакцией д.т.н., проф. Б.В. Молотилова. 2-е издание, переработ, и дополн. — М.: Металлургия,1983, 439 с.