Procesul de Realizare a Unui Microfir Utilizat In Ecranarea Electromagnetica

Introducere

Aparitia tehnologiilor de micro-fabricatie si a metodelor de obtinere a firelor, microfirelor si nanofirelor magnetice a lărgit gama de aplicatii, pornind de la ecranarea electromagnetica, la elemente de securizare a produselelor si a documentelor de valoare datorita proprietatilor magnetice si mecanice, de asemenea mai pot fi utilizatea in electronica si inginerie electrica, actuatori, senzori. Tendinta actuală de a utiliza elemente active de dimensiuni din ce in ce mai mici necesită un studiu intens in domeniul micro si nanofirelor magnetice

Materiale magnetice

Materialele magnetice se caracterizează prin stări de magnetizatie. Starea de magnetizatie este generată de miscarea electronilor pe orbită si in jurul axei proprii, precum si de miscarea nucleului in jurul axei proprii, generand momente magnetice orbitale si de spin, a căror sumă reprezintă vectorul momentului magnetic atomic.

Materialele magnetice cu magnetizatie temporară si fară magnetizatie spontană se impart in functie de semnul susceptibitătii magnetice in:

Materiale diamagnetice – susceptibitatea magnetică a acestor materiale este negativă, de valori foarte mici si independentă de temperatură si presiune. Campul magnetic exterior modifică miscarea electronilor, suprapunand peste miscarea orbital o miscare de precesie, generand un moment magnetic indus, care se opune campului magnetic inductor

b) Materiale paramagnetice au susceptibilitatea magnetică pozitivă, de valori relativ reduse si dependentă de campul magnetic, motiv pentru care aceste materiale se numesc si nemagnetice.

In camp magnetic exterior, momentele magnetice elementare se orientează in directia campului, iar la intensităti ridicate ale campului magnetic, apare un proces de saturatie, cand toate momentele s-au orientat in directia campului.

Materialele magnetice, care posedă magnetizatie spontană sunt:

a) Materialele feromagnetice, a caror moment magnetic elementar spontan este rezultatul necompensării momentelor magnetice de spin. Momentele magnetice de spin se orientează paralel pentru minimizarea energiei interactiunilor de schimb dintre atomii invecinati, formand domenii de magnetizare spontană, in care magnetizatia este uniformă si egală cu magnetizatia spontană. Susceptibitatea si permeabilitatea magnetică au valori mari, care depind de campul magnetic aplicat, de temperatură si de solicitările mecanice.

b) Materialele antiferomagnetice si ferimagnetice se caracterizează prin existenta a două subretele magnetice, cu particule care au momente magnetice elementare spontane orientate antiparalel, egale pentru materialele antiferomagnetice si inegale pentru cele ferimagnetice.

Materiale magnetice amorfe

Solidul amorf este materialul macroscopic izotrop in care pozitiile atomilor nu prezintă ordine de rază lungă sau periodicitate cristalină (sau cvasicristalină). Din punct de vedere teoretic, un solid amorf presupune lipsa oricărei ordini locale [1]. O astfel de situatie se poate realiza numai dacă energia de legătură intre atomi sau molecule este mai mică decat energia de agitatie termică. In materialele amorfe există totusi o ordine de rază scurtă, de natură topologică si chimică. Lipsa ordinii atomice de rază lungă, caracteristica principală a materialelor amorfe, determină o asociere unică de proprietăti fizice, de ex: valori ridicate ale rezistivitătii, anizotropie magnetocristalină de rază lungă nulă, omogenitate micro si macro structurală, ductilitate si duritate bune, rezistentă la coroziune. Proprietătile magnetice intrinseci ale materialelor amorfe sunt determinate atat de compozitie cat si de conditiile de obtinere a acestora.

In ultima perioadă, se acordă un interes deosebit materialelor magnetice amorfe atat in ceea ce priveste cercetarea fundamentală cat si cea aplicativă. Aceste structuri furnizează posibilităti interesante pentru crearea unor sisteme noi cu proprietăti magnetice deosebite sau chiar unice [1 – 4]. Materialele magnetice amorfe se pot obtine sub formă de straturi subtiri, benzi, microfire, microfire acoperite cu sticlă, nanofire, pulberi, iar recent si sub formă de materiale masive cu dimensiuni de ordinul milimetrilor [4,5]

Fire magnetice amorfe

Firele magnetice amorfe prezintă un interes deosebit atat pentru cercetările teoretice, cat si pentru posibilele lor aplicatii. Datorită dimensiunilor, proprietătilor specifice si a posibilitătilor multiple de a controla aceste proprietăti si a procesului de obtinere relativ simplu, firele amorfe au numeroase aplicatii ca elemente sensibile pentru senzori de camp magnetic, de curent si de torsiune.

Există două metode de bază pentru obtinerea materialelor magnetice amorfe sub formă de fire. Prima metodă se bazează pe incălzirea aliajului prin inductie peste temperature de topire si apoi ejectarea acestuia intr-un strat de apă aflat pe suprafata interioara a unui disc aflat in miscare circular. Ejectarea se face din tuburi de cuart printr-un orificiu al cărui diametru va determina diametrul firului. Prin această metodă se pot obtine fire amorfe cu diametre de 80-130 μm din diverse aliaje care nu sunt reactive cu mediul de răcire, aceste tipuri de fire sunt cunoscute sub terminologia de fire magnetice amorfe conventionale.

A doua metodă permite obtinerea de fire magnetice amorfe acoperite cu sticlă prin tragerea aliajului topit intr-un capilar de sticlă si racirea bruscă intr-un jet de apă.

Experimentari

Noutatea acestui referat se refera la realizarea de microfire feromagnetice ce pot fi utilizate in ecranarea electromagnetica.

Experimentările au avut în vedere prepararea de probe sub formă de baghete, operație care s-a realizat prin topire în cuptorul cu inducție. Caracteristicile tehnice ale cuptorului Leybold Heraues (figura .1) utilizat sunt următoarele:

Putere: 10 kW

Frecvența medie: 8 kHz

Capacitate maximă șarjă: 4 kg

Mediu de elaborare: vid, Ar, N2, H2

Cuptorul, de tip ISP-1 Leybold – Heraeus, oferă posibilitatea răcirii rapide la solidificare, a aliajelor elaborate, de asemenea, posibilitatea controlului temperaturii aliajului și lucrului în atmosferă neutră (argon, de puritate 99,995 %) sau reducătoare (hidrogen purificat și uscat), la presiune cel mult egală cu 1 atm

Fig. 1 Cuptor Leybold –Heraeus de topire prin inductie, în atmosferă controlată

S-a stabilit o compoziție de aliaje experimentala elaborate sub formă de bagheta din care apoi s-au obținut microfirele.

Tabel 1. Compozitia nominala pentru aliajele studiate

Operatia de elaborare s-a realizat pornind de la elemente metalice pure: Cr, Fe, B, Si si Ni printr-un tratament termic de reducere, realizat timp de 2 ore la temperaturi în intervalul 800 – 850oC în hidrogen. Toate componentele șarjelor au fost curățate în solvenți organici (acetonă), înainte de a fi introduse în creuzetul realizat din masa de ștampare specifică elaborărilor în vid. Turnarea s-a realizat prin procedeul de sucțiune, în tuburi de sticlă, lingourile astfel obținute fiind sub forma de baghete. Pentru toate șarjele, s-a luat în calcul un adaos de ardere de 10 % masice pentru siliciu. Topirea / elaborarea s-a realizat în cuptorul Hereus, cu încălzire prin inducție la 10KHz.

Fig.2 Elaborarea baghetelor folosite la tragerea microfirelor

Caracteristicile de turnare ale șarjelor experimentale, au fost următoarele:

greutatea nominală a șarjei ~ 0,300 Kg

cântărirea compoziției s-a făcut cu balanță de precizie ± 0,01gr

creuzet: de alumină

tragerea baghetelor s-a făcut în tuburi de cuarț de diametrul Ф = 5 mm cu ajutorul unei pompe de vid

elaborarea s-a făcut în aer iar deasupra șarjei s-a purjat în mod continuu argon

Determinarea caracteristicilor magnetice cu ajutorul magnetometrului cu proba vibranta

S-au studiat condițiile de obținere a compozitelor armate cu microfire feromagnetice pentru aplicații in ecranarea electromagnetic.

Masuratorile magnetice au fost realizate cu ajutorul magnetometrului cu proba vibranta Lake Shore 7300

Din figurile 5,6,7,8 se observa ca probele prezinta anizotropie magnetocristalina, ceea ce conduce la ideea ca structura a devenit cristalina.

Tratamentele termice au fost efectuate in scopul de a imbunatatii proprietatile magnetice, a creste inductia de saturatie, ceea ce noi consideram ca va infuenta pozitiv in cresterea abosbtiei electromagnetice.

Determinarea permeabilitatii

Masuratorile au fost efectuate cu ajutorul analizorului de impedanta 4294A (40Hz-110MHz), au fost determinate permeabilitatea magnetica, tangenta unghiului de pierderi si impedanta electrica

Proba avand urmatoarele dimensiuni: diametru exterior 8m, diametru interior 3,2mm, inaltimea 2mm.

In figura de mai sus observam ca permeabilitatea magnetica prezinta o valoare descrescatoare, permeabilitatea magnetica fiind o caracteristica de baza a metrialelor cu proprietati magnetice . Permeabilitatea relativa are la baza doua componente: componenta reala si cea imaginara. Partea reala prezinta caracteristica materialului iar cea imaginara prezinta pierderile prin inductie. Pierderile dielectrice (tangenta) arata pierderile prin caldura

Concluzii

Au fost elaborate o sarja de microfire pe baza de Cr15.97Fe69.34B1,29Si3.34Ni10.06 au fost caracterizate din punct de vedere electric si magnetic. Microfirele au fost supuse unor tratamente termice de recristalizare.

Masuratorile magnetice prezinta o anizotropie magnetocristalina, in concordanta cu tratamentul termic.

Din experimentarile electrice, constanta dielectrica se poate observa ca pierderile dielectrice se datoreaza exclusiv curentilor Focault.

Bibliografie

A. Hubert, R. Schafer, “Magnetic Domains. The analysis of Magnetic Microstructures”,Springer Verlag Berlin Heidelberg, New York (1998).

D. Craik, “Magnetism: Principles and Applications”, John Wiley & Sons, New York (1995).

F. Fiorillo, “Measurements and Characterization of Magnetic Materials”, Elsevier Acadenic Press, The Netherlands (2004)

H. Gavrilă, H. Chiriac, P. Ciureanu, V. IoniŃă, A. Yelon, “Magnetism Tehnic si Aplicat”, Editura Academiei Romane, Bucuresti (2000).

S. Gadea, M. Petrescu, N. Petrescu, “Materiale Metalice Noi – Aliaje Amorfe Solidificate Ultrarapid – Sticle metalice”, Volumul I, Editura StiinŃifică si Enciclopedică, Bucuresti (1988).

V. Ulitovski, Method of continuous fabrication of microwires coated by glass, USSR Patent 128427, 1950.

M. M. Codescu, E. Manta, E. A. Patroi, W. Kappel, I. Zăpodeanu, M. Burlacu, P. Nechita, V. Midoni – Securing element with ferromagnetic microwires, Optoelectronics and Advanced Materials-Rapid Communications (OAM-RC), Vol 4 ISS. 9 2010, pp. 1361 –1365.

Alan Backer, Stuard Dutton, Donald Kelly – Composite Materials for Aircraft Structures

YongWoon Yun · SangWoo Kim · Gwang Yoon Kim · Yoon Bae Kim · Yeo Chun Yun · Kyung Sup Lee “Electromagnetic shielding properties of soft magnetic metal and ferrite composites for application to suppress noise in a radio frequency range” – J Electroceram (2006) 17:467–469

Experimental Analysis of Reversible Processes in Soft Magnetic Materials – V. Basso, M. Lo Bue, and G. Bertotti IEN Galileo Ferraris and GNSM-INFM, Corso M. d'keglio 42,I-10125 Torino, Italy

White, D.R.J.: Electromagnetic Shielding Materials and Properties. Don White Consultants, Inc., 1980

Novel Applications of Ferrites – “Raul Valenzuela – Universidad Nacional Autonoma de Mexico”

V. Rodionova et. al.,, Magnetostatic interaction of glass-coated magnetic microwires, Journal of Applied Physics, vol. 108 Issue: 1, 2010, 016103-4