تاريخ موجز للمواد المغناطيسية اللينة

منذ أن أظهر مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي في عام 1831، كان هناك تطور مستمر للمواد المغناطيسية اللينة. كان اختيار فاراداي الطبيعي للمادة الأساسية هو الحديد، الذي يتمتع بأعلى درجة حرارة في الغرفة M_sمن أي عنصر بالإضافة إلى μ كبيرة_r، ومنخفضة إلى حد ما H_c. ومع ذلك، حتى في مادة بسيطة تتكون من عنصر واحد، كان هناك مجال لإجراء تحسينات كبيرة.

تم اكتشاف أن تلدين الحديد لم يحسن خواصه الميكانيكية فحسب، بل قلل أيضًا من قسره من خلال تخفيف الضغط، مما يجعله أكثر ملاءمة للاستخدام في التطبيقات الاستقرائية. سعيًا للحصول على أداء أفضل، بحث العلماء والمهندسون عن طرق لتحسين خصائص الحديد الناعم.

في عام 1900، اخترع روبرت هادفيلد، عالم المعادن من إنجلترا، فولاذ السيليكون غير الموجه عن طريق إضافة ما يصل إلى 3٪ من السيليكون إلى الحديد وزيادة مقاومته الكهربائية (p) مع زيادة أيضًا μ._r. اخترع عالم المعادن الأمريكي نورمان جوس فولاذ السيليكون الموجه نحو الحبيبات في عام 1933 من خلال تعزيز نمو الحبوب على طول الاتجاه البلوري ذي التباين المنخفض، وزيادة μ_r، أبعد من ذلك . حتى اليوم، يمثل الفولاذ السيليكوني (أو الكهربائي) حصة كبيرة من سوق المغناطيس الناعم العالمي بسبب ارتفاع M_sوتكلفة منخفضة نسبيا .

التطبيقات الأكثر شيوعًا لصلب السيليكون هي المحولات واسعة النطاق (فولاذ السيليكون الموجه نحو الحبوب) والآلات الكهربائية (يفضل فولاذ السيليكون غير الموجه الخواص للآلات الدوارة)، حيث يكون سعره الاقتصادي مفيدًا للغاية.

ومع ذلك، منخفضة(-، 0.5 μohm.m) يجعل فولاذ السيليكون ضائعًا عند التردد العالي. في الآونة الأخيرة، طور مصنعو الفولاذ الكهربائي طريقًا لزيادة محتوى السيليكون في صلبهم إلى 6.5% باستخدام عملية ترسيب البخار الكيميائي (CVD). ويتزايد هذا النهجإلى 0.82 μΩ.m ولكنها لا تزال تترك المواد الأخرى كخيارات أفضل لإلكترونيات الطاقة عالية التردد والآلات الكهربائية عالية السرعة الدورانية.

في العقد الأول من القرن العشرين، أجرى غوستاف إلمن في مختبرات بيل تجارب على سبائك الحديد والنيكل واكتشف تركيبة السبائك الدائمة الغنية بالنيكل (78%). الميزة الرئيسية لـ permalloy هي ارتفاعها μ_r، (حتى 100،000). لا تزال سبائك النيكل والحديد تستخدم في بعض التطبيقات الحثية المتخصصة اليوم ولكنها ليست شائعة في إلكترونيات الطاقة والآلات الكهربائية لأنها تحتوي على خسائر عالية في التيار الدوامي، كما أن إضافة النيكل يقلل من M_s. مع إضافة كمية صغيرة من الموليبدينوم (2٪) إلى البرمالوي، يمكن إنتاج مسحوق الموليبرمالوي (MPP). يتم استخدام MPP لتصنيع نوى المسحوق بأقل خسارة.

في أواخر الأربعينيات من القرن العشرين، اخترع جي إل سنوك الفريت الناعم مغناطيسيًا. تعتبر هذه المواد تنافسية بسبب مقاومتها الكهربائية العالية جدًا (10 - 10⁸μohm.m)، مما يجعلها فعالة في قمع خسائر التيار الدوامي.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنه يتم إنتاجها باستخدام تقنيات معالجة السيراميك والمواد الوفيرة، يمكن إنتاج أجزاء الفريت بتكلفة منخفضة جدًا. العالي

والقدرة على تحمل تكاليف الفريت الناعم تحافظ على ارتفاع الطلب على هذه المواد للتطبيقات الاستقرائية، بما في ذلك تلك ذات التردد العالي. وفي الواقع، فإن حصتها في السوق العالمية للمغناطيسات الناعمة تأتي في المرتبة الثانية بعد السيليكون الصلب. إنهم يعانون من انخفاض نسبي في مستوى M_s. (ما يقرب من ربع تلك الموجودة في فولاذ السيليكون)، مما يحد من كثافة الطاقة للعناصر الحثية التي تحتوي على نواة من الفريت.

وفي عام 1967، تم اختراع فئة جديدة من المواد، وهي السبائك غير المتبلورة. بحلول منتصف سبعينيات القرن العشرين، زاد الاهتمام بالسبائك غير المتبلورة المعتمدة على الحديد والكوبالت، وبدأت تجد طريقها إلى التطبيقات. من خلال القضاء على أي أمر بعيد المدى، يتم تقليل الإكراه بشكل كبير في هذه السبائك.

في عام 1988، قام الباحثون في شركة هيتاشي بتضمين إضافات Nb وCu وأضافوا خطوة التلدين لإنتاج السبائك غير المتبلورة لإنتاج بلورات صغيرة ومتباعدة بشكل وثيق من الحديد أو الكوبالت (في حدود 10 نانومتر في القطر) داخل مصفوفة من مادة غير متبلورة. وكان هذا بداية السبائك المغناطيسية اللينة النانوية. أدى تكوين بلورات معدنية انتقالية معزولة إلى تقليل خسائر التيار الدوامي لهذه المواد مقارنة بالسبائك غير المتبلورة. تكتسب كل من السبائك غير المتبلورة والبلورية النانوية حصة سوقية في إلكترونيات الطاقة عالية التردد والآلات الكهربائية اليوم بسبب خسائرها المنخفضة وتنافسيتها._s.

على الرغم من التكلفة الأولية الأعلى من فولاذ السيليكون، إلا أن هذه السبائك المتقدمة يمكن أن تقلل من إجمالي تكاليف عمر إلكترونيات الطاقة والآلات الكهربائية، وذلك بفضل انخفاض الخسائر.

في أوائل التسعينيات، اكتسبت نوى المسحوق (المعروفة أيضًا باسم المركبات المغناطيسية الناعمة أو SMCs) قبولًا في بعض التطبيقات المغناطيسية الناعمة. تجمع هذه المواد بين جزيئات مغناطيسية يتراوح قطرها ما بين 1 إلى 500 جرام تقريبًا، وتغطيها أو تخلطها بمادة عازلة قبل دمجها مع الضغوط العالية (MPa إلى ضغوط GPa).

يمكن أيضًا تطبيق الحرارة أثناء أو بعد التكثيف لتحسين الخواص المغناطيسية. غالبًا ما تكون الجسيمات المغناطيسية عبارة عن مساحيق Fe، ولكنها يمكن أن تتكون أيضًا من سبائك مثل MPP (المذكورة سابقًا)، أو Fe-P، أو Fe-Si، أو Fe-Co. بسبب مرحلة المصفوفة العازلة وغير المغناطيسية، تحتوي هذه المواد على فجوة هوائية موزعة تحد من μ_rإلى نطاق من 100 إلى 500. ومع ذلك، فإن المصفوفة العازلة تعمل أيضًا على تعزيزها

(10^-3إلى 10^-1μohm•m)، مما يقلل من خسائر التيار الدوامي.

يمكن أيضًا ضغط الخلايا الصغيرة والمتوسطة الحجم إلى أشكال هندسية نهائية أكثر تعقيدًا دون الحاجة إلى أي تصنيع آلي (تشكيل الشبكة)، مما قد يقلل تكاليف التصنيع بشكل كبير. إن طبيعتها المتناحية، والتكلفة المنخفضة، والقدرة على تشكيل الأجزاء المعقدة بشكل شبكي، جعلت الشركات الصغيرة والمتوسطة ناجحة إلى حد ما في الآلات الكهربائية الدوارة.

إن التاريخ الموجز للمواد المغناطيسية اللينة الموصوفة أعلاه ليس شاملاً بأي حال من الأحوال. بدلاً من ذلك، هدفنا هو التركيز على المواد التي كانت وستظل قادرة على المنافسة لتصنيع المكونات المغناطيسية الناعمة في إلكترونيات الطاقة عالية التردد والآلات الكهربائية. مقاييس الأداء مثل M_sوالخسارة الأساسية مهمة للغاية. ومع ذلك، نظرًا لضرورة استخدام الأجزاء المغناطيسية الناعمة بكميات كبيرة، فلا يمكن إهمال أهمية التكلفة. لهذا السبب، لا تزال الفريت الناعم مادة أساسية تنافسية في الترددات العالية. ونظرًا لأدائها الممتاز عند الترددات العالية، فإن السبائك غير المتبلورة والبلورية النانوية ستظل بالتأكيد مواد رئيسية. على الرغم من أن الفولاذ السيليكوني لا يزال يشكل غالبية السوق العالمية للمواد المغناطيسية اللينة، إلا أن تطبيقاتها الأساسية تتمثل في المحولات الكبيرة التي تعمل بتردد 50 أو 60 هرتز والآلات الكهربائية ذات سرعة الدوران البطيئة.