Способ получения нанокристаллического магнитного порошка для создания широкополосных радиопоглощающих материалов

Способ получения нанокристаллического магнитного порошка для создания широкополосных радиопоглощающих материалов

Реферат

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения нанокристаллических порошковых материалов для создания эффективных систем электромагнитной защиты на основе радиопоглощающих материалов (РПМ).

На основе традиционных материалов удается обеспечить эффективную защиту в диапазоне частот (3,5-250) ГГц. Современная техника требует существенного расширения этого диапазона до интервала (0,3-300) ГГц, прежде всего, за счет создания новых магнитомягких материалов с высокой магнитной проницаемостью.

Одновременно с расширением диапазона рабочих частот необходимо добиться увеличения коэффициента поглощения электромагнитной энергии. Наиболее перспективными для решения этой комплексной задачи являются нанокристаллические материалы, своеобразная доменная структура которых позволяет добиться расширения рабочих частот при одновременном увеличении коэффициента поглощения.

Известно, что для достижения такой структуры наиболее перспективным является обеспечение нанокристаллических выделений в аморфной матрице, когерентно связанной с основой.

Известны способы получения дисперсного нанокристаллического материала. В частности, в патенте RU №2324576 (опубл. 20.05.2008 г.) описывается нанокристаллический металлический материал и способ его получения. Нанокристаллический металлический материал по известному патенту выполнен в виде агрегата из металлических нанокристаллических зерен, содержащего 0,4-5,0 мас.% азота. Способ изготовления нанокристаллического порошкового материала включает механическое размалывание или механическое легирование нанокристаллических порошковых компонентов (например, железа, кобальта, никеля, алюминия и меди, с добавлением других элементов) с веществом, которое становится источником азота (например, нитрид металла, газообразный N₂ или NH₃), с использованием шаровой мельницы в атмосфере газов (например, аргона, N₃ или смеси) с получением мелкозернистых порошков нанокристаллического металлического материала с высоким содержанием азота. Зерна кристаллов при механическом размалывании или механическом легировании порошков уменьшаются до диаметра приблизительно 10-20 нм в результате механической энергии, создаваемой при измельчении шарами.

Недостатками метода является, во-первых, низкая магнитная проницаемость полученного нанокристаллического материала, во-вторых, невозможность получения порошкового металлического материала с заданной структурой, а именно необходимой долей нанокристаллитов в аморфной матрице. Кроме того, известный способ является трудоемким и трудно реализуемым при получении порошкового нанокристаллического материала сложного стехиометрического состава.

Для создания высокоэффективных широкополосных радиопоглощающих материалов (РПМ) необходимо создавать композит на основе полимерной матрицы и магнитомягкого дисперсного наполнителя с высокой магнитной проницаемостью.

Техническим результатом изобретения является создание способа получения нанокристаллического порошка из аморфных магнитомягких сплавов на основе базовой системы Fe-Co-Ni с высокой магнитной проницаемостью за счет формирования в структуре порошка нанокристаллических выделений (нанокристаллитов) размером 2-25 нм, когерентно связанных с аморфной матрицей, и имеющих объемную долю 50-80%, для получения широкополосных РПМ с высоким коэффициентом поглощения (не менее 25 dB) в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 300 ГГц.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения нанокристаллического магнитного порошка для создания широкополосных радиопоглощающих материалов, включающий предварительную термическую обработку отобранного исходного материала в виде аморфной ленты из магнитомягких сплавов на основе системы Fe-Co-Ni при температуре, равной (0,25-0,29)·Т_{ликвидуса}, в течение 30-90 мин с охлаждением на воздухе, предварительное измельчение термообработанной ленты до фракции 3-5 мм с последующим измельчением в высокоскоростном дезинтеграторе за счет соударения частиц для получения порошка аморфной структуры с размером фракции 20-60 мкм, заключительную термическую обработку полученного аморфного порошка при температуре, равной (0,3-0,4)·Т_{ликвидуса}, в течение 30-90 мин с охлаждением на воздухе для создания наноструктуры в объеме порошка и выделения нанокристаллитов в аморфной матрице.

Механическое измельчение в высокоскоростных дезинтеграторных установках - наиболее производительный способ получения нанокристаллических аморфных порошков и композитов, где основным принципом измельчения является соударение частиц друг с другом при сверхзвуковых скоростях.

Согласно изобретению отбирают исходный материал в виде аморфной ленты (или технологических отходов ее производства), полученной методом спиннингования расплава, из магнитомягких сплавов на основе базовой системы Fe-Co-Ni (например, из магнитомягкого сплава системы Fe-Ni-Co-Si-B или системы Co-Fe-Ni-Cu-Nb-Si-B).

Предварительно проводят термическую обработку аморфной ленты из магнитомягкого сплава в электропечи при температуре, равной (0,25-0,29)·Т_{ликвидуса}, в течение 30-90 минут с охлаждением на воздухе, что обеспечивает охрупчивание ленты. При таких режимах термообработки снимаются закалочные напряжения, образующиеся при сверхскоростной закалке (до 10⁶ К^-1) в процессе получения аморфной ленты. Указанные температура и время термической обработки являются оптимальными с точки зрения подготовки ленты для последующего передела.

После этого термообработанную аморфную ленту подвергают поэтапному измельчению с целью получения магнитного порошка с требуемой структурой.

Для этого сначала аморфную ленту измельчают до частиц с размером фракции 3-5 мм в молотковой дробилке или аналогичном устройстве. Указанный размер фракции необходим для дальнейшего измельчения материала в высокоскоростном универсальном дезинтеграторе. Увеличение размера фракции материала более 5 мм может привести к выходу из строя рабочих органов дезинтеграторов.

Затем полученный аморфный материал измельчают в высокоскоростном универсальном дезинтеграторе-активаторе (УДА - обработка) при ускорении соударения частиц (350-450) м/с. В процессе УДА обработки происходит измельчение аморфного материала из магнитомягкого сплава до порошка с размером фракции 20-60 мкм. Особенностью процесса является то, что именно измельчение материала с использованием высокоскоростного дезинтегратора позволяет сохранить структуру получаемого порошка аморфной и достичь необходимого размера фракции.

Указанный размер фракции получаемого аморфного порошка 20-60 мкм является оптимальным для дисперсного магнитомягкого наполнителя, используемого при получении композита на основе полимерной матрицы для создания широкополосных радиопоглощающих материалов, при этом обеспечивается наибольшее рассеяние электромагнитных волн.

Полученный таким образом аморфный порошок подвергают заключительной термической обработке в электропечи (кристаллизационный отжиг) при температуре, равной (0,3-0,4)·Т_{ликвидуса}, в течение 30-90 минут с охлаждением на воздухе для создания наноструктуры в объеме полученного порошка, формирования и выделения в аморфной матрице нанокристаллов, например, соединения α-(Fe, Si) или ε-Со. Размеры и необходимое количество нанокристаллов (50-80%) зависят от экспериментально установленного оптимального режима термообработки аморфного порошка (таблица 1).

Установлено, что при увеличении температуры выше 0,4·Т_{ликвидуса} и увеличении изотермической выдержки более 90 минут резко возрастает размер кристаллитов, находящихся в аморфной матрице. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости (µ).

Таблица 1
Время термообработки порошка, мин	Температура термообработки порошка, °С	Средний размер кристаллических зерен (Dcp), нм	Содержание фазы α-(Fe, Si), объем. %
30	0,31·Тлик	2±1	0-1
0,32·Тлик	3±1	1-2
0,33·Тлик	3±2	2-10
0,35·Тлик	6±3	10-25
0,36·Тлик	15±3	25-40
свыше 0,4 Тлик	более 50 нм	70-100
60	0,31·Тлик	4±1	0-1
0,32·Тлик	6±2	2-3
0,33·Тлик	6±3	25-30
0,35·Тлик	7±3	45-50
0,36·Тлик	18±3	50-70
свыше 0,4·Тлик	более 120 нм	100
90	0,31·Тлик	4±3	10-25
0,32·Тлик	6±2	25-35
0,33·Тлик	12±3	35-45
0,35·Тлик	18±3	45-50
0,36·Тлик	25±3	50-80
свыше 0,4·Тлик	более 150 нм	100

Примечание: в таблице указаны средние значения, полученные по результатам испытаний 3-х образцов на точку.

Примеры выполнения способа.

Пример 1.

В качестве исходного материала для получения нанокристаллического магнитного порошка отбирали аморфную ленту из магнитомягкого сплава системы Fe-Ni-Co-Si-B. Ширина аморфной ленты 20 мм, толщина 20 мкм. Опытная партия составила 10 кг.

Предварительно проводили термическую обработку аморфной ленты в электропечи марки СНОЛ при температуре, равной (0,25·Т_{ликвидуса})°С, в течение 60 мин с последующим охлаждением на воздухе с целью ее охрупчивания. При этом структура ленты оставалась аморфной. Термообработанную аморфную ленту подвергли поэтапному измельчению. Сначала в молотковой дробилке ДМ 3×2 до частиц с размером фракции 3-5 мм, необходимой для дальнейшего передела ленты.

Затем полученный аморфный материал измельчали в высокоскоростном дезинтеграторе марки В-15, позволяющем обрабатывать порошковый материал в воздушной среде и в среде инертного газа аргона или азота, при сверхзвуковых скоростях соударения 350 м/с. Получили порошок аморфной структуры с размером фракции 20-60 мкм.

Далее проводили заключительную термическую обработку полученного аморфного порошка в электропечи марки СНОЛ при температуре, равной (0,30·Т_{ликвидуса})°С, в течение 60 минут с охлаждением на воздухе для образования наноразмерных выделений в аморфной матрице.

Методом просвечивающей электронной микроскопии было проведено исследование микроструктуры полученного нанокристаллического магнитного порошка, фазовый состав определяли рентгеновским методом на дифрактометре ДРОН-4М. Исследования показали, что объемная доля нанокристаллитов соединения α-(Fe, Si) составила 70%, среднее значение размеров кристаллических зерен (D_cp) составило 7-18 нм.

Экспериментально установлено, что потери в диапазоне частот (0,3-100) ГГц композита, изготовленного на основе нанокристаллического порошка из магнитомягкого сплава системы Fe-Ni-Co-Si-B, составили 25 dB.

Пример 2.

Для установления общих закономерностей предлагаемого способа в качестве исходного материала для получения нанокристаллического магнитного порошка отбирали аморфную ленту из магнитомягкого сплава другой системы Co-Fe-Ni-Cu-Nb-Si-B (в базовой системе Fe-Co-Ni). Ширина аморфной ленты 20 мм, толщина 20 мкм. Опытная партия составила 10 кг.

Предварительно проводили термическую обработку аморфной ленты при температуре, равной (0,29·Т_{ликвидуса})°С, в течение 90 мин с последующим охлаждением на воздухе. При этом структура ленты также остается аморфной. Термообработанную аморфную ленту подвергли предварительному измельчению в молотковой дробилке ДМ 3×2 до частиц с размером фракции 3-5 мм.

Затем полученный аморфный материал измельчали в высокоскоростном дезинтеграторе марки В-15 при скоростях соударения 450 м/с. Получили порошок аморфной структуры с размером фракции 20-60 мкм.

Далее проводили заключительную термическую обработку полученного аморфного порошка в электропечи при температуре, равной (0,40·Т_{ликвидуса})°С, в течение 90 минут с охлаждением на воздухе.

Проведенные исследования (по примеру 1) показали, что объемная доля нанокристаллитов соединения ε-Со составила 80%, среднее значение размеров кристаллических зерен (D_cp) составило 12-25 нм.

Экспериментально установлено, что потери в диапазоне частот (100-300) ГГц композита, изготовленного на основе нанокристаллического порошка из магнитомягкого сплава системы Co-Fe-Ni-Cu-Nb-Si-B, составили 25 dB.

Полученные магнитные порошки (по примеру 1 и 2) использовались для изготовления композиционного материала, в котором в полимерной основе равномерно распределены частицы аморфного магнитомягкого сплава с нанокристаллической структурой.

Магнитную (µ) и диэлектрическую (ε) проницаемости нанокристаллических магнитных порошков (по примеру 1 и 2) и изготовленных из них композитов, определяли на универсальном широкополосном комплексе на основе векторного анализатора цепей PNA 8363 В фирмы Agilent Technologies.

Проведенные эксперименты показали, что при объемной доле нанокристаллитов α-(Fe, Si) или ε-Со в количестве 50-80% магнитная проницаемость (µ) композитов по сравнению с аморфным состоянием увеличивается в 2-3 раза и составляет от 90 до 135.

Таким образом, экспериментально показана эффективность данного способа получения нанокристаллического порошка с высокими магнитными свойствами, используемого для создания радиопоглощающих материалов с высоким коэффициентом экранирования (до 200) и коэффициентом поглощения (не менее 25 dB) в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 300 ГГц.

Разработанный способ является базовым и может эффективно использоваться практически для всех магнитомягких сплавов на основе системы Fe-Co-Ni с адаптацией температурно-скоростных параметров технологических процессов термической и УДА обработок.

Способ получения нанокристаллического магнитного порошка для создания широкополосных радиопоглощающих материалов, включающий предварительную термическую обработку отобранного исходного материала в виде аморфной ленты из магнитомягких сплавов на основе системы Fe-Co-Ni при температуре, равной (0,25-0,29)·Т_{ликвидуса}, в течение 30-90 мин с охлаждением на воздухе, предварительное измельчение термообработанной ленты до фракции 3-5 мм с последующим измельчением в высокоскоростном дезинтеграторе за счет соударения частиц для получения порошка аморфной структуры с размером фракции 20-60 мкм, заключительную термическую обработку полученного аморфного порошка при температуре, равной (0,3-0,4)·Т_{ликвидуса}, в течение 30-90 мин с охлаждением на воздухе для создания наноструктуры в объеме порошка и выделения нанокристаллитов в аморфной матрице.