Проводящие модификации углерода

Метод получения углеродной матрицы определяет ее структуру и свойства, а также характеристики УУКМ. Наиболее широкое применение нашли 2 способа получения углеродной матрицы:

• карбонизация полимерной матрицы заранее сформованной углепластиковой заготовки путем высокотемператорной термообработки в неокисляющей среде;
• осаждение из газовой фазы пироуглерода, образующегося при термическом разложении углеводородов в порах углеволокнистой подложки.

 Оба способа имеют  свои достоинства и недостатки. При создании УУКМ их часто  комбинируют для придания композиту  необходимых свойств.

 

 

 

3. Поведение сильномагнитных материалов в СВЧ-полях (эффект Фарадея, резонансные явления и др.)

 

Все вещества являются магнетиками и намагничиваются во внешнем магнитном поле.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).

Все ферромагнитные материалы по поведению в магнитном поле делятся на две группы.

Магнитомягкие – с большой магнитной проницаемостью μ и малой величиной коэрцитивной силы НК < 10 А/м. Они легко намагничиваются и размагничиваются. Обладают малыми потерями на гистерезис, т.е. узкой петлей гистерезиса.

Магнитотвердые материалы – обладают большой НК > 0,5·МА/м и остаточной индукцией (ВО ≥ 0,1Т). Им соответствует широкая петля гистерезиса. Они с большим трудом намагничиваются, зато могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т.е. служить источником постоянного магнитного поля. Поэтому из них изготовляются постоянные магниты.

По составу все магнитные материалы делятся на:

- металлические;

- неметаллические;

- магнитодиэлектрики.

Металлические магнитные материалы - это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

К неметаллическим материалам относятся ферриты, получаемые из порошков оксидов железа и других металлов. Их прессуют и обжигают при 1300 – 1500 °С и они превращаются в твердые монолитные магнитные детали. Ферриты, как и металлические магнитные материалы, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы из 60 – 80 % порошка магнитного материала и 40 – 20 % органического диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики имеют большое значение удельного электрического сопротивления (ρ = 10 ÷ 108 Ом·м), Высокое сопротивление этих материалов обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях и позволяет широко использовать их в высокочастотной технике.

Зависимость магнитных свойств ферромагнетиков имеет сложный характер, показанный на рисунке, и достигает максимума при температуре близкой к Qк.

Рис.1- Зависимость магнитных свойств ферромагнетиков от температуры

Температура, при которой магнитная восприимчивость резко снижается, почти до нуля, носит название температуры Кюри - Qк. При температурах выше Qк процесс намагничивания ферромагнетика нарушается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул и материал перестает быть ферромагнитным и становится парамагнетиком.

Для железа Qк = 768 °C, для никеля Qк = 358 °C, для кобальта Qк = 1131°C.

Выше температуры Кюри зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетика от температуры T описывается законом Кюри-Вейса:

,       (1)

Процесс намагничивания сильномагнитных материалов (ферромагнетиков) обладает гистерезисом. Если производить намагничивание размагниченного ферромагнетика во внешнем поле, то он намагничивается по кривой намагничивания B = B(H). Если затем, начиная с некоторого значения H начать уменьшать напряженность поля, то индукция B будет уменьшаться с некоторым запаздыванием (гистерезисом) по отношению к кривой намагничивания. При увеличении поля противоположного направления ферромагнетик размагничивается, затем перемагничивается, и при новой смене направления магнитного поля может вернуться в исходную точку, откуда начинался процесс размагничивания. Получившаяся петля, изображенная на рисунке 2, называется петлей гистерезиса.

Рисунок 2-Петли гистерезиса

При некоторой максимальной напряженности Нм намагничивающего поля вещество намагничивается до состояния насыщения, индукция в котором достигает значения ВН, которое называется индукцией насыщения.

Остаточная магнитная индукция ВО – наблюдается в ферромагнитном материале, намагниченном до насыщения, при его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю. Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (-Н). Напряженность поля НК, при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой (удерживающая сила).

Перемагничивание ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда сопровождается тепловыми потерями энергии, которые обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери связаны с вихревыми токами, индуцированными в объеме материала, и зависят от электрического сопротивления материала, уменьшаясь с ростом сопротивления. Потери на гистерезис W в одном цикле перемагничивания определяются площадью петли гистерезиса:

,      (2)

 

и могут быть вычислены для единицы объема вещества по эмпирической формуле^

,       (3)

где: η – коэффициент зависящий от материала,

BН – максимальная индукция, достигаемая в течение цикла,

n – показатель степени, равный в зависимости от материала 1,6 ¸ 2.

Удельные потери энергии на гистерезис РГ – потери, затраченные на перемагничивание единицы массы в единице объема материала за секунду.

       (4)

где: f – частота переменного тока,

T – период колебаний.

Магнитострикция – явление изменения геометрических размеров и формы ферромагнетика при изменении величины магнитного поля, т.е. при намагничивании. Относительное изменение размеров материала Δl/l может быть положительным и отрицательным. У никеля магнитострикция меньше нуля и достигает величины 0,004 %.

В соответствии с принципом Ле Шателье о противодействии системы влиянию внешних факторов, стремящихся изменить это состояние, механическая деформация ферромагнетика, приводящая к изменению его размера должна оказывать влияние на намагничивание этих материалов.

Если при намагничивании тело испытывает в данном направлении сокращение своих размеров, то приложение механического напряжения сжатия в этом направлении способствует намагничиванию, а растяжение – затрудняет намагничивание.

Оптические свойства тел, в том числе и ферромагнитных, описываются с помощью диэлектрической и магнитной восприимчивостей. Раньше считалось, что магнитная восприимчивость ферромагнетиков на оптических частотах равна нулю, как и магнитная восприимчивость пустоты. Это означало, что ферромагнетик под действием света ведет себя подобно вакууму, что его нельзя намагнитить магнитным полем световой волны. Другими словами, коэффициент пропорциональности между напряженностью магнитного поля световой волны и магнитным моментом ферромагнетика равен нулю. Опыты с прозрачными ферромагнетиками показали, что это не так. Авторами открытия было доказано, что магнитное поле световой волны намагничивает ферромагнетик - заставляет магнитный момент ферромагнетика вращаться вокруг направления постоянного магнитного поля с частотой световой волны, т. е. 1014 раз в секунду.

"Открытие прецессии (вращения) магнитного момента с оптической  частотой, - рассказывают Г. С. Кринчик и М. В. Четкий, - привело к обнаружению новых физических явлений в прозрачных ферромагнетиках. Световые волны с определенными направлениями электрического и магнитного полей называются поляризованными волнами. При прохождении такой волны через прозрачный ферромагнетик направление электрического поля волны непрерывно меняется - существует так называемое вращение плоскости поляризации (гиротропия). Это вращение в неферромагнитных веществах известно давно - эффект Фарадея открыт в середине прошлого века. Оно велико в ультрафиолетовой области спектра, а с продвижением в видимую и инфракрасную области спектра резко стремится к нулю. В ферромагнетиках этого стремления нет. Вращение здесь остается большим и не меняется в области максимальной прозрачности. В переходной области между видимым и инфракрасным диапазонами магнитооптические свойства кристалла определяются примерно в равной степени их диэлектрической и магнитной воспри-имчивостями, и мы получаем новую среду, названную нами бигиротропной".

Открытие способствовало продвижению в область действия оптических квантовых генераторов и в область динамических свойств ферромагнетиков в радио- и СВЧ-диапазонах. Оно позволило Г. С. Кринчику и М. В. Четкину создать приборы для управления световыми лучами - модуляторы света, устройства для считывания информации, записанной на ферромагнитных пленках, и др. На кафедре квантовой электроники Киевского государственного университета созданы устройства для измерения мощно.сти в диапазоне сверхвысоких частот. Магнитооптические модуляторы света работают в сильно сходящихся световых пучках в периодическом и импульсном режимах. Они обеспечивают стопроцентную модуляцию при малых управляющих мощностях.

Найдены прозрачные ферромагнетики, в которых постоянное вращение плоскости поляризации наблюдается не только в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн 2_8 мкм, но и в диапазоне 10-18 мкм, в котором оптический квантовый генератор на (ХЬ работает с наибольшим КПД. С помощью прозрачных ферромагнетиков можно создать приборы, хорошо пропускающие излучение лазера в одну сторону и совершенно не пропускающие его в другую - так называемые невзаимные устройства. Благодаря вращению плоскости поляризации света в прозрачных ферромагнетиках можно бесконтактным способом измерять силу тока в высоковольтных линиях электропередачи.

На основе открытия советских ученых родилась принципиально новая область техники, дальнейший прогресс которой в значительной мере связан с успехами синтезирования новых прозрачных магнитных кристаллов

 

 

Список литературы

1. С.В.Вонсовский Магнетизм. Магнитные свойства дип-, пара-, ферро-, антиферро- и ферримагнетиков, Изд-во «Наука», М., 1971г.

2. В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов и др. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ. пос.-СП-б., изд-во «Профессия», 2003г.

3. Дж. Любин Справочник по компазиционным материалам, в 2-ух книгах, книга 2-ая, М., Машиностроение, 1988г.

4. Убеллоде А.Р. Графит и его кристаллические соединения / А.Р.Убеллоде, Ф.А.Льюис; перевод с англ. Е.С.Головина, О.А.Цуханова. – М. : Мир, 1965.

5. Сорокина Н.Е. Интеркалированные соединения графита акцепторного типа и новые углеродные материалы на его основе / Н.Е.Сорокина, И.В.Никольская, С.Г.Ионов, В.В.Авдеев. – Известия академии наук. Серия химическая, 2005. – том 8.