Физико-химические основы альтернативной технологии магнитопластов и рациональные области их применения тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.16 ВАК РФ

На прав&х рукописи ' "

\

СЕМЁНОВ ЛИВЕРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТОПЛАСТОВ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

02.00.16 - Химия композиционных материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

САРАТОВ 1997

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, член —корр. РИА С.Е.Артёменко

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент С.Г.Кононенко

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, академик РИА В.П.Севастьянов, доктор технических наук, профессор АЛ.Аникин

Ведущая организация — НПП "Алмаз" (г.Саратов)

Защита состоится "_23_" 'ОК.УЦ-^-РмЯ 1997 года в часов в ауд. 433 на заседании диссертационного совета Д 063. 58. 07 в Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100, Саратовская область, г.Энгельс, пл.Свободы, 1?.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (410054, г.Саратов, ул.Политехническан, 77)

Автореферат разослан " 1997 года

Учёный секретарь диссертационного совета доктор химических наук

А. В. Гороховский

Введение

Прогресс в создании и применении новых полимерных композиционных материалов, к которым относятся магнитопласты (МП), определяется уровнем технологии.

Малостадийные процессы, воздействие магнитных полей, направленное химическое и физико-химическое изменение структуры позволяет создавать ресурсосберегающие, малолюдные и экологически ненапряженные производства МП.

Современное состояние в развитии магнигопластов (МП) находится на начальном этапе научных, опытно-конструкторских и экспериментально - технологических работ, открывающих принципиальную возможность получения нового класса полимерных композиционных материалов со специфическими свойствами: магнитными, электрическими от диэлектрика до хорошего проводника, механическими и др.

Современная магнетохимия, используя подходы физической химии, дает возможность сформировать глубокое понимание зависимости между химическим строением гетерогенной композиции и свойствами МП на ее основе, а также влияния магнитного поля на -реакционную способность взаимодействующих компонентов, что позволяет отказаться от традиционного смесевого способа получения МП и перейти на более современный матричный синтез полимерного связующего.

За счет направленного подбора химической природы полимерного связующего и магнитного дисперсного наполнителя, их свойств и структуры, способа формирования системы полимер-наполнитель и их соотношения в композиции могут быть получены МП, обладающие магнитными, физико-химическими и механическими характеристиками в соответствии с их функциональным назначением.

Интерес к МП возрастает из-за высокой экологической и технологической эффективности. По сравнению с магнитами, изготовленными методами порошковой металлургии (Мпм), технология их характеризуется меньшим числом стадий, меньшей энергоемкостью и трудовыми затратами, отсутствием механической обработки, а следовательно, отсутствием отходов производства, а также возможностью формирования изделий сложной конфигурации.

МП предлагаются не только как заменители Мпм, а как материалы с новыми возможностями в техническом, экономическом и экологическом планах.

Технологичность производства изделий из МП характеризуется высоким коэффициентом использования исходных материалов, близким к единице, тогда как коэффициент использования Мпм составляет не более 0.3 - 0.7.

Однако к изучению альтернативной технологии МП для раскрытия потенциальных возможностей только приступили, в связи с актуальностью и важностью проблемы создания МП с регулируемыми характеристикам и.

Целью данной работы являлось изучение физико-химических основ альтернативной технологии и переработки МП в изделия, и определение рациональных областей их применения.

В задачу исследований входило:

- установление взаимодействия и взаимовлияния в системе магнитные дисперсные наполнители - полимерное связующее;

- изучение механизма взаимодействия магнитных наполнителей с полимерным связующим, сформированным из олигомера и синтезированного в структуре магнитного порошка;

- изучение зависимости между химическим строением исходных компонентов и сформированных структур с магнитными, физико-химическими и механическими свойствами МП;

- изучение влияния технологических параметров на формирование структуры и свойств МП;

- исследование влияния температуры и химической активности сред на стабильность магнитных и механических свойств;

- определение влияния топографии и напряженности намагничивающего поля на свойства МП;

- испытание изделий из МП в различных условиях эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- определен механизм взаимодействия в системе магнитотвер-дый наполнитель - фенолформальдегидный полимер в зависимости от их химической природы и строения;

- установлена возможность направленного регулирования структуры и свойств МП путем капсулирования частиц магнитного дисперсного наполнителя полимерной оболочкой и формирование полиструктур;

- выявлен эффект значительного повышения магнитных, механических и физико-химических характеристик МП, сформированных методом поликонденсационного наполнения;

- определены закономерности формирования структуры и свойств МП в зависимости от соотношения и строения исходных компонентов.

- разработан метод направленного регулирования структуры МП для придания им повышенных магнитных, электрических и физико-механических характеристик;

- определены технологические параметры получения МП и их переработки в изделия;

- показано, что разработанный МП и изделия из него достаточно эффективны в качестве лазерно-магнитных приборов для ме-

дицинских целей (экономический эффект 1780 руб./изд. за счет исключения мех. обработки);

- впервые проведены различными НИИ и отраслевыми организациями экспертные сравнительные испытания разработанных МП с аналогичными материалами зарубежных фирм, что подтвердило их конкурентоспособность на международном уровне.

Диссертация выполнялась в рамках госбюджетной программы «Разработка передовых технологий и оборудования для предприятий пищевой, химической, машиностроительной, легкой и др. отраслей промышленности (09В)-СГТУ-412>> № гос. регистрации 01 9600040006.

Апробация результатов работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и Всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на первом международном симпозиуме «Будущее за композитами» (г. Набережные Челны, 1997 г.), Международной научно-практической конференции по использованию достижений науки и техники в развитии городов (г. Москва, 1996 г.).

Образцы магнитопластов демонстрировались на Международной выставке «Достижения вузов России» (Аргентина, 1996 г.); «Высшая школа России: Конверсия и приоритетные технологии» (г. Москва, 1996 г.).

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в центральных журналах, 3-е тезисов докладов, 2 выставочных комплекта изделий из разработанных магнитопластов экспонировались в г. Москве и Аргентине.

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методического и экспериментального разделов, основных выводов, библиографии и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы, значимость создания альтернативной технологии магнитопластов, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная и практическая ценность выполненной работы.

й_лктершздш<2м_£2й20ре проведен краткий анализ литературы состояния проблемы по магнитолластам, способам производства, вопросам совершенствования их структуры и свойств.

В разделе «Объекты, методы и методики исследования» важная роль отводится измерениям основных магнитных характеристик на различных установках, методике определения гистерезисных свойств магнитопластов на установке «Мускат».

Исследования магнитопластов, как полимерных композиционных материалов, проводились с применением современных взаимодополняющих методов: рентгеноструктурного, термогравиметрического анализа, электронной микроскопии, дифференциально-сканирующей калориметрии, ИК-спектрометрии, порометрии и стандартных методов испытаний магнитных, физико-химических, механических и технологических характеристик.

Обоснован выбор термореактивных связующих: для смесевого способа - анилинофенолформальдегидная смола марки СФ-342А (ГОСТ 18694-80); для синтеза поликонденсационным способом, на котором базируется альтернативная технология - мономеры фенол и формальдегид с добавкой катализатора - раствора ЫаОН. Магни-тотвердыми наполнителями выбраны доступные промышленные порошки различной химической природы и структуры: быстрозакален-ный легированный интерсплав Ш2Ге34В марки НМ-20Р (ТУ 14-123-97-

92); феррит бария Ва0*6Ре203 (ТУ 6-09-4788-79); феррит стронция Бг0*6Ре203 (ТУ 6-09-462-79); отходы сплава ЗтСо5, получаемые размолом бракованных металлокерамических магнитов (составляют > 30% из-за высокой хрупкости сплава).

Основное содержание экспериментальной части работы Глава 3. Технологические принципы создания магнитопластов (МП)

приводятся результаты исследований специфических особенностей двух технологий:

- традиционного способа получения МП, заключающегося в смешении ферромагнитного металлического или ферритового порошков с диэлектрическим связующим;

-поликонденсационного способа, разработанного на кафедре химической технологии СГТУ, на котором базируется альтернативная технология МП.

К недостаткам смесевого способа относится многостадийность процесса получения полимерного связующего, сложность перемешивающего оборудования и, в конечном итоге, недостаточно высокие магнитные характеристики МП.

Сущность лоликонденсационного способа заключается в том, что вместо фенолформальдегидного олигомера со степенью полимеризации 10 и более для формирования используются мономеры фенол и формальдегид с добавкой катализатора КаОН.

При обработке порошка олигомерами распределение полимерного связующего происходит на поверхности частицы или агрегатов из частиц порошка, в результате чего формируется неравномерно распределенная полимерная прослойка в структуре материала (рис.1а). Такая прослойка, являясь диэлектриком, снижает магнитные характеристики материала.

■Полимерная прослойка

Агрегаты из слипшихся частиц

частицы

Диффузия мономеров

а)

б)

Рис. 1 Схема структуры МП.

При пропитке мономерами, даже при различной доступности верхних и глубинных слоев, происходит их диффузия внутрь частиц, где возможно их химическое и физико-химическое взаимодействие с реакциокноспособными группами сплава (рис. 1 б). На поверхности частицы остается минимальное количество реакционной смеси для формирования поверхностной полимерной капсулы. Плотность структуры, степень кристалличности и рельеф поверхности частицы сильно влияют на распределение матричного полимерного слоя в глубине частицы и в поверхностной капсуле. При отверждении идет процесс образования трехмерного полимера в капиллярах, пазухах, дефектах и на поверхности частицы.

В результате оба компонента металл частицы - отвержденный матричный полимер «переплетены» друг с другом, образуя так называемый принцип «змеиной ловуики». Такой принцип имеет различные вариации, открывая новые возможности в создании магни-топластов со специфическими свойствами.

Об этом свидетельствует увеличение всех исследуемых характеристик (табл.1)

Таблица 1

Влияние способа получения на характеристики магнитсщла-

стов на основе различных наполнителей

Показатели Способ получения

традиционный поликонденсационный

сплав феррит бария сплав Ш?Ге,„В феррит бария

Плотность, кг/м3 5800 3600 6500 3800

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа 5,0 18,0 9,0 30,0-36,0

Остаточная магнитная индукция, Вг, Тл 0,410,65' 0,11 0,5-0,6 0,15-0,18

Максимальное энергетическое произведение (ВН)„ах МГс*Э 4,0-7,0' 0,32 6,0-7,0 0,56-0,81

Коэрцитивная сила по намагниченности, Нсм, кА/м 6001000' 360-440

Удельное объемное электрическое сопротивление, р„, 0м*м 50 20

Примечание: ' - аналоги зарубежных фирм: материал «Мео£ег» (Германия).

Следует отметить очень важный технико-экономический эффект поликонденсационного способа, это:

1) сокращение на 5-7 стадий общего процесса, в котором исключается синтез и подготовка фенолформальдегидного олигомера; сушка, расфасовка, транспортировка, растворение и др., что позволяет перейти на малостадийную технологию;

2) интенсификация процесса получения МП;

3) снижение экологической напряженности производства;

4) резкое сокращение капитальных и эксплуатационных затрат.

Установлена возможность повышения анизотропии в структуре МП двумя методами:

1) приданием эллипсоидальной формы сферическим частицам стандартных магнитотвердых оксидных ферритов каландрированием полимерной композиции. «Каландровый эффект» проявляется в улучшении пропитки олигомерами, большей ориентации частиц магнитного наполнителя и, как следствие, в увеличении на 10 - 30% магнитных характеристик в направлении каландрирования и адгезионного взаимодействия в системе;

2) текстурированием в магнитном поле.

Установлено, что в системе МП на основе интерсплава Щ2Ге,4В оптимальной схемой текстурирования является метод, когда усилие прессования перпендикулярно сильному постоянному магнитному полю напряженности 20 кЭ (1600 кА/м). При этом обнаружен суммарный эффект магнитного текстурирования: резко повышается на 40% Вг и на 60% 6сдвига (табл. 2). Улучшение прочностных и магнитных характеристик монно объяснить структурными изменениями в материале: образованием ориентированной однородной структуры полимерной матрицы в процессе отверждения и ориентацией магнитного наполнителя под действием постоянного магнитного поля.

Таблица 2.

Влияние магнитного поля на свойства МП на основе интер-

сплава, сформированного смесевым способом.

Вид Свойства

прессования Вг, Тл 6Г.ЛВ, МПа

Без магнитного поля 0,32 5,0

Под воздействием магнитного 0,55 8,0

поля

Глава 4. Физико-химические основы процесса формирования структуры и свойств МП

Экспериментально установлено, что кинетика и механизм отверждения ФФО в высоконаполненных МП является функцией химического состава, строения, дисперсности и формы частиц ферромагнитных наполнителей (рис.2).

Рис. 2. Влияние наполнителей на кинетику отверждения

композиции МП (Т=170°С; /=0,015 с-1; Р=70 МПа)

1. Сплав ШгКенВ;

2. 5гО*6Гс2Оз;

3. 1*аО*6Кс2СЬ;

4. Ненаполнеииый ФФО.

Как видно, время отверждения исследуемых фекольных МП при температуре 170°С и 6СД8=6 МПа различается и составляет для ферритов ;3г - 6 мин, для ферритов бария - 11,5 мин и 9,5 мин для интерсплава Ш2Ге34В; в данных условиях ненаполненный ФФО не отвергается,

з

время, мин

Различная активность магнитных наполнителей в формировании структуры подтверждается величинами степени отверждения.

Ускорение процессов формирования трехмерной структуры одновременно связано с улучшением адгезионного взаимодействия в системе МП, и, соответственно, прочности МП.

Исследуемые ферромагнитные наполнители с учетом их формы, размера частиц, удельной поверхности, природы поверхностных функциональных групп по величине Ссдв располагаются в следующий ряд Зг0*6Ге203 > ВаО*6Ре203 > Ш^е^В.

Сравнительные структурные характеристики порометрического метода показали, что наибольшей пористостью обладает феррит бария - поры 0,1-1,0 мкм занимают 66,3% объема, тогда как Ш^е^В имеет наибольший объем пор 88,5% радиусом 0,01 мкм.

В целом не МП поликонденсационного наполнения по термостойкости независимо от природы наполнителя значительно превосходят МП смесевого способа, о чем свидетельствуют данные по кинетике разложения методом ТГА.

Для МП поликонденсационного способа характерно замедление и уменьшение деструктивных процессов полимера и потери массы в 3-4 раза ниже по сравнению со смесевым МП.

Применение термостойкого интерметаллического наполнителя увеличивает в 2 раза энергию активации термоокислительной деструкции композиций (при содержании наполнителя 90% масс.). При этом отмечено существенное (> 70%) различие величины энергии активации МП поликонденсационного наполнения и традиционного смесевого способа - 47,8 и 28,0 ккал/моль соответственно. Это свидетельствует о формировании более термостойкой структуры полимерного связующего, синтезированного в присутствии сплава.

По резкому увеличению коксового остатка, снижению скорости термолиза, существенному отклонению потери массы от аддитивного значения, значительному возрастанию энергии активации, можно

предположить наличие взаимодействия функциональных групп ФФО с поверхностью интерсплава. Подтверждением служат данные ИКС: в спектре наблюдается полное исчезновение полосы поглощения, характерной для фенольных гидроксилов (1230 см-1).

О более полном прилегании капсулированных частиц магнитного наполнителя при поликонденсационном наполнении и активном взаимодействии полиструктур в объеме сформованного МП доказывают значительно большие значения плотности и прочности при межслоевом сдвиге относительно МП, сформированного традиционным (смесевым) способом.

Формирование полимерной капсулы на поверхности частицы ферритов сопровождается образованием межфазного слоя.

Из этого следует, что МП представляют собой сильно гетерогенные системы с различным уровнем и типом макро- и микрогетерогенности. Микрогетерогенность МП связана с наличием в них различных фаз - это фаза магнитного наполнителя и фаза полимерного связующего. Заложенной в системе макрогетерогенности сопутствует возникновение в ней различных типов гетерогенности: молекулярной, микрогетерогенности на надмолекулярном уровне, химической микрогетерогенности, проявляющейся в изменении в межфазных слоях молекулярной подвижности, плотности упаковки, свободного объема, уровня межмолекулярного взаимодействия и др.

Представление о микрогетерогенности подтверждаются также рентгеноструктурным анализом. При этом обнаружено, что при поликонденсационном методе формирования структуры МП уменьшаются на 50 А° размеры кристаллитов в самом интерсплаве, имеющего фазовый состав Ш2Ге14В.

Суммарным выражением сформированной структуры под влиянием различных по химической природе и строению магнитных наполнителей , ее микро- и макрогетерогенности является изменение

в широком интервале характеристик МП при воздействии на него различных полей: теплового, электрического, магнитного.

Глава 5. Параметры технологии МП

Продолжительность синтеза полимерного связующего при поликонденсационном наполнении влияет на комплекс магнитных и прочностных характеристик по-разному в зависимости от химического состава и строения магнитного наполнителя.

Оптимальные условия образования капсулы полимерного связующего вокруг магнитных частиц наполнителя обеспечиваются при синтезе в течение 25 мин. При этом в значительной мере повышаются основные магнитные характеристики - остаточная магнитная индукция Вг и максимальное энергетическое произведение (ВН)мах за счет «гомогенизации» и более плотной упаковки ферромагнитных частиц. Также увеличивается более чем в 2 раза прочность при межслоевом сдвиге (бздв) и на 15-30% плотность МП.

Существенная разница влияния химической природы магнитного наполнителя при одной и той же продолжительности синтеза (25 мин) проявляется в изменении величин (ВН)М„ и йсяв. Если на феррите бария (ВН)иг)возрастаетв 16 раз, то на интерсплаве только в 2,6 раза; Ссдв МП наоборот возрастает в большей мере на основе М2Ре14В - в 2,6 раза, а на Ва0*6Ее203 лишь в 2 раза.

Даже длительное хранение пресскомпозиции (~ 2000 час) не сказывается отрицательно на ее реологических свойствах.

Содержание полимерной связки, обеспечивающей монолитность постоянных магнитов, существенно влияет на намагниченность образцов, зависящую от толщины немагнитных прослоек полимера. Устойчивость к размагничивающему полю, оцениваемая величиной коэрцитивной силы, определяется исходными характеристиками сплава и практически не зависит от содержания полимера в исследуемых пределах (45-60 об.%).

Для достижения лучших магнитных характеристик формование изделий из пресскомпозиций должно быть при температуре не менее 170°С, давлении Р-300 МПа и продолжительности 1 мин на мм толщины образца.

Армирование высокопрочным химическим волокном тонкостенного кольцевого магнита позволяет существенно улучшить прочность изделий ( G при растяжении кольца увеличилась в 2 раза с ВО до 150 ЫПа) без ухудшения магнитных характеристик.

Глава 6. Магнитные, физико-химические и механические характеристики магннтопластов.

Электрические свойства МП, предназначенные для систем электродвигателей и др., характеризуются удельным объемным электрическим сопротивлениемpv-

Таблица 3.

Сравнительные значения pY для МП на основе различных на-

полнителей.

Показатель Магнитные наполнители

Ba0*6Fe203 NdzFewB

смесевой способ смесевой способ поликонденсационный способ

pv, Ом*м 2,0*10"*° 5,0'Ю1 2,0-Ю1

Так, в зависимости от химической природы магнитного наполнителя, способа формирования композиции МП имеют широкий диапазон электрических свойств - от сильных диэлектриков (р„ = Ю10 Ом*м) до полупроводников (рч = 101 Ом*м), (табл.3).

МП, сформированный поликонденсационным наполнением за счет тонких химически сшитых с металлом внутри частиц и на их поверхности полиструктур практически не теряет массу вплоть до 200-300°С, тогда как потеря массы МП смесевого формирования в этом же диапазоне температур возрастает в 3,5 - 4 раза, в результате деструкции фенолформальдегидной прослойки на поверхности частиц.

Изучение влияния длительного воздействия рабочих температур 100°С и 120°С в течение 10 час показало, что МП на основе феррита бария, сформированные как смесевым, так и поликонденсационным способами, практически не подвержены тепловому старению в исследуемом временном режиме. В то же время для МП, полученных на основе Ш^е^В аналогичными способами наблюдается снижение остаточной индукции Вг на 2-15% (табл.4).

Таблица 4.

Тепловое старение МП при 100-120°С в течение 10 час.

Магнитный напол- Способ формирова- Вг, Тл Л Вг, %

нитель ния МП

Ва0*6Ге203 змесевой 0,01/0,099 -1

поликонденсационный 0,12/0,12 0

Ш2Ге14В смесевой 0,27/0,23 -15

поликонденсационный 0,49/0,48 -2,0

Примечание: в числителе до воздействия, в знаменателе - после.

Более устойчивы к термическому воздействию МП, сформованные поликонденсационным способом (Л Вг=-2%) за счет плотно сшитой защитной полимерной капсулы. Основной причиной термостарения МП на основе интерсплава является относительно низкая Т Кюри (310°С) сплава чешуек М2ГемВ по сравнению с Ва0*6Ре203, для которого Т Кюри-450°С. ,

Химическая стойкость МП на основе феррита бария и интерсплава в эксплуатационных средах - бензине и масле удовлетворительна. В течение 1150 час экспонирования снижение А Вг не превышало 5%, а Дш=0,05 для сплава и 0,2 для феррита бария.

Сравнивая характеристики разработанных и магнитотвердых композиционных материалов различных иностранных фирм (по данным каталогов) можно видеть, что разработанные по альтернативной технологии МП не только не уступают, но по характеристикам Вг, Нсм, Нсв и (ВШма* превосходят композиционные материалы ряда зарубежных фирм (таблица 5). Например, у МП на основе Nd2Fe14B, сформированного по альтернативной технологии выше остаточная магнитная индукция Вг по сравнению с «Neofer» на 25%, а максимальная магнитная энергия более чем в 1,5 раза. Уступает лишь по Нсм, величина которой зависит только от свойств наполнителя.

Суммируя эти результаты, можно сделать вывод, что совершенствование структуры МП путем синтеза полимерной матрицы в самом магнитном порошке открывает новые возможности резкого повышения свойств МП и КПД дорогостоящего порошка редкоземельного сплава, а значит и возрастания рентабельности производства композиционных материалов на его основе.

Таблица 5.

Сравнительные свойства разработанных МП с зарубежными *

Марка, тип связующего СВН)иах, кДк/м3 Вг, Тл Нсш кЭ кА/м ^см» кЭ г<А/м Фирма (страна)

Ферроксдюр* Р30 термопласт 15% Р40 термопласт 10% 0,300,35 0,400,45 0,1150,125 0,1350,145 1,01-1,10 1,15-1,20 2,5-2,7 2,3-2,4 Philips (Нидерланды) и Radio Complex (Франция)

РМ -1А*смола 0,50 0,16 1,2 - Япония

Ыео£ег 37/60Р+смола 4,6/37 0,48 3,75/300 7,5/600 Германия

МП по альтернативной. тех- СГТУ,

Окончание табл.5

нологии на ос- Россия

нове ФФО и 0,56- 0,15-0,18 - -

Ва0*6Ре203 0,81 0,55-0,6 4,0/320 5,5/440

Ш^е^В 6,0-7,0/ 56

* - Величины и размерность из справочника:

Постоянные магниты . М., 1980-

Глава 7. Технико-экономическая эффективность применения МП

В настоящее время придается большое значение технологии изготовления изделий из иагнитотвердых материалов, т.к. форма магнита, обеспечивающая требуемые параметры магнитного поля, реализуется условиями технологии изготовления магнита.

Применение в работе интерметаллического сплава с редкоземельным элементом - неодимом, обладающего высокими значениями коэрцитивной силы по намагниченности и удельной энергии, устойчивостью к воздействию размагничивающих полей по сравнению с ферритом бария показывает возможность изменения конструктивных решений магнитных систем, в том числе в направлении предельной миниатюризации и компактности изделий из МП. Поэтому в общем случае применения изделий из магнитопластов на основе магнитных порошков следует считать целесообразным и экономически обоснованным, несмотря на их более высокую стоимость, чем цена феррита бария разных марок. В настоящее время сравнение по стоимости выражается величинами: 1) промышленные анизотропные ферриты - 200 руб./г (данные НПП «Алмаз»); 2) промышленные магниты из интерсплава Ш2Ре14В - 1200 руб./г; 3) -магнито пласты на основе интерсплава Ш2Ре14В - 600-700 руб./г.

Весьма вероятно, что они будут иметь преимущество в области радиоэлектроники, приборостроения и технической кибернетики, так как благодаря своей высокой энергии эти материалы позволяют

существенно уменьшить объем и массу тех изделий, в которых они используются. Результаты апробации разработанных МП (рис.3) в приборе медицинского назначения - аппарат магниголазерного воздействия АЫЛ. ЛВ-20 «Изель-2», в газовых счетчиках, акустических преобразователях, топливных фильтрах, показали их преимущества по сравнению со спеченными магнитами как в техническом, так и экономическом планах.

а) б) в) г) -

Рис.3. Изделия из МП, на основе Ш^Ре^В.

Постоянные магниты: а) в форме сегмента; б) цилиндрической таблетки; в) призматической и г) кольцевой формы.

В техническом плане эти преимущества выражаются в том, что с их помощью обеспечивается возможность создания магнитного поля необходимой величины и конфигурации в рабочей области изделия, что в ряде случаев практически невозможно осуществить с помощью спеченных магнитов.

Пластичность композиции обеспечивает точность размеров изделия сложной формы с уменьшенным весом.

Экономическая эффективность в сравнении со спеченными магнитами заключается в:

- мал о стадийности технологии;

- технологичности производства и возможности изготовления изделий сложной конфигурации;

- снижении трудо- и энергозатрат, возможности полного использования отходов производства, замкнув их в рецикл;

- по повышенной термо-, тепло-, хемостойкости, пониженной стоимости в сравнении со спеченными магнитами и БтСо5.

С учетом достигнутых результатов по альтернативной технологии установлено, что даже при мелкосерийном производстве с выпуском 100 кг/месяц магнитопластов экономический эффект составит 30 млн. руб. с рентабельностью 30%.

Основные выводы.

1. Впервые научно и технологически обосновано преимущество альтернативной технологии формирования структуры и свойств магнитопластов, заключающееся в том, что в результате синтеза из мономеров полимерного связующего в структуре магниготвердых наполнителей образуется гетерогенная система с различным уровнем и типом макро- и микрогетерогенности в зависимости от химической природы и строения магнитных наполнителей. Суммарным выражением гетерогенности является повышение в широком интервале характеристик магнитопласта при воздействии на него различных полей: теплового, электрического, магнитного.

Для МП на основе интерсплава Ш2РеиВ характерно возрастание остаточной индукции Вг на 25-30%, максимального энергетического произведения (ВН)га2 более чем в 1,5 раза, прочности при межслоевом сдвиге почти в 2 раза, плотности на 12%; снижаются предельное электрическое сопротивление р„ более чем в 2 раза и потеря массы при 200-300°С Дт в 3,5 раза.

2. Определен механизм взаимодействия в системе полимерное связующее - магнитотвердый наполнитель с образованием химических и физических связей, изменением реологических характеристик, скорости отверждения образовавшегося в процессе синтеза . фенолформальдегидного олигомера.

3. Установлена эффективность магнитного текстурирования для повышения магнитных и прочностных характеристик магнито-

пластов: остаточная магнитная индукция Вг повышается на 40%, а напряжение сдвига - на 60% для магнитопласта на основе Ш2Ре14В.

Показано, что топография и величина напряженности намагничивающего поля зависят от структуры и коэрцитивной силы магнитного наполнителя, конфигурации изделий. Для высокоэффективного аморфно-кристаллического интерсплава (доля аморфной части до 40%) предлагается использование импульсного магнитного поля напряженностью не менее 30 кЭ (2400кА/м), а для глубокого про-магничивания постоянных магнитов целесообразно увеличение напряженности поля до 80 кЭ (6400кА/м).

4. Определены параметры альтернативной технологии магнито-пластов и их переработки в изделия.

Доказано, что в зависимости от химической природы и строения магнитного наполнителя продолжительность синтеза полимерного связующего влияет на магнитные и физико-механические характеристики магнитопластов по-разному. Оптимальные условия формирования относительно гомогенных структур с более плотной упаковкой ферромагнитных частиц обеспечиваются при синтезе в течение 25 мин. Наибольшее значение Вг - 0,53-0,6 Тл достигается при объемном наполнении 0,55 (87% масс.) - 0,6 (90% масс.). Значение Нсм=410 кА/м не изменяется в исследуемых пределах объемного наполнения 0,45-0,6, дополнительно свидетельствуя, что этот показатель определяется, главным образом, исходными характеристиками магнитного наполнителя.

5. Впервые проведены разными организациями сравнительные испытания магнитопластов с аналогами зарубежных фирм, что подтвердило перспективность и эффективность альтернативной технологии и конкурентоспособность МП на международном уровне.

6. Показана техническая и экономическая эффективность разработанных магнитопластов, в том числе и на основе дорогостоящего интерсплава Ш2Ге]4В за счет миниатюризации изделий, снижения

их веса, сокращения затрат на механическую обработку изделия, применения ресурсосберегающей альтернативной технологии, формования изделий сложной конфигурации.

Сравнительные характеристики разработанных МП и магни-тотвердых материалов различных иностранных фирм свидетельствуют, что разработанные по альтернативной технологии МП на основе интерсплава Nd2Fe14B не только не уступают, но и по характеристикам Вг, Нсм и (ВН)„ах превосходят композиционные материалы зарубежных фирм.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Альтернативные технологии магнитопластов на основе феррита бария и интерсплава неодим - железо - бор / С.Е. Арте-менко, JI.JI. Семенов, С.Г. Кононенко, A.A. Артеменко // Электротехника. - 1996.-NL2.-C.59-60.

2. Технологические принципы создания высокоэффективных магнитопластов/ /С.Е. Артеменко, JI.JI. Семенов, С.Г. Кононенко, A.A. Артеменко //Ярикладная техника;-1997.-W5.-С.31-35,

3. Структура и свойства магнитопластов / С.Е. Артеменко, JI.JI. Семенов, С.Г. Кононенко и др.// Использование достижений науки и техники в развитии городов, посвященная 850-летию основания Москвы: Тезисы научно-практической конференции, М., Инженер, 1996, с.216-217.

4. Магнитопласты на основе сплава неодим - железо - бор// С.Е. Артеменко, JI.JI. Семенов, С.Г. Кононенко и др. // Высшая школа России: Конверсия и приоритетные технологии: Каталог выставки, М., 1996. С.80.

5. Полимерные композиционные материалы с магнитными свойствами/ С.Е. Артеменко, Л.Л. Семенов, С.Г,- Кононенко и др. //

Будущее за композитами: Тезисы докладов 1 Международного симпозиума, Набережные челны, 1997, с.131-132. 6. Новая технология магнитопластов на основе интерметаллического сплава неодим - железо - бор./ С.Е. Артеменко, Л.Л. Семенов, С.Г. Кононенко// Благородные и редкие металлы ВРМ-97: Мат-лы 2-й Международной конференции, Донецк, 1997.

Семенов Ливерий Леонидович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТОПЛАСТОВ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

Ответственный за выпуск к.х.н., доцент Глухова Л.Г.

Корректор Л.А.Скворцова

Лицензия ЛР №020271 от 15.11.96

Подписано в печать 25.09.97г. Формат 60x84 1/16 Бум. оберт. Усл.-печ.л. 1 л Уч.-изд.л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ 215 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Ротапринт СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77