Марков А.В.

Белорусский государственный технологический университет, Беларусь

Особенности получения постоянных магнитов на основе термопластичных полимеров

Интенсивное развитие в области электротехники, электроники, машиностроения и автомобильной техники требует рационального и экономичного изготовления комплексных изделий с повышенными функциональными свойствами, что тесно связано с разработкой и применением новых технологий и материалов. Одно из актуальных направлений развития современной технологии полимерных композитов связано с перспективами технического применения термопластичных наполненных композиционных материалов с повышенными магнитными свойствами /1/.

К мировым лидерам в производстве постоянных магнитов на сегодняшний день можно отнести такие страны как Япония, США, страны Европы, а также высокими темпами развивающийся Китай. Общий объем производства в 2000 году составил около 3,2 млрд. долларов, причем треть от этого объема приходился на Японию. Основной метод производства магнитов, например, на основе ферритов, является спекание (~77 %), остальную часть (около 23%) составляют полимерные магниты или магнитопласты.

Существенным достоинством полимерных магнитов по сравнению с обычными металлическими или керамическими магнитами является возможность получать изделия сложной формы с высокой точностью соблюдения заданных размеров стандартными высокопроизводительными методами, используемыми при переработке термопластичных полимеров (литье под давлением, экструзия, прессование и т.д.). Применение термопластичных полимеров в качестве матрицы обеспечивает хорошую механическую прочность и пластичность, коррозионную стойкость, стойкость к атмосферным воздействиям. Кроме того, магнитопласты имеют меньшую, чем у обычных магнитов плотность, обеспечивается стабильность магнитных свойств, долговечность при сравнительно низких затратах при изготовлении. Технология переработки таких материалов позволяет получать мультиполярные магниты с различным положением магнитных полюсов, что очень востребовано в электротехнической промышленности /1-2/.

Полимерные постоянные магниты изготавливают путем смешения магнитного анизотропного наполнителя с полимерным связующим методом прямого компаундирования. Объемная степень наполнения достигает до 60-70%. Эксплуатационные свойства материала определяются физическими и механическими характеристиками компонентов. Например, ферритовые магнитные материалы отличаются высоким значением коэрцитивной силы, магниты на основе редкоземельных металлов (Sm-Co) характеризуются высокими значениями намагниченности насыщения, коэрцитивной силы, термической стабильностью. В настоящее время большой интерес имеют магниты на основе Nd-Fe-B, основными преимуществами которых являются наибольшее значение энергетического произведения BH_max, высокой температурой Кюри T_C, что открывает широкую перспективу их применения при повышенных температурах /1/.

При изготовлении изделий из магнитопластов методом литья под давлением существенное влияние оказывают реологические показатели течения материала. С увеличением степени наполнения резко увеличивается вязкость расплава полимера. Если, например, для литья ненаполненного полиамида в области скоростей сдвига от 10³ до 10⁴ с^-1 показатель вязкости лежит в пределах 10²-10³ Пас, то при наполнении мелкодисперсными магнитными частицами вязкость расплава может достичь до 10⁴-10⁵ Пас. На рисунке 1 представлены экспериментальные данные, полученные при измерении сдвиговой вязкости (метод капиллярной визкозиметрии) ПА12, наполненного частицами Sm-Co при разных температурах переработки. При степени наполнения 50 об.% показатель вязкости увеличивается почти в 10 раз.

При заполнении полости литьевой формы необходимо задавать более высокие давление впрыска и скорость впрыска. Ввиду неоднородности распределения частиц наполнителя и эффекта агломерации наблюдаются значительные колебания давления в полости формы. Скорости сдвига и касательные напряжения в тонкой полимерной прослойке, примыкающей к стенке, оказываются очень большими. При этом при течении может происходить «срыв», т.е. режим течения переходит в режим скольжения.

Рис. 1. Измерения сдвиговой вязкости ПА12, наполненного частицами Sm-Co

Увеличение температуры расплава не приводит к значительным изменениям давления в полости литьевой формы (рис. 2). При обработке частиц наполнителя растворами на основе силанов увеличивает прочность при растяжении и модуль упругости материала, уменьшается относительное удлинение при разрыве, однако приводит и к дополнительному увеличению коэффициента вязкости, что усложняет процесс получения литьевых изделий.

Рис.2. Влияние температуры расплава на давление в литьевой форме

Магнитные свойства наполненных полимерных материалов с анизотропным магнитным наполнителем зависят как от степени наполнения, так и от ориентации частиц в объеме изделия /2-3/. Ориентация частиц обуславливается как скоростью потока расплава, так и силой магнитного поля, причем при применении магнитных анизотропных частиц эти эффекты могут противодействовать друг другу. Поэтому выбор технологических режимов при изготовлении такого рода изделий оказывают существенное влияние на их эксплутационные свойства.

Литература:

1. Спичкин Ю. Что представляют собой магнитопласты. http://www.ndfeb.ru.

2. Ehrenstein G.W., Drummer D. Hochgefuellte Kunststoffe mit definierten magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften. Sprinder-Verlag. 2002.

3. Fiske T., Halit s. Gokturk, Rahmi Yazici Effects of flow induced orientation of ferromagnetic particles on relative magnetic permeability of injection molded composites. Polym. Eng. Sci. Vol.37, № 5, P. 826-837.