Zastosowanie ferromagnetycznych szkieł metalicznych do ekranowania pól elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości do l MHz

Transkrypt

1 S. 8 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 6 Dr hab. inż. RYSZARD NOWOSIELSKI prof. Poi. Sl. Dr inż. STEFAN GRINER Politechnika Śląska Instytut ów Inżynierskich i Biomedycznych -00 Gliwice ul. Konarskiego 8a UKD 7.8: :6.669-:669.': Zastosowanie ferromagnetycznych szkieł metalicznych do ekranowania pól elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości do l MHz Application of ferromagnetic metallic glasses for shielding of electromagnetic fields with freąuencies up to l MHz W pracy analizowano wpływ składu chemicznego oraz własności magnetycznych i elektrycznych na zdolność do tłumienia składowej magnetycznej niejonizujących pól elektromagnetycznych, o częstotliwości do l MHz przez ekrany wykonane ze szkieł metalicznych na osnowie Fe oraz Co. Badania wykonano dla szkieł metalicznych odlanych w postaci taśm o szerokości 0 mm, z których wykonano tkaniny o splocie prostym zwartym, stanowiące płaskie ekrany. Badania własności magnetycznych szkieł metalicznych wykonano metodą pierścieniową w zakresie częstotliwości do 0 khz. Influence of chemical composition, as well as magnetic properties on ability of metallic glass screens for shielding of not ionising electromagnetic fields, with freąuencies 00 Hz to l MHz were analysed in the work. The screens were madę as mono-layer fabrics of metallic glass strips with Fe and Co matm and width about 0 mm. The fabrics were weaved in form of straight plait, formingflat, flexible screens. Imrestigations of magnetic properties were performed for glasses tapes in rangę offreąuency up to 0 khz. Słowa kluczowe: szklą metaliczne, własności magnetyczne, ekranowanie pól elektromagnetycznych Key words: metallic glasses; magnetic properties, shielding of electromagnetic fields. Wprowadzenie. W związku z ogromnym postępem i rozwojem technik polegających na wykorzystaniu różnych źródeł pola elekromagnetycznego do przesyłania informacji, technik przetwarzania sygnałów elektrycznych, rozwojem diagnostyki technicznej i medycznej wykorzystującej pola elektromagnetyczne, a także przesyłem energii elektrycznej, coraz częściej występują potrzeby odizolowania od zakłóceń i zewnętrznego środowiska elektromagnetycznego czułych urządzeń elektronicznych oraz ochrony środowiska przed promieniowaniem elektromagnetycznym, w tym szczególnie ochrony ludzi w środowisku pracy i ogólnie organizmów żywych przed sztucznymi polami elektromagnetycznymi mogącymi powodować negatywne skutki zdrowotne. Jednym ze sposobów zabezpieczenia przed szkodliwymi skutkami oddziaływania pól elektromagnetycznych jest ekranowanie. Idea ekranowania polega na ograniczeniu lub wyeliminowaniu niepożądanego promieniowania źródła poza określony obszar lub też może ograniczyć się do ochrony bezpośredniego otoczenia samych obiektów, które zabezpieczamy przed wpływem zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Ważna w obydwu przypadkach jest skuteczność działania ekranu i nie bez znaczenia są koszty takiej ochrony [l,, ]. Fizyczne podstawy ekranowania pól elektromagnetycznych opierają się na teorii Maxwella, stanowiącej opis makroskopowych zdarzeń falowych zachodzących w materiale i polu o określonej charakterystyce [-]. Teoria Maxwella jednak nie w pełni rozwiązuje zagadnienia zróżnicowanych własności ekranów, ich postaci, budowy i struktury geometrycznej, a ponadto zazwyczaj wymaga weryfikacji eksperymentalnej. Ekrany pól elektromagnetycznych wykonywane są jako powłoki lub przegrody z odpowiednio dobranych materiałów. Równocześnie materiały o wysokiej skuteczności tłumienia pól muszą spełniać szereg wymagań odnośnie do własności fizycznych. Szczególne zainteresowanie badawcze skoncentrowane jest na ekranach pól elektromagnetycznych wykonanych ze szkieł metalicznych ferromagnetycznych miękkich. Typowe szkła metaliczne ze względu na niekonwencjonalny sposób wytwarzania przy zastosowaniu ultraszybkiego chłodzenia cieczy metalicznej na przemieszczającej się powierzchni walca chłodzącego uzyskują postać płaskorównoległej taśmy, zazwyczaj o grubości do 0,0 mm. W tym stanie posiadają strukturę amorficzną i niekonwencjonalne własności fizyko-chemiczne, które znalazły szereg aplikacji [6, 7], y takie dla odpowiednich składów chemicznych można uzyskać jako magnetycznie miękkie, które posiadają bardzo dużą przenikalność magnetyczną, szczególnie przydatną do ekranowania składowej magnetycznej pola, a także charakteryzuje je duża wytrzymałość i wiotkość. Umożliwia to stosowanie szkieł metalicznych na giętkie ekrany magnetyczne. Istotną zaletą w dużej liczbie przypadków jest także stałość własności magnetycznych podczas formowania i kształtowania ekranów, której nie wykazują materiały krystaliczne, dla których często następuje znaczna degradacja własności magnetycznych miękkich już przy niewielkich odkształceniach, a nawet przy wibracjach [8, 9]. W prezentowanej pracy podjęto badania zmierzające do wykorzystania szkieł metalicznych na ekrany wykonane w postaci tkanin do tłumienia niejonizujących pól elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości do l MHz, gdzie szczególne znaczenie posia-

2 00 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 9 da składowa magnetyczna pola elektromagnetycznego, stosunkowo trudna do wyeliminowania przez cienkie ekrany konwencjonalne.. Metalowe materiały amorficzne na ekrany pól elektromagnetycznych. Bardzo dobre własności magnetyczne oraz mała magnetostrykcja szkieł metalicznych, zwłaszcza na osnowie kobaltu powoduje, że są one dobrymi materiałami ekranującymi pola magnetyczne i elektromagnetyczne, które z powodzeniem konkurują z materiałami konwencjonalnymi. Z uwagi na swoje specyficzne właściwości fizyczne wzbudzają duże zainteresowanie wielu ośrodków badawczych, gdyż tworzywa te wyróżniają się następującymi cechami [8, 0]: a. można je otrzymywać w postaci włókien lub taśm o grubości poniżej 0,0 mm niekonwencjonalnymi technologiami w jednoetapowym procesie ciągłego odlewania, a więc bezpośrednio ze stanu ciekłego; b. włókna lub taśmy wykazują charakterystyczną dużą wytrzymałość z równoczesną plastycznością, umożliwiającą z kolei wykonywanie tkanin ekranujących; c. istnieje możliwość kontrolowanego kształtowania właściwości fizycznych materiałów poprzez dobór ich składu chemicznego lub dodatkową obróbkę cieplną lub obróbkę cieplno-magnetyczną, d. przy formowaniu kształtu ekranu nie zmieniają się istotnie właściwości elektryczne i magnetyczne materiału, przez co nie zmienia się ich skuteczność ekranowania. Na zmianę skuteczności ekranowania materiału ekranującego z taśm amorficznych nie wpływają także drgania obiektu ekranowanego lub też wielokrotne odkształcenia występujące w trakcie eksploatacji ekranu; e. możliwe jest też formowanie cienkich i pojedynczych ekranów o określonej skuteczności tłumienia, ekranów wielowarstwowych o programowej skuteczności ekranowania dostosowanej do charakterystyki ekranowanego pola. Stopy amorficzne ferromagnetyczne miękkie są wytwarzane metodą szybkiego schładzania stopu, zwykle o podstawowym składzie zbliżonym do T 80 M 0, gdzie T - metal przejściowy, (Fe, Ni, Co lub ich kombinacja), M - metaloid (np. B, P, C, Si lub ich kombinacja). Zakłada się, że stopy takie są ferromagnetykami o budowie domenowej, a spontaniczne namagnesowanie rozpatrywane jest jako warunek powstawania magnetyzmu w tych materiałach. Zakłada się, że namagnesowywanie amorficznych metali zachodzi drogą przemieszczania granic magnetycznych domen i obrotu wektora spontanicznego namagnesowania [, ]. Stopy amorficzne ferromagnetyczne miękkie mają izotropową i jednorodną w znaczeniu magnetycznym strukturę i należy oczekiwać, że powinny się łatwo magnesować. Dowodem tego jest mała koercja magnetyczna, nie przekraczająca 8 A/m. Tym niemniej stwierdza się, że ferromagnetyki amorficzne mogą przejawiać pewną anizotropię przy magnesowaniu. Anizotropia magnetyczna stopów amorficznych jest wynikiem niejednorodność! strukturalnej wynikającej z procesu technologicznego, która nie zanika nawet po obróbce cieplnej. Zjawiska zachodzące podczas odlewania taśm na szybko wirujący walec powodują, że początkowo nieuporządkowane atomowe konfiguracje w cieczy stają się częściowo ukierunkowane wzdłuż strumienia wypływu i krzepnięcia stopu powodując jednoosiową anizotropię []. Powierzchnie taśm amorficznych mają zazwyczaj niewielką chropowatość osiągając wartości ok. l /mi. Zwiększanie chropowatości powierzchni taśm jest przyczyną wzrostu koercji []. Polepszenie gładkości powierzchni taśm amorficznych w procesie ich wytwarzania ma istotny wpływ na obniżenie koercji i poprawę właściwości, szczególnie gdy są wykonane z materiałów magnetycznie miękkich. Istnieją różne sposoby zmiany właściwości magnetycznych stopów amorficznych, głównie przez obróbkę cieplną konwencjonalną oraz w polu magnetycznym. Obróbka cieplna powoduje relaksacje amorficznej struktury, przy której istniejące wcześniej naprężenia mogą znikać. W rezultacie anizotropia magnetyczna i utrwalenia granic domen w znacznym stopniu mogą zanikać. Można też zauważyć, że relaksacja naprężeń podczas obróbki cieplnej jest efektywnym sposobem polepszania właściwości magnetycznych []. Jednak przy podwyższaniu temperatury wyżarzania powyżej pewnej wartości obserwuje się silny wzrost koercji H c. To znaczne podwyższenie H c zachodzi w pobliżu temperatury krystalizacji stopu amorficznego. Przyczyną stabilności granic domen jest pojawienie się struktury krystalicznej [6]. Rezystywność stopów amorficznych jest znacznie wyższa niż stopów krystalicznych, a ponadto bardzo mało zmienia się z temperaturą. Temperaturowy współczynnik rezystywności ma wartość rzędu 0~ -0~ K' [7]. Duża przenikalność magnetyczna i wiotkość umożliwiają stosowanie stopów amorficznych na giętkie ekrany magnetyczne. Istotną zaletą jest też stałość własności magnetycznych podczas modelowania kształtu ekranów, której nie wykazują materiały krystaliczne []. Duża wytrzymałość przy równoczesnej wiotkości daje także możliwość wytwarzania z nich elastycznych oplotów na kablach. Współczynnik tłumienia dla ekranu wykonanego z pojedynczej warstwy tkaniny ze stopu amorficznego przy natężeniu pola 00^00 A/m wynosi 0^0. Ze stopów amorficznych na osnowie Co z magnetostrykcja bliską zeru wykonać można ekrany posiadające dobrą skuteczność w polach o natężeniu poniżej 0 A/m [8]. Stopy te stosuje się na ekrany odkształcane z małym promieniem zgięcia (np. przy ekranowaniu kabli o małej średnicy). Dla innych stopów naprężenia wprowadzone podczas zginania przyczyniają się również do zmniejszenia efektywnego tłumienia. Przykładowo, ekran warstwowy z taśmy szkła metalicznego o grubości 0 warstw x 0,0 mm ma podobne właściwości jak ekran podwójny z permaloju o grubości warstwy x 0, mm i dodatkowo po obróbce termomagnetycznej. Z porównania tych danych wynika podstawowa zaleta stosowania taśm amorficznych w układach ekranujących, dotycząca możliwości minimalizacji grubości i ciężaru ekranu lub zwiększenia skuteczności ekranowania. Dodatkowo wymienić można łatwość formowania cienkich taśm amorficznych lub możliwość stosowania tych materiałów w postaci proszku [9]. Stop amorficzny charakteryzuje się w tym przypadku nie tylko lepszymi właściwościami w stosunku do stopu krystalicznego, ale umożliwia także konstrukcję ekranów cieńszych. Ekrany z taśmy szkła metalicznego są lekkie, elastyczne i sprężyste. Dają się ponadto łatwo formować i są znacznie bardziej odporne na wstrząsy

3 S. 0 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 6 i naprężenia mechaniczne. Jakościowo nową grupę stanowią również ekrany warstwowe składające się z taśmy szkła metalicznego oraz cienkiej warstwy miedzianej lub aluminiowej oddzielonej warstwą dielektryczną [0]. Do najważniejszych czynników pozwalających na wysoką ocenę aplikacyjną odpowiednio dobranych taśm ze stopów amorficznych należą []: a. brak anizotropii magnetokrystalicznej, a w konsekwencji mała energia ścianek domenowych i prawie w pełni odwracalny ich ruch pod wpływem zewnętrznego poła magnetycznego; b. stosunkowo duża rezystywność elektryczna, mała grubość ( H- /mi) i względnie tania produkcja. Po raz pierwszy zastosowano taśmy amorficzne w 976 r. do ekranowania magnetycznego. Jednym z pierwszych tego typu materiałów produkowanych przemysłowo przez firmę Allied Chemical Co., był stop Metglas 0 Ni 0 P B 6, z którego wykonywano ekrany pod handlową nazwą Metshield []. Metshield zastosowano do ekranowania kabli w stacji kosmicznej Yoyager l i []. Przenikalność magnetyczna tego stopu wynosi około Do ekranowania wykorzystywane są również inne szkła metaliczne o dużej przenikalności, np. 0 Ni 8 Mo B 6 (Metglas 86 MB), Co 70 Fe Si 0 B i Fe 6 Ni 6 Si 8 B (Amomet) []. Wspomniane stopy mają przenikalność w granicach 0^70000 i koercję 0,-H l,6 A/m przy mniejszej od stopów krystalicznych konduktywności [6, ]. Również firma niemiecka Yacuumschmelze GmbH oferuje stop amorficzny do ekranowania pod nazwą Vitrovac. Przenikalność maksymalna dla tego stopu wynosi 00, a koercja <0,0 A/cm []. Należy jednak zauważyć, że mała wartość przenikalności początkowej dla większości szkieł metalicznych jest przyczyną ich mniejszej skuteczności tłumienia dla pól o małym natężeniu [8].. Przebieg badań. Do badań wybrano stopy amorficzne na osnowie żelaza, żelaza i niklu oraz kobaltu. Stopy amorficzne, dla których przeprowadzono badania posiadają następujące składy chemiczne (w % atomowych):, Co 60 Ni 0 Fe Si n B, Co 68 Mo Si, B ll7 Fe sm^mojsigbij. Stop wytwarzany przez firmę Ałlied Signal w postaci taśm posiada nazwę handlową Metglas 60 S. Taśmy z tego stopu 0 szerokości 00 mm i grubości 0,06 mm pocięto na odcinki o szerokości 0 mm. Stopy na osnowie kobaltu wytworzono laboratoryjnie, metodą chiłl melt błock spinning" uzyskując taśmy o szerokości 0 mm grubościach 0,0^0,0 mm. y te wytworzono przy współpracy z Instytutem Metali Nieżelaznych w Gliwicach. Próbki z wymienionych szkieł metalicznych zostały poddane badaniom własności magnetycznych i elektrycznych. Badania własności magnetycznych, tj. wyznaczenie pierwotnej krzywej magnesowania i pętli histerezy oraz określenie pozostałości magnetycznej, koercji, maksymalnej indukcji i natężenia pola magnetycznego przy nasyceniu oraz określenie przenikalności magnetycznej początkowej i maksymalnej wykonano dla częstotliwości pola, 00,,, Hz. Badania wykonano metodą pierścieniową na rdzeniach zwijanych z metalowych taśm amorficznych o wymiarach: średnica wewnętrzna 0 mm i średnica zewnętrzna mm, szerokość 0 mm. Dodatkowo wybrane rdzenie poddano obróbce cieplnej magnetycznej w temperaturze 60 i 0 C w polu magnetycznym o natężeniu 0 Oe, a następnie ponownie poddano badaniom własności magnetycznych. Badania własności elektrycznych (konduktywności) wykonano przez pomiar rezystancji odcinków taśm amorficznych o długości m, za pomocą pełnego mostka Thompsona, obliczając wartość konduktywności z wyrażenia: y = l/r a-b gdzie: y -jest konduktywnością, R - rezystancją, a - szerokością, b - grubością, / - długością próbki. Ekrany pól elektromagnetycznych wykonano jako tkaniny o prostym splocie, z badanych metalowych taśm amorficznych, oddzielnie dla każdego stopu. Z uwagi jednak na znaczną kruchość taśm po obróbce ieplnej magnetycznej, ekrany wykonano tylko z taśm w stanie bezpośrednio po odlaniu. Na krośnie ręcznym wykonano tkaniny o wymiarach około 0 mm x 0 mm przeplatając wzajemnie taśmy o szerokości 0 mm i grubości 0,0 H-0,0 mm nie dopuszczając, aby powstawały szczeliny pomiędzy pasmami. W każdym przypadku grubość tkaniny odpowiadała podwójnej grubości taśm, z której ją wykonano, co wynika z zastosowanego sposobu przeplatania. Pomiary tłumienności wykonano zgodnie z zaleceniami amerykańskiej normy MIL-STD 8 w układzie pomiarowym składającym się z analizatora sieci HP87, anteny nadawczej i odbiorczej, przetwornika optoelektronicznego, łącza światłowodowego, łącza optycznego, ekranowanej komory i wzmacniacza mocy wysokiej częstotliwości. W celu wykonania pomiarów skuteczności ekranowania pola elektromagnetycznego przez badane tkaniny i określenia ich tłumienności, skalibrowano układ pomiarowy stanowiska badawczego, a następnie otwór pomiarowy o średnicy 0 cm w ściance komory, zasłaniano badanymi ekranami. Ekran badany mocowano za pomocą uziemionego pierścienia uszczelniającego. Stosowano anteny nadawcze i odbiorcze ramowe 0 średnicy cm. Anteny umieszczano symetrycznie obustronnie względem ekranu w odległościach odpowiednio cm. Pomiar tłumienia dla składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego wykonano w zakresie częstotliwości 00 Hz do l MHz (pole bliskie L < A/n). Na podstawie przeprowadzonych pomiarów sygnałów elektrycznych, pochodzących z anteny nadawczej i odbiorczej, wyliczano współczynnik tłumienia b s []. Badania tłumienności przeprowadzono w Instytucie Telekomunikacji Akustyki Politechniki Wrocławskiej.. Wyniki badań i ich omówienie. Pomiary własności magnetycznych badanych stopów w stanie bezpośrednio po odlaniu, dla pięciu różnych częstotliwości, wskazują na istotne zróżnicowanie przenikalności magnetycznej szkieł metalicznych w zależności od ich składu chemicznego i częstotliwości (tabl. ). Na podstawie analizy krzywej magnesowania pierwotnego wynika, że ze stopów na osnowie kobaltu zdecydowanie największe wartości przenikalności magnetycznej posiada stop, dla którego n rrmx = 88 7 i ^rstart = 7 67 dla częstotliwości Hz, natomiast najniższe ale dobre wartości przenikalności ma stop na osnowie żelaza B, dla którego /i rmax = oraz ^rstart = 60. Wartości przenikalności magnetycznej zmniejszają się wraz ze zwiększaniem się częstotliwości pola magnetycz-

4 00 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. Tablica. Własności szkiet metalicznych uzyskane z pętli histerezy oraz krzywej magnesowania pierwotnego Table. Properties ofmetallic glasses readfrom hysteresis' loop and readfromprimary curve of magnetizing and screens thickness No /grubość ekranu grubość ekranu 0,0 mm C 60 Ni 0 Fe S ill B grubość ekranu 0,088 mm Co 68 Mo li Si. grubość ekranu 0,08 mm Si l J^ grubość ekranu 0,06 mm Fe ^M^MOjSigBjj grubość ekranu 0,088 mm /Hz B r T 0,70 0,78 0,7 0,77 0, 0,68 0,0 0,0 0,0 0,09 0,9 0,8 0,97 0,9 0,66 0,7 0,66 0,6 0,68 0,69 H c A/cm 0, 0,6 0,8 0, 0,0 0,07 0, 0,6 0,06 0,0 0,0 0,09 0,00 0,0 0,0 0,8 0,0 0,0 0,088 0, li jkrflart B[T]. Rys.l. Pętla histerezy uzyskana dla stopu w zakresie częstotliwości pola do Hz Fig.. Hysteresis' loopsfor Fe ls alloy for different freguencies offield in rangę to Hz B m Rys.. Pętla histerezy uzyskana dla stopu CoggFe^Oj Si w zakresie częstotliwości pola do Hz Fig.. Hysteresis' loops for Co 6S Fe ł Mo i i i fi alloy for different freąuencies offield in rangę to Hz nego. Na podstawie własności stopów rejestrowanych przy wyznaczaniu pętli histerezy wynika, że w miarę wzrostu częstotliwości pola, miękkie własności magnetyczne stopów ulegają pogorszeniu (tabl. ). Największe wartości pozostałości magnetycznej i pola koercji stwierdzono dla stopu, dla którego B r = 0,7 T i H c = 0, A/cm (dla Hz), a najmniejsze dla stopu Co 68 Mo Si B j, dla którego H c = 0,06 A/cm, natomiast B r = 0,0 T. Przykładowe pętle histerezy magnetycznej uzyskane dla stopu oraz Co 68 Mo Si przedstawiono na rys. l i. Przedstawione wyniki badań i uzyskane zależności w zakresie zmian własności magnetycznych i wpływu na nie częstotliwości pola elektromagnetycznego są zgodne z przewidywanymi na podstawie danych literaturowych. Nieco inaczej przedstawiają się rezultaty badań własności szkieł metalicznych po obróbce cieplnej magnetycznej (tabl. ). W tym przypadku największą wartość przenikalności magnetycznej uzyskał stop Co 68 Mo Si, dla którego /i rmax = 800 i \i rstart '= 7, a najmniejszą Fe j Mn Mo B, dla którego y«rmax = i ^rstart = Dobre wyniki otrzymano dla stopu dla którego wartości przenikalności wynoszą: n rnmax = 800, a ił rsait = 700 (dla Hz). Własności szkieł metalicznych po obróbce cieplnej magnetycznej odczytane z pętli histerezy, są znacznie lepsze w porównaniu do stopów bezpośrednio po odlaniu. Dla stopu na osnowie żelaza uzyskano B r =,6 T oraz H c = 0,08 A/cm, (dla Hz) natomiast najmniejsze wartości uzyskano dla stopu B, które wynoszą B r = 0,7 T oraz H c = 0,0 A/cm. Uzyskane bardzo dobre własności magnetyczne miękkie badanych szkieł metalicznych, a zwłaszcza duża przenikalność magnetyczna, która znacząco decyduje o tłumieniu składowej magnetycznej pól elektromagnetycznych, można jednak w ograniczonym stopniu wykorzystać do budowy ekranów, ze względu na dużą kruchość tak obrobionych szkieł metalicznych (po obróbce cieplnej magnetycznej). Niedogodność ta w szczególności dotyczy ekranów, które dla wy-

5 S. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr Tablica. Własności szkieł metalicznych po obróbce cieplnej magnetycznej odczytane z pierwotnej krzywej magnesowania i z krzywej przenikalności Tab l e. Properties of metallic glasses after magnetic heat treatment read from hysteresis' loop and read from primary curve of magnetizing and screens thickness Nr C 60 Ni 0 Fe Si ll B Co 6g Mo > Si, CoggMojFe^i^Bn Fe Mn Mo B / Hz H max A/cm B mib T M"nax Ił r start Tablica. Wyniki pomiarów konduktywności Tab l e. Results of conductivity measurements Nr Co^fijoPtesSiuBi* COggFeJMOj Si COggMOjFe^iiBu Fr jmr^moisigbjj Konduktywność x 0 6 S/m 0,669 +0,0 0.0 ±0,0 0,6 +0,00 0,69 ± ,6 ±0.0 branych zastosowań powinny być elastyczne [6]. Inne typy ekranów stacjonarnych w zasadzie można poddawać obróbce cieplnej magnetycznej, ale w tym przypadku ograniczenia wynikają z rozmiarów i wymaganego kształtu ekranu oraz dostępności odpowiednich urządzeń do obróbki cieplnej magnetycznej. W omawianym przypadku obróbka cieplna magnetyczna została wykonana na rdzeniach toroidalnych, których rozwijanie, np. w celu następnego wykonania tkanin ekranujących, jest równoznaczne z ich zniszczeniem - połamaniem na krótkie odcinki. Z uwagi na kruchość taśm po obróbce cieplnej magnetycznej w dalszej części badań zrezygnowano z wykonywania ekranów z materiałów w takim stanie, ograniczając się do stopów w stanie plastycznym - bezpośrednio po odlaniu, przydatnym do formowania ekranów. Konduktywność szkieł metalicznych zmienia się wraz z temperaturą, podobnie jak w metalach krystalicznych, jednak metastabilna struktura szkieł metalicznych, często nawet w stosunkowo niskich temperaturach ulega przemianom w struktury bardziej stabilne, co wiąże się ze zmianami konduktywności. Przeprowadzone badania konduktywności analizowanych szkieł metalicznych zrealizowano głównie w celu porównania z konduktywnością dobrych przewodników, które dobrze tłumią składową elektryczną pola elektromagnetycznego w średnim i wysokim zakresie częstotliwości. Wyniki pomiarów konduktywności analizowanych szkieł metalicznych zestawiono w tabl.. Wszystkie badane szkła metaliczne wykazują zbliżoną konduktywność 0,-^-0,67 x 0 6 S/m, to jest na poziomie około 00-krotnie mniejszym od konduktywności miedzi. Tłumienie pola elektromagnetycznego dla składowej magnetycznej w zakresie częstotliwości do l MHz jest silnie uzależnione od składu chemicznego stopu, grubości ekranów i częstotliwości pola. Uzyskano wyniki tłumienności b s w zakresie wartości do. Tłumienność dla stopów kobaltowych dość wyraźnie zwiększa się w miarę wzrostu częstotliwości, natomiast dla stopu na osnowie żelaza pozostaje na niższym, prawie stałym, poziomie niezależnym od badanych częstotliwości (tabl. ). Równocześnie stwierdzono bardzo istotny wpływ grubości ekranu (taśm, z których wykonano ekrany), co przykładowo dla stopu przedstawiono w tabl.. Charakterystyki tłumienia tych ekranów w miarę wzrostu częstotliwości są do siebie zbliżone, różnią się jednak w pewnym zakresie poziomem tłumienia pola, co jest niewątpliwie skutkiem ich zróżnicowanej grubości. Przy analizie wyników tłumienności prezentowanych wszystkich stopów należy podkreślić, że pewne zaburzenie wprowadza fakt, że grubości badanych taśm, a zatem również ekranów ze szkieł metalicznych nie były identyczne. Zmiana grubości taśm wynika z technologii odlewania stopów. Z tego powodu należy uznać, że wszystkie uzyskane wyniki badań odnoszą się szczegółowo do konkretnych ekranów uzyskanych z taśm o określonej szerokości i grubości (tabl. ). Wpływ grubości ekranu wykonanego ze stopu na jego tłumienność dla wybranych częstotliwości przedstawiono na rys.. W tym przypadku należy przyjąć, że w zakresie analizowanej geometrii występuje w przybliżeniu liniowa zależność pomiędzy grubością ekranu a jego tłumiennością. Uwzględniając powyższą zależność, w celu bezpośredniego porównania własności tłumiących ekranów

6 00 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. Tablica. Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla badanych ekranów w Tab l e. Suppression of magnetic component of electromagnetic fields for investigated screens [] Nr Co 6oNiio Fe Si ii B i C Mo l. Si. B i j Co 70. Fr f Mn Mo B Grubość ekranu mm 0,0 0,088 0,08 0,06 0,088 0,,0 0, 0, 7,8,6,0, 8,0 0,,0,7 8, Częstotliwość khz 00,,0, 6, 0, 00, 6,7, 6,, 0, 0,0,6 8,,6,6,,0 8,8,6 Tablica. Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla pojedynczych ekranów wykonanych z taśm o różnej grubości ze szkła metalicznego w Tabl e. Suppression of magnetic component of electromagnetic fields for single layer screens madefrom tapes with different thickness from Fe ł metallic glass in [] Grubość ekranu 0,06 0,08 0,07 0,06 0,088 El E E E E b, 0, 0,8 7,6,, 7,6, 0, 8,6, Częstotliwość khz ,,8, 8, 9 6, 6,8 6, 6,6 00 6,, 9,6 6,8 6,6 0 8,,6, 8, 7, 8,8,6,6 9,6 7, stop stop stop stop stoo X 0, khz 00 khz 0 khz 0,06 0,07 0,08 0,088 grubość ekranu [mm] Rys.. Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla wybranych częstotliwości przez pojedyncze ekrany o różnej grubości (stop ) Fig.. Influence of screen thickness on Suppression of magnetic component of electromagnetic fields for selected freąuencies (alloy Fe ł Si lł B J wykonanych z badanych stopów, przeprowadzono ich ocenę po korekcie wyników. W tym celu wykorzystano równania regresji liniowej sprowadzając otrzymane wyniki do znormalizowanej grubości ekranu. Sposób korekty wyników dla stopów kobaltowych opiera się na zależności wynikającej z rys., natomiast dla stopu na osnowie żelaza wpływ grubości oceniono na podstawie wyników badań dla ekranów warstwowych przedstawionych w pracy [7]. Zestawione wyniki badań dla jednakowej skorygowanej grubości ekranów (0,088 mm), przedstawiono na rys. i w tabl. 6, co umożliwia bezpośrednie porównanie pomiędzy sobą otrzymanych wyników w zakresie skuteczności ekranowania Częstotliwość w khz Rys.. Zależność współczynnika tłumienia b, dla składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla badanych ekranów po znormalizowaniu grubości ekranów (ekrany ze stopów wg numeracji w tabl. l^ł) Fig.. Suppression coefficient b s for magnetic component of electromagnetic fields versus freąuency for screens with normalised thickness (designation of samples same as tabl. -) Analiza wyników skorygowanych wskazuje, że największą skutecznością ekranowania charakteryzuje się ekran ze stopu Co 68 Mo Si -jest to wynikiem bardzo dobrych własności magnetycznych, wynikających z pierwotnej krzywej magnesowania i najlepszych własności wynikających z pętli histerezy, tj. najniższej koercji i remanencji (H c = 0,06 A/cm, B r = 0,0 T dla Hz). Nieco mniejszą tłumienność wykazuje ekran ze stopu, który posiada najwyższą przenikalność magnetyczną, jednak nieco większe natężę-

7 S. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 6 Tablica 6. Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla badanych ekranów po znormalizowaniu grubości (0,088 mm) w Table 6. Suppression coefficient bs for magnetic component of electromagnetic fields versus freąuency for screens with normalised thickness (0,088 mm) Nr CogoNijoFejSiuB^ Co 68 Mo lj Si > Si i B it Fr Mn Mo B 0, 6, 0, 9,, 7,8,9,0 9,8, 8,0 0,,0 0,, 8, Częstotliwość khz 00,,0,7 6,6 0, 00, 6,7,8 6,6, 0, 0,0, 7,,6,9,, 7,,6 E+E O - E+E+E E+E+E+E E+E+E+E+E Q - El 0, l 0 00 Częstotliwość w khz Rys.. Zależność tłumienia składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego przez ekrany warstwowe ze stopu w funkcji częstotliwości Fig.. Suppression of magnetic component of electromagnetic field in function of freąuency, for multi-layer screens madę of Fe Ą Si la B li metallic glasses nie pola koercji i wyższą pozostałość magnetyczną. Tłumienność ekranu wykonanego ze stopu na osnowie żelaza jest najniższa spośród materiałów badanych, co związane jest również z najniższą przenikalnością magnetyczną i kilkakrotnie większym natężeniem koercji charakteryzujących ten materiał w stosunku do stopów kobaltowych. Równocześnie stwierdzono, że dla badanych ekranów tłumienie składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego w zakresie analizowanych częstotliwości jest na bardzo wysokim poziomie, przekraczającym 7, co odpowiada progowi wykrywalności sygnału i czułości stosowanych urządzeń pomiarowych. W celu zwiększenia skuteczności tłumienia składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego analizowano możliwości, jakie wynikają z zastosowania ekranów warstwowych ze stopu. Uzyskane wyniki badań dla pojedynczych ekranów różniących się grubością przedstawiono w tabl., natomiast wyniki badań skuteczności ekranowania dla układów warstwowych, uzyskanych poprzez dokładanie kolejnych ekranów, przedstawiono rys.. Pomiary tłumienia składowej magnetycznej ekranów warstwowych o różnej liczbie warstw składanych z tkanin ekranujących oznaczonych jako El do E wykazały dobre tłumienie w zakresie częstotliwości do 0 khz na poziomie do 9 już przy zastosowaniu ekranów trójwarstwowych, natomiast na poziomie do ok. 8 uzyskuje się dla ekranów pięciowarstwowych. Powyżej 0 khz tłumienie ekranów warstwowych znacznie zwiększa się osiągając wartości b s powyżej 70 dla ekranów - i -warstwowych dla częstotliwości pola 0 i khz.. Podsumowanie. Przeprowadzone badania skuteczności tłumienia pól elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości do l MHz wykazały dużą przydatność ekranów wykonanych ze szkieł metalicznych. Tłumienie pola elektromagnetycznego dla składowej magnetycznej w zakresie częstotliwości do l MHz jest silnie uzależnione od składu chemicznego stopu, grubości ekranów i częstotliwości pola. Tłumienność dla stopów kobaltowych dość wyraźnie zwiększa się w miarę wzrostu częstotliwości, natomiast dla stopu na osnowie żelaza pozostaje na niższym, prawie stałym, poziomie. Przy analizie wyników tłumienności pewne zaburzenie wprowadza fakt, że grubości badanych taśm, a zatem również ekranów ze szkieł metalicznych nie zawsze są jednakowe, co wynika z technologii odlewania stopów. Na podstawie analizy wpływu grubości ekranu na jego tłumienność stwierdzono w badanym zakresie zależność liniową pomiędzy grubością ekranu a jego tłumiennością, co umożliwiło skorygowanie wyników dla znormalizowanej grubości ekranu (0,088 mmm). Największą skutecznością ekranowania charakteryzuje się ekran ze stopu Co 68 Mo Si, co jest wynikiem bardzo dobrej przenikalności magnetycznej, najniższej koercji H c = 0,06 A/cm i najniższej remanencji B r = 0,0 T dla Hz. Tłumienność ekranu wykonanego ze stopu na osnowie żelaza Si g jest najniższa spośród materiałów badanych, co związane jest z najniższą przenikalnością magnetyczną i kilkakrotnie większym natężeniem koercji tego materiału w stosunku do stopów kobaltowych. W celu zwiększenia skuteczności ekranowania należy poszukiwać rozwiązań w układach warstwowych, pozwalających na znaczne poprawienie tłumienności. Dodatkowo powyżej częstotliwości 0 khz tłumienność ekranów warstwowych znacznie zwiększa się osiągając wartości b s powyżej 70 dla układów - i -warstwowych.

8 00 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. Stwierdzono ponadto, że dla badanych ekranów tłumienie składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego w zakresie analizowanych częstotliwości jest bardzo skuteczne, na poziomie przekraczającym 7, co odpowiada progowi wykrywalności. W tym zakresie częstotliwości konduktywność materiału jest wystarczająca, aby zapewnić bardzo dobre ekranowanie. Literatura. Indulski. A. (red): Kryteria zdrowotne środowiska, fale radiowe i mikrofale, t. 6, PZWL, Warszawa 987. Marciniak J., Nowosielski R.: Ochrona naturalnego środowiska elektromagnetycznego człowieka, Przegląd Mechaniczny, 988, Nr 9, s.. [-] IEC Standard 8, Safety requirements for electronic measuring apparatus, Second Ed, Geneve, 978. Miszin D. D.: Magnitnyje matieriały, Izd. WUZ, Moskwa 98. Mikolajczyk H.: Pole elekrtomagnetyczne, PWN, Warszawa Griner S., Nowosielski R.: Wytwarzanie szkieł metalicznych w postaci taśm i włókien metodami ciągłego odlewania, Mat. Konf. Nowoczesne osiągnięcia metaloznawstwa, PAN, Poi. Śl, Gliwice, 99 s Griner S., Nowosielski R.: Techniczne aplikacje szkieł metalicznych, Mat. Konf. Nowoczesne osiągnięcia metaloznawstwa, PAN, Poi. Śl, Gliwice, 99, s Marciniak J., Nowosielski R., Griner S., Kowalówka R.: Prace Inst. Metaloznawstwa i Spawalnictwa, Poi. ŚL, Gliwice NB-07/RMT-/86/90, 9. Zolotunin I. W.: Fizyczeskije swojstwa amorfnych mietałliczeskich matieriałow, Izd. Mietałłurgija, Moskwa Nowosielski R., Griner S.: Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany ze szkieł metalicznych na osnowie Fe i Co, Inżynieria owa. 997, Nr l, s.. Warlimont H.: New magnetic materials by rapid solidification, Proc. V Conf. RQM, Wurzburg, 98, s. 99. Kulik T.: Nanokrystaliczne materiały magnetycznie miękkie otrzymywane przez krystalizację szkieł metalicznych, Oficyna Wyd. Poi. Warszawskiej, Warszawa 998. Luborsky P. E., Frischman P. G., Jahnson L. A.: Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 990, Nr 9, s. 90. Fujimori H., Morita H., Obi Y., Ohta S.: Amorphous Magnetism II, Plenum Press, New York, 977, s. 9. Lachowicz H. K.: Zastosowanie metalicznych taśm amorficznych w przyrządach elektronicznych, Magnetyki amorficzne, Instytut Fizyki PAN, Warszawa, 98, s Sudzuki W., Fudzimori H., Hasimoto K.: Amorfnyje matieriały", Izd. Mietałłurgija, Moskwa, Yi Ge, Ying G., Bangwei Z., Lingling W., Yang Yifang O., ShuzhiL.: Preparation andthermal properties of amorphous Fe-W-B alloy nano-powders, lournal of Materials Processing Technology, Nr 7, 998, s Sellers G. J.: Proceedings of IEEE International Symp. on Electromagnetic Compatibility, Seattle, 977, s Soiński M.: Wykorzystanie taśm amorficznych (szkieł metalicznych) do ekranowania elekromagnetycznego, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 99, Nr, s. 0. Ekran elektromagnetyczny, prawo ochronne na wzór użytkowy, W. 77 oraz zgłoszenie patentowe nr P. 6. Kolano R.: Stopy amorficzne i nanokrystaliczne, y konferencyjne, IMN, Gliwice, 99. Mendelson L. L. Nasbitt S. A.: IEEE Trans, of Magnetic, 976, Nr, s. 9. Dismukes J. P., Sellers G. J.: Bystrozakaljennyje matieriały, Izd. Mietałłurgija, Moskwa 98, s.. Marciniak J.: Zagrożenie naturalnego środowiska elektromagnetycznego, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, 000. [-] Prospekt firmowy Yacuumschmelze GmbH, PHT 6. Haneczok G., Kwapuliński P., Stoklosa Z., Rasek J., Wroczyński R.: Własności magnetyczne stopów typu nanoperm oraz ich wykorzystanie na ekrany pola elektromagnetycznego, Archiwum Nauki o ach, Nr, 00, s Nowosielski R., Griner S.: Ekranowanie pól elektromagnetycznych przez układy warstwowe ze szkła metalicznego Fe78Si9B, Proc. 7th Intern. Sci. Confer. AMME'98, Gliwice, Zakopane, 998, s. 8 Szanowni Czytelnicy Zapraszamy do zaprenumerowania naszego czasopisma, w którym znajdziecie Państwo informację o aktualnych nowościach z dziedziny przemysłu hutniczego. Redakcja