Магнитомягкие экранирующие материалы и их аналоги¶

Феррофольгамма — торговое наименование гибкого магнитомягкого экранирующего материала, выпускавшегося в СССР и России на основе ленты из железоникелевого сплава (пермаллоя) с высокой магнитной проницаемостью. Материал применяется для экранирования чувствительной электронной аппаратуры, измерительных приборов, датчиков и кабельных трасс от постоянных и низкочастотных магнитных полей. Под «аналогом феррофольгаммы» обычно понимают любой гибкий или листовой экран с близкими характеристиками: высокое значение начальной и максимальной магнитной проницаемости, низкая коэрцитивная сила, малые потери на перемагничивание, возможность изгиба и формовки без существенной потери свойств.

¶Природа экранирования магнитного поля

Экранирование магнитного поля принципиально отличается от экранирования электрического. Электростатический экран из проводящего материала отводит заряды и замыкает поле на себя. Магнитное поле нельзя «заземлить»: постоянное и низкочастотное магнитное поле ослабляется только путём перераспределения магнитного потока внутри материала с высокой магнитной проницаемостью μ. Чем выше μ, тем меньшая часть потока проходит через защищаемый объём и тем сильнее ослабление поля.

Эффективность экрана принято характеризовать коэффициентом экранирования — отношением напряжённости поля снаружи к напряжённости внутри. Для тонкостенного цилиндрического или сферического экрана в слабом поле справедлива приближённая зависимость, согласно которой коэффициент экранирования растёт пропорционально μ и толщине стенки и обратно пропорционален диаметру экрана. Отсюда практические выводы: экран должен быть как можно более замкнутым, стенки — по возможности толще, а диаметр полости — минимальным.

¶Основные типы аналогов

Материалы, применяемые вместо феррофольгаммы, делятся на несколько групп.

¶Пермаллои

Классический аналог — ленты и листы из пермаллоя марок 79НМ, 80НХС, 76НХД и подобных. Содержание никеля в них составляет от 76 до 80 %, что обеспечивает начальную магнитную проницаемость в десятки и сотни тысяч. Материал выпускается в виде холоднокатаной ленты толщиной от 0,02 до 0,5 мм, часто с изоляционным покрытием. Недостатки — высокая стоимость никеля, чувствительность к механическим деформациям и необходимость термической обработки в водороде или вакууме для восстановления магнитных свойств после гибки.

¶Кристаллические сплавы на основе железа и кремния

Электротехническая сталь (кремнистое железо) имеет существенно меньшую проницаемость, но значительно дешевле. Тонколистовая анизотропная сталь толщиной 0,05–0,35 мм применяется там, где требуются умеренные коэффициенты экранирования и большие габариты экрана. Такие решения распространены в трансформаторостроении и в экранах силовых установок.

¶Аморфные и нанокристаллические сплавы

Аморфные ленты на основе железа, кобальта и никеля (например, системы Fe-Si-B, Co-Fe-Si-B) и нанокристаллические сплавы типа Fe-Si-B-Nb-Cu получают сверхбыстрой закалкой расплава. Они сочетают высокую магнитную проницаемость с повышенным электрическим сопротивлением и малой толщиной (20–30 мкм). Нанокристаллические материалы по эффективности приближаются к пермаллоям, но менее чувствительны к механическим нагрузкам и часто используются в виде многослойных гибких экранов и лент для обмотки кабелей.

¶Композитные и многослойные экраны

Практический аналог феррофольгаммы — многослойная конструкция «магнитомягкий слой — изолятор — магнитомягкий слой». Чередование слоёв повышает эффективность за счёт многократного перераспределения потока и снижения вихревых токов. В качестве изолятора применяются лаки, полимерные плёнки, клеевые составы. Существуют также композиты с порошковым ферромагнитным наполнителем в полимерной матрице: они уступают сплошным лентам по проницаемости, но технологичны и позволяют получать экраны сложной формы.

¶Сравнительные характеристики

Приведённые значения ориентировочны: реальные характеристики зависят от термообработки, механических напряжений, частоты поля и конструкции экрана.

¶Конструктивные решения

На практике вместо сплошного листа часто применяют:

• кабельные обмотки — лента наматывается поверх экранируемой жилы или жгута с перекрытием витков;
• корпусные экраны — из ленты формуют кожух, который затем отжигают в собранном виде;
• многослойные рукава — сочетание ферромагнитной ленты и медной оплётки для подавления широкого спектра помех;
• экранированные комнаты — панели из пермаллоя или стали с непрерывным электрическим контактом по стыкам.

Ключевые требования к монтажу: минимум отверстий и разрывов, перекрытие швов, отсутствие острых перегибов, исключение контакта с агрессивными средами.

¶Применение

Аналоги феррофольгаммы востребованы в измерительной технике (магнитометры, датчики Холла, SQUID-магнитометры), в медицинском приборостроении (магнитокардиография, магнитоэнцефалография), в космической и авиационной аппаратуре, в электронно-лучевых приборах, в системах записи и хранения данных, а также при защите кабельных линий связи от наводок. Отдельное направление — экранирование криогенных устройств и сверхпроводящих магнитов.

¶Выбор материала

При подборе аналога учитывают: диапазон частот поля, требуемый коэффициент экранирования, допустимые габариты и массу, условия эксплуатации (температура, влажность, вибрация), технологичность монтажа и стоимость. Для слабых постоянных полей оптимальны пермаллои и нанокристаллические сплавы; для сильных полей и низких требований к ослаблению достаточно электротехнической стали; для сложных форм и серийного производства удобны композитные материалы.