3.Магнитные покрытия (Архив лекций по функциональным покрытиям)

Магнитные покрытия

• Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле);

• Более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о еще более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля

• Магнитные материалы делятся на магнитотвердые материалы и магнитомягкие материалы.

• В связи с успехом в науках изучающих магнетизм и с развитием большой исследовательской работы в области изучения магнитных материалов, появились новые большие группы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы.

• Виды магнетизма:

• зонный магнетизм;

• молекулярный магнетизм

• Выделяют несколько основных типов магнетиков, различимых по конфигурации их магнитных структур:

• ферромагнетики,

• неколлинеарные ферромагнетики,

• антиферромагнетики,

• ферримагнетики,

• гелимагнетики,

• спиновые стёкла.

• Акустические системы, реле и бесконтактные датчики

• Электромашины, магнитные сепараторы, холодильники

• Магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации

• Тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы

• Медицина (магнитотерапия, магнитные матрасы)

• Периферийные устройства компьютеров, мобильные телефоны, фотоаппараты, кинокамеры

• Неразрушающие методы контроля (Магнитопорошковый контроль)

• Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.\

• Основные характеристики магнитных материалов

• петля гистерезиса,

• кривая намагничивания,

• магнитной проницаемостью,

• Потери энергии при перемагничивании.

• Основанием для деления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором – вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса.

• Форма петли гистерезиса обеих групп материалов, индукция насыщения Bs и остаточная индукция Вс примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Нс достигает очень большого значения. Так, для магнитотвердых материалов наибольшая коэрцитивная сила Нс=800 кА/м, а для магнитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила Нс=0,4 А/м, т.е. различие составляет 2*106 раз.

• Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято разделение на магнитомягкие и магнитотвердые.

Свойства материалов

• Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной силы Нс, поэтому способны намагничиваться до насыщения даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:

• Узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Нс<4 кА/м (см.рис. 1.3, а,б,в);

• Однородность структуры;

• Минимальные механические напряжения;

• Минимальное количество примесей и включений;

• Незначительная кристаллографическая анизотропия.

• Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса применяют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.

• Магнитотвердые материалы имеют большие значения коэрцитивной силы Нс, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной силой Нс>4 кА/м и наличием однодоменных структур, возникающих в небольших объемах магнитного вещества.

• Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов.

• Особую группу составляют материалы особого назначения, которые имеют сравнительно узкую область применения.

По назначению магнитотвердые материалы подразделяются на

• материалы для постоянных магнитов

• материалы для записи и хранения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на :

• литые,

• порошковые

• прочие.

Порошковые магнитотвердые материалы

• Применяются для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

• Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их. Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al-, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных металлов. Магниты на основе сплавов ЮНДК обладают повышенной пористостью спеченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3…6 раз превосходят литые.

• Сплавы на основа редкоземельных металлов (РЗМ) и урана при определенных соотношениях обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы Нс (предельное теоретическое значение составляет 1032 кА/м) и рекордными значениями максимальной удельной магнитной энергии Емах. Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.

• К недостаткам бариевых магнитов относят: плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость); большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВr в 10 раз больше, чем ТКВr литых магнитов);Эффект необратимой потери магнитных свойств после охлаждения магнита до температуры -60 С и ниже (после охлаждения и последующего нагревания до начальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

Прочие магнитотвердые материалы

• К этой группе относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.

• Пластически деформируемые магниты обладают хорошими пластическими свойствами; хорошо поддаются всем видам механической обработки (хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на металлорежущих станках); имеют высокую стоимость.

• Кунифе – медь–никель–железо (Cu-Ni-Fe) обладают анизотропностью (намагничиваются в направлении прокатки).

• Применяются в виде проволоки и штамповок.

• Викаллой – кобальт–ванадий (Co-V) получают в виде высокопрочной магнитной ленты и проволоки. Из него изготавливают также очень мелкие магниты сложной конфигурации.

• Эластичные магниты представляют собой магниты на резиновой основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего используют феррит бария. Они позволяют получить изделия любой формы, которую допускает технология изготовления деталей из резины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами, штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость.

Магнитные носители информации

• «Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной памяти ЭВМ, для отклоняющих систем в телевидении, корректирующих систем.

• Магнитные носители информации при перемещении создают в устройстве считывания информации переменное магнитное поле, которое изменяется во времени также, как записываемый сигнал.

Магнитные материалы для носителей информации должны отвечать следующим требованиям:

• высокая остаточная магнитная индукция Br для повышения уровня считываемого сигнала;

• для уменьшения эффекта саморазмагничивания, приводящего к потере записанной информации, значение коэрцитивной силы Нс должно быть как можно более высоким;

• для облегчения процесса стирания записи желательна малая величина коэрцитивной силы Нс, что противоречит предыдущему требованию;

• большие значения коэффициента выпуклости Квып =(ВН)мах/BrHc, что удовлетворяет требований высокой остаточной магнитной индукции Br и минимальной чувствительности к саморазмагничиванию;

• высокая температурная и временная стабильность магнитных свойств.

Материалы для магнитных носителей

• Материалы для магнитных носителей информации представляют собой металлические ленты и проволоку из магнитотвердых материалов, сплошные металлические, биметаллические и пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносятся на ленты, металлические диски и барабаны, магнитную резину и др.

• Сплошные металлические ленты и проволоку из викаллоя используют в основном в специальных целях и при работе в широком диапазоне температур. Проволока из нержавеющей стали толщиной 0,1 мкм обладает коэрцитивной силой Нс=32 кА/м, остаточной индукцией Br= 0,7Т и усилием разрыва 15Н.

• Основными недостатками данного типа материалов является трудность монтажа записи, быстрый износ записывающих и воспроизводящих устройств и высокая стоимость.

Свойства лент, дисков и барабанов с покрытием магнитными порошками зависят:

• от свойств исходных материалов (остаточная намагниченность порошка Br должна быть возможно более высокой);

• степени измельчения частиц (размеры колеблются от долей микрометра до единиц микрометров);

• объемной плотности магнитного материала в рабочем слое;

• ориентации частиц с анизотропией формы;

• толщины рабочего слоя порошка (он должен быть максимально тонким);

• свойств металлической ленты (она должна быть гладкой и гибкой для обеспечения максимального магнитного контакта между магнитными материалами ленты и устройства считывания).

Материалы для магнитных лент

• Несмотря на то, что ленты на пластмассовой основе обеспечивают меньший сигнал по сравнению с лентами на металлической основе, они находят более широкое распространение. В качестве основы для таких лент используют ацетилцеллюлозную или лавсановую ленту толщиной 20…50 мкм, которую изготавливают гибкой и гладкой, так как шероховатость может быть причиной шумов при записи и воспроизведении сигнала.

• В качестве магнитных порошков используют оксиды железа Fe2O3 и Fe3O4, магнитотвердые ферриты, железоникельалюминиевые сплавы, которые являются доступными и дешевыми материалами.

• Жидкие магниты представляют собой жидкость, наполненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жидкие магниты на кремний органической основе не расслаиваются даже под воздействием сильных магнитных полей, сохраняют работоспособность в диапазоне температур от –70 до +150?С.

Структура накопителя на жестких магнитных дисках (НЖМД)

• С конструктивной точки зрения НЖМД схожи с НГМД. Однако НЖМД содержат большее число электромеханических узлов и механических деталей, изолированных в герметизированном корпусе, и пакет магнитных дисков. Несколько дисков, объединенных в пакеты, жестко закрепляются на общей оси (рис. 3). Магнитные головки, объединенные в блок, приводятся в движение двигателем. Запись-считывание в НЖМД осуществляется бесконтактным способом, хотя в состоянии покоя МГ находятся на поверхности магнитного покрытия.

Жесткий магнитный диск - это круглая металлическая пластина толщиной 1,5..2мм, покрытая ферромагнитным слоем и специальным защитным слоем. Для записи и чтения используются обе поверхности диска. Поверхность диска, как и для НГМД, разбита на дорожки. Дорожки с одним и тем же радиусом на всех дисках пакета образуют цилиндр. Цилиндр определяет положение всех МГ блока при записи или считывании на той или иной дорожке. Цилиндрам присваиваются номера соответствующих дорожек. Обычно один сектор на дорожке вмещает несколько сотен байт. Полный адрес сектора в дисковом пакете состоит из трех частей: номера цилиндра, номера МГ и номера сектора на дорожке. Обычно используют пакеты с 4, 5, 8 и более дисками, где на каждую поверхность диска приходится по одной

• Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины.

• Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.

• Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Диски изготовлены. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем. винчестер

• Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска.

• Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

• Магнитно-силовая Микроскопия (МСМ) является эффективным средством исследований магнитных структур на субмикронном уровне. Получаемы с помощью МСМ изображения являются пространственным распределением некоторого параметра, характеризующего магнитное взаимодействие зонд-образец, например, силу взаимодействия, амплитуду колебаний магнитного зонда и т.д. Магнитный зондовый датчик является стандартным кремниевым (или изготовленным из нитрида кремния) зондовым датчиком, покрытым пленкой из магнитного материала. МСМ измерения позволяют проводить исследования магнитных доменных структур с высоким пространственным разрешением, записи и считывания информации в магнитной среде, процессов перемагничивания и т.д.

• При проведении магнитных исследований на субмикронном уровне прежде всего необходимо отделить «магнитные» изображения от изображений рельефа. Для решения этой проблемы магнитные измерения проводятся по двухпроходной методике. На первом проходе определяется рельеф поверхности по Контактному или Прерывисто-контактному ("полуконтактному") методам. На втором проходе каждой линии сканирования (или изображения в целом) кантилевер приподнимается над поверхностью и сканирование осуществляется в соответствии с запомненным рельефом. В результате на втором проходе расстояние между сканируемой поверхностью и закрепленным концом кантилевера поддерживается постоянным. При этом расстояние зонд-поверхность должно быть достаточно большим, чтобы пренебречь силами Ван-дер-Ваальса, так что на втором проходе кантилевер подвергается воздействию только дальнодействующей магнитной силы. В соответствии с этим методом и изображение рельефа и магнитное изображение могут быть получены одновременно.

• Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи, в общем, схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности.

• Можно представить, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности.

• Как видно, головка состоит из четырех слоев: железного, медного, кобальтового, и антиферромагнетика АФМ. АФМ слов, или как его еще называют, обменный слой, предназначен для фиксации магнитного поля второго слоя. Второй слой называется фиксирующим и у нас он сделан из кобальта. В нем магнитное поле всегда направлено в одну сторону. Третий слой – проводящий, обычно из меди, служит для разделения ферромагнитных слоев. Последний слой – чувствительный – тоже выполнен из ферромагнетика.

• В отличие от фиксирующего, направление его магнитного поля зависит от внешнего поля – поля ячейки. Ячейка жесткого диска содержит один бит информации. В зависимости от ориентации поля ячейки изменяется ориентация поля в чувствительном слое. Если ориентации полей в чувствительном и фиксирующем слоях совпадают, то ячейка, согласно рассмотренным выше принципам, увеличивает свою проводимость, т.е. начинает проводить ток. Если же ориентации полей противоположны, то получаем «металлический изолятор». Такой эффект изменения проводимости (ну или сопротивления, ведь это просто обратные величины) получил название GMR – Giant Magnetoresistive – эффект гигантского магнитоспротивления. GMR-эффект впервые был исследован в лабораториях IBM в конце 80х годов, но для его промышленной реализации потребовалось почти 10 лет.

• На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью.

Зоновая запись

• Для оптимального использования поверхности дисков применяется так называемая зоновая запись (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип которой состоит в том, что на внешних дорожках, имеющих большую длину (а следовательно - и информационную емкость), информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних. Таких зон с постоянной плотностью записи в пределах всей поверхности образуется до десятка и более; соответственно, скорость чтения и записи на внешних зонах выше, чем на внутренних. Благодаря этому файлы, расположенные ближе к "началу" винчестера, в целом будут обрабатываться быстрее файлов, расположенных ближе к его "концу".

• Теперь о том, откуда берутся неправдоподобно большие количества головок, указанные в параметрах винчестеров. Когда-то эти числа - число цилиндров, головок и секторов на дороже - действительно обозначали реальные физические параметры (геометрию) винчестера. Однако при использовании ZBR количество секторов меняется от дорожки к дорожке, и для каждого винчестера эти числа различны - поэтому стала использоваться так называемая логическая геометрия, когда винчестер сообщает контроллеру некие условные параметры, а при получении команд сам преобразует логические адреса в физические. При этом в винчестере с логической геометрией, например, в 520 цилиндров, 128 головок и 63 сектора (общий объем - 2 Гб) находится, скорее всего, два диска - и четыре головки чтения/записи.

• В винчестерах последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного следящего анализа и отчетности). Первая разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести делается заключение о приеме того или иного кодового слова - примерно так же мы читаем слова, в которых пропущены или искажены буквы.

• Винчестер, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику своих рабочих параметров (количество старт/стопов и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные ошибки и т.п.), которая регулярно сохраняется в перепрограммируемом ПЗУ или в служебных зонах диска. Эта информация накапливается в течение всей жизни винчестера и может быть в любой момент затребована программами анализа; по ней можно судить о состоянии механики, условиях эксплуатации или примерной вероятности выхода из строя.

Структура накопителя на гибких магнитных дисках

• Устройство накопителя на гибких магнитных дисках (НГМД) включает ГМД, пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрования и крепления, систему управления и контроля, систему записи-считывания) и три специальных датчика (датчик индексного отверстия, датчик запрета записи, датчик дорожки 00).

• Полезная поверхность диска представляет собой набор дорожек, расположенных с определенным шагом. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки). Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Сама дорожка разбивается на отдельные участки записи равной длины - секторы. Начало участков записи-считывания на дорожках определяется имеющимся на диске специальным круглым индексным отверстием. Когда индексное отверстие при вращении диска проходит под соответствующим окном кассеты, другой фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический импульс, по которому обнаруживается позиция начала дорожки.

• Позиционирующая система служит для установки магнитной головки точно над определенной дорожкой на поверхности диска. Все электрические схемы размещаются на печатной плате, компонуемой в корпусе НГМД. Обычно в профессиональной ПЭВМ к одному адаптеру через интерфейс можно подключать до четырех НГМД. Электронные схемы выборки поэтому имеют четыре входа. Для подключения определенных НГМД применяются микропереключатели.