stringtranslate.com

Феррит (магнит)

Стопка ферритовых магнитов с приклеенными к ним магнитными предметами домашнего обихода.

Феррит — это керамический материал, изготовленный путем смешивания и обжига оксида железа (III) (Fe 2 O 3 , ржавчина ) с одним или несколькими дополнительными металлическими элементами , такими как стронций , барий , марганец , никель и цинк . [1] Они ферримагнитны , то есть притягиваются магнитными полями и могут намагничиваться , превращаясь в постоянные магниты . В отличие от других ферромагнитных материалов, большинство ферритов не являются электропроводящими , что делает их полезными в таких приложениях, как магнитные сердечники трансформаторов для подавления вихревых токов . [2] Ферриты можно разделить на две группы в зависимости от их устойчивости к размагничиванию (магнитной коэрцитивности ).

«Жесткие» ферриты обладают высокой коэрцитивной силой , поэтому их трудно размагнитить. Они используются для изготовления постоянных магнитов для таких устройств, как магниты на холодильник , громкоговорители и небольшие электродвигатели .

«Мягкие» ферриты обладают низкой коэрцитивной силой, поэтому легко меняют намагниченность и действуют как проводники магнитных полей. Они используются в электронной промышленности для изготовления эффективных магнитных сердечников , называемых ферритовыми сердечниками, для высокочастотных индукторов , трансформаторов и антенн , а также в различных микроволновых компонентах.

Ферритовые соединения чрезвычайно дешевы, состоят в основном из оксида железа и обладают отличной коррозионной стойкостью. Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института синтезировали первые ферритовые соединения в 1930 году. [3]

Состав, структура и свойства

Ферриты обычно представляют собой ферримагнитные керамические соединения, полученные из оксидов железа . [4] Магнетит ( Fe
3О
4) — известный пример. Как и большинство других керамических материалов , ферриты тверды, хрупки и плохо проводят электричество .

Многие ферриты имеют структуру шпинели по формуле A B
2О
4, где A и B представляют собой катионы различных металлов , одним из которых обычно является железо (Fe). Ферриты шпинели обычно имеют кристаллический мотив, состоящий из кубических плотноупакованных (ГЦК) оксидов ( O 2- ) с катионами A , занимающими одну восьмую тетраэдрических отверстий, и катионами B , занимающими половину октаэдрических отверстий, т.е.2+
Б3+
2О2−
4.

Кристаллы феррита имеют не обычную структуру шпинели , а инверсную структуру шпинели: одна восьмая тетраэдрических дырок занята катионами B , одна четверть октаэдрических позиций занята катионами A. а другой четвертый - катионом B. Также возможно иметь ферриты шпинели смешанной структуры с формулой [ M2+
(1− δ ) Фе3+
δ ] [ М2+
δ Фе3+
(2− δ ) ] О
4, где δ — степень инверсии. [ необходим пример ] [ необходимо пояснение ]

Магнитный материал, известный как «Zn Fe», имеет формулу Zn Fe.
2О
4, с Фе3+
занимающие октаэдрические позиции, а Zn2+
занимая тетраэдрические позиции, он является примером феррита шпинели нормального строения. [5] [ нужна страница ]

Некоторые ферриты имеют гексагональную кристаллическую структуру, например, ферриты бария и стронция BaFe.
12О
19( БаО  : 6 Fe
2О
3 ) и СрФе
12О
19( Ср О  : 6 Fe
2О
3 ). [6]

С точки зрения магнитных свойств различные ферриты часто классифицируются как «мягкие», «полужесткие» или «жесткие», что относится к их низкой или высокой магнитной коэрцитивности , как показано ниже.

Мягкие ферриты

Различные ферритовые сердечники, используемые для изготовления небольших трансформаторов и катушек индуктивности.

Ферриты, используемые в трансформаторах или электромагнитных сердечниках , содержат соединения никеля , цинка и/или марганца [7] . Мягкие ферриты не являются постоянными магнитами. Они обладают магнетизмом (как и мягкая сталь), но когда магнитное поле удаляется, магнетизм уменьшается. Мягкие ферриты обычно используются в качестве трансформаторов (для изменения напряжения с первичной обмотки на вторичную). В результате мягкие ферриты еще называют трансформаторными ферритами. Они имеют низкую коэрцитивную силу . Низкая коэрцитивность означает, что намагниченность материала может легко изменить направление, не рассеивая много энергии ( потери на гистерезис ), в то время как высокое удельное сопротивление материала предотвращает вихревые токи в сердечнике, еще один источник потерь энергии. Из-за сравнительно низких потерь на высоких частотах они широко используются в сердечниках радиочастотных трансформаторов и катушек индуктивности в таких устройствах, как импульсные источники питания и рамочные антенны , используемые в радиоприемниках AM.

Наиболее распространенными мягкими ферритами являются: [6]

Марганец-цинковый феррит
«Mn Zn» с формулой Mn
δ Зн
(1- δ ) Фе
2О
4. Mn Zn имеет более высокую проницаемость и индукцию насыщения, чем Ni Zn.
Никель-цинковый феррит
«Ni Zn» с формулой Ni
δ Зн
(1- δ ) Фе
2О
4. Ферриты Ni-Zn обладают более высоким удельным сопротивлением, чем Mn-Zn, и поэтому более подходят для частот выше 1 МГц. [8]

Для использования на частотах выше 0,5 МГц, но ниже 5 МГц используются ферриты Mn-Zn; выше этого обычно выбирают Ni Zn. Исключением являются синфазные индукторы , порог выбора которых составляет 70 МГц. [9]

Полутвердые ферриты

Кобальтовый феррит
Ко Фе
2О
4 Co O · Fe
2О
3, находится между мягким и магнитотвердым материалом и обычно классифицируется как полутвердый материал. [10] Он в основном используется в магнитострикционных приложениях, таких как датчики и исполнительные механизмы [11] благодаря высокой магнитострикции насыщения (~ 200 частей на миллион). Ко Фе
2О
4Его преимуществом также является отсутствие редкоземельных элементов , что делает его хорошей заменой терфенола-D . [12]

Более того, магнитострикционные свойства феррита кобальта можно регулировать, вызывая магнитную одноосную анизотропию. [13] Это можно сделать с помощью магнитного отжига, [14] уплотнения с помощью магнитного поля, [15] или реакции под одноосным давлением. [16] Преимущество последнего решения заключается в том, что оно работает очень быстро (20 минут) благодаря использованию искрового плазменного спекания . Наведенная магнитная анизотропия в феррите кобальта также способствует усилению магнитоэлектрического эффекта в композите. [17]

Твердые ферриты

Напротив, постоянные ферритовые магниты изготовлены из твердых ферритов , которые имеют высокую коэрцитивную силу и высокую остаточную намагниченность после намагничивания. Оксид железа и карбонат бария или карбонат стронция используются при производстве твердых ферритовых магнитов. [18] [19] Высокая коэрцитивность означает, что материалы очень устойчивы к размагничиванию, что является важной характеристикой постоянного магнита. Они также имеют высокую магнитную проницаемость . Эти так называемые керамические магниты дешевы и широко используются в предметах домашнего обихода, таких как магниты на холодильник . Максимальное магнитное поле B составляет около 0,35  тесла , а напряженность магнитного поля H составляет около 30–160 килоампер-витков на метр (400–2000  эрстед ). [20] Плотность ферритовых магнитов составляет около 5 г/см 3 .

Наиболее распространенными твердыми ферритами являются:

Феррит стронция
сэр Фе
12О
19( Sr O · 6 Fe
2О
3 ), используемый в небольших электродвигателях, микроволновых устройствах, носителях информации, магнитооптических носителях, телекоммуникациях и электронной промышленности. [6] Гексаферрит стронция ( Sr Fe
12О
19) хорошо известен своей высокой коэрцитивной силой из-за магнитокристаллической анизотропии. Он широко используется в промышленности в качестве постоянных магнитов, а поскольку их можно легко измельчить и сформировать, они находят свое применение в системах микро- и нанотипа, таких как биомаркеры, биодиагностика и биосенсоры. [21]
Феррит бария
Ба Фе
12О
19( Ba O · 6 Fe
2О
3 ), распространенный материал для применения с постоянными магнитами. Ферриты бария представляют собой прочную керамику, которая, как правило, устойчива к влаге и коррозии. Они используются, например, в магнитах для громкоговорителей и в качестве носителя для магнитной записи , например, на картах с магнитной полосой .

Производство

Ферриты производятся путем нагревания смеси оксидов составляющих металлов при высоких температурах, как показано в этом идеализированном уравнении: [22]

Fe 2 O 3 + ZnO → ZnFe 2 O 4

В некоторых случаях смесь мелкоизмельченных прекурсоров прессуют в форму. Для ферритов бария и стронция эти металлы обычно поставляются в виде карбонатов BaCO 3 или SrCO 3 . В процессе нагрева эти карбонаты подвергаются кальцинированию :

МСО 3 → МО + СО 2

После этого шага два оксида объединяются, образуя феррит. Полученная смесь оксидов подвергается спеканию .

Обработка

После получения феррита охлажденный продукт измельчают до частиц размером менее 2 мкм , достаточно мелких, чтобы каждая частица состояла из одного магнитного домена . Затем порошок прессуют в форму, сушат и повторно спекают. Формование может осуществляться во внешнем магнитном поле для достижения предпочтительной ориентации частиц ( анизотропии ).

Небольшие и геометрически простые формы можно изготовить методом сухого прессования. Однако в таком процессе мелкие частицы могут агломерироваться и приводить к ухудшению магнитных свойств по сравнению с процессом мокрого прессования. Также возможно прямое прокаливание и спекание без повторного измельчения, но оно приводит к плохим магнитным свойствам.

Электромагниты также предварительно спекаются (предварительная реакция), фрезеруются и прессуются. Однако спекание происходит в специфической атмосфере, например, с недостатком кислорода . Химический состав и особенно структура сильно различаются между предшественником и спеченным продуктом.

Чтобы обеспечить эффективную укладку изделий в печи во время спекания и предотвратить слипание деталей, многие производители разделяют изделия с помощью керамических листов-сепараторов порошка. Эти листы доступны из различных материалов, таких как оксид алюминия, цирконий и магнезия. Они также доступны с мелкими, средними и крупными частицами. Подбирая материал и размер частиц в соответствии с спекаемым изделием, можно уменьшить повреждение и загрязнение поверхности при максимальной загрузке печи.

Использование

Ферритовые сердечники используются в электронных индукторах , трансформаторах и электромагнитах , где высокое электрическое сопротивление феррита приводит к очень низким потерям на вихревые токи .

Ферриты также встречаются в компьютерном кабеле в виде комка, называемого ферритовым шариком , который помогает предотвратить выход или попадание высокочастотного электрического шума ( радиочастотных помех ) в оборудование; Эти типы ферритов изготовлены из материалов с потерями, которые не только блокируют (отражают), но также поглощают и рассеивают в виде тепла нежелательную высокочастотную энергию.

Ранние компьютерные памяти хранили данные в остаточных магнитных полях жестких ферритовых сердечников, которые были собраны в массивы основной памяти . Ферритовые порошки используются в покрытиях магнитных записывающих лент .

Частицы феррита также используются в качестве компонента радиопоглощающих материалов или покрытий, используемых в самолетах -невидимках , и в поглощающих плитках, облицовывающих помещения, используемые для измерений электромагнитной совместимости . Наиболее распространенными аудиомагнитами, в том числе используемыми в громкоговорителях и звукоснимателях электромагнитных инструментов , являются ферритовые магниты. За исключением некоторых «винтажных» продуктов, ферритовые магниты в этих приложениях в значительной степени вытеснили более дорогие магниты Alnico . В частности, сегодня наиболее распространенным применением твердых гексаферритов по-прежнему являются постоянные магниты в уплотнительных прокладках холодильников, микрофонах и громкоговорителях, небольших двигателях для беспроводных приборов и в автомобилях. [23]

Наночастицы феррита обладают суперпарамагнитными свойствами.

История

Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института синтезировали первые ферритовые соединения в 1930 году. Это привело к основанию в 1935 году корпорации TDK для производства этого материала.

Гексаферрит бария (BaO•6Fe 2 O 3 ) был открыт в 1950 году в Philips Natuurkundig Laboratorium ( Физическая лаборатория Philips ). Открытие было несколько случайным — из-за ошибки ассистента, который должен был готовить образец гексагонального феррита лантана для группы, исследующей его использование в качестве полупроводникового материала. Обнаружив, что это на самом деле магнитный материал, и подтвердив его структуру с помощью рентгеновской кристаллографии , они передали его группе магнитных исследований. [24] Гексаферрит бария обладает высокой коэрцитивной силой (170 кА/м) и низкой стоимостью сырья. Он был разработан как продукт компании Philips Industries (Нидерланды) и с 1952 года продавался под торговым названием Ferroxdure . [25] Низкая цена и хорошие характеристики привели к быстрому увеличению использования постоянных магнитов. [26]

В 1960-х годах компания Philips разработала гексаферрит стронция (SrO•6Fe 2 O 3 ), обладающий лучшими свойствами, чем гексаферрит бария. Гексаферриты бария и стронция доминируют на рынке из-за их низкой стоимости. Были найдены другие материалы с улучшенными свойствами. BaO•2(FeO)•8(Fe 2 O 3 ) появился в 1980 году. [27] и Ba 2 ZnFe 18 O 23 появился в 1991 году. [28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Картер, К. Барри; Нортон, М. Грант (2007). Керамические материалы: наука и техника . Спрингер. стр. 212–15. ISBN 978-0-387-46270-7.
  2. ^ Спалдин, Никола А. (2010). Магнитные материалы: основы и приложения, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета. п. 120. ИСБН 9781139491556.
  3. ^ Окамото, А. (2009). «Изобретение ферритов и их вклад в миниатюризацию радиоприемников». Семинары IEEE Globecom , 2009 г. стр. 1–42. doi :10.1109/GLOCOMW.2009.5360693. ISBN 978-1-4244-5626-0. S2CID  44319879.
  4. ^ Ассади, М. Хусейн Н.; Х., Катаяма-Ёсида (2019). «Ковалентность - путь к достижению высокой намагниченности в TM Fe.
    2    О
    4    Соединения». Журнал Физического общества Японии . 88 (4): 044706. arXiv : 2004.10948 . Bibcode : 2019JPSJ...88d4706A. doi : 10.7566/JPSJ.88.044706. S2CID  127456231.
  5. ^ Шрайвер, DF; и другие. (2006). Неорганическая химия . Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4878-6.
  6. ^ abc Улла, Зака; Атик, Шахид; Насим, Шахзад (2013). «Влияние легирования Pb на структурные, электрические и магнитные свойства Sr-гексаферритов». Журнал сплавов и соединений . 555 : 263–267. doi : 10.1016/j.jallcom.2012.12.061.
  7. ^ Простой синтез и температурно-зависимые диэлектрические свойства MnFe
    2    О
    4    наночастицы     . Материалы конференции AIP . Том. 2115. 2019. с. 030104. дои : 10.1063/1.5112943.
  8. ^ Руководство по выбору продукции (каталог продукции). Ферроккуб. 2003. с. 5.
  9. ^ «Узнайте больше о ферритовых сердечниках» . mag-inc.com . Магнетика.
  10. ^ Хосни; Зехани, К.; Бартоли, Т.; Бессе, Л.; Маграуи-Мехерзи, Х. (2016). «Полужесткие магнитные свойства наночастиц феррита кобальта, синтезированных методом соосаждения». Журнал сплавов и соединений . 694 : 1295–1301. doi : 10.1016/j.jallcom.2016.09.252.
  11. ^ Олаби (2008). «Проектирование и применение магнитострикционных материалов» (PDF) . Материалы и дизайн . 29 (2): 469–483. дои : 10.1016/j.matdes.2006.12.016.
  12. ^ Сато-Туртелли, Р.; Кригиш, М.; Атиф, М.; Грёсингер, Р. (2014). Коферрит – материал с интересными магнитными свойствами . Материаловедение и инженерия. Серия конференций IOP. Том. 60. с. 012020. Бибкод : 2014MS&E...60a2020T. дои : 10.1088/1757-899X/60/1/012020 .
  13. ↑ Слончевский, JC (15 июня 1958 г.). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтозамещенном магнетите». Физический обзор . 110 (6): 1341–1348. Бибкод : 1958PhRv..110.1341S. дои : 10.1103/PhysRev.110.1341.
  14. ^ Ло, CCH; Кольцо, АП; Снайдер, Дж. Э.; Джайлс, округ Колумбия (2005). «Улучшение магнитомеханических свойств феррита кобальта методом магнитного отжига». Транзакции IEEE по магнетизму . 41 (10): 3676–3678. Бибкод : 2005ITM....41.3676L. дои : 10.1109/TMAG.2005.854790. S2CID  45873667.
  15. ^ Ван, Цзицюань; Гао, Сюэсюй; Юань, Чао; Ли, Цзихэн; Бао, Сяоцянь (2015). «Магнитострикционные свойства ориентированного поликристаллического CoFe» .
    2    О
    4    ". Журнал магнетизма и магнитных материалов . 401 : 662–666. doi : 10.1016/j.jmmm.2015.10.073.
  16. ^ Обер, А.; Лояу, В.; Мазалейрат, Ф.; ЛоБу, М. (2017). «Одноосная анизотропия и усиленная магнитострикция CoFe2O4, вызванная реакцией под одноосным давлением с SPS». Журнал Европейского керамического общества . 37 (9): 3101–3105. arXiv : 1803.09656 . doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.036. S2CID  118914808.
  17. ^ Обер, А.; Лояу, В.; Мазалейрат, Ф.; ЛоБу, М. (2017). «Усиление магнитоэлектрического эффекта в мультиферроикном бислое CoFe2O4/PZT за счет наведенной одноосной магнитной анизотропии». Транзакции IEEE по магнетизму . 53 (11): 1–5. arXiv : 1803.09677 . дои : 10.1109/TMAG.2017.2696162. S2CID  25427820.
  18. ^ «Ферритовые постоянные магниты». arnoldMagnetics.com (каталог продукции). Арнольд Магнитные Технологии. Архивировано из оригинала 14 мая 2012 года . Проверено 18 января 2014 г.
  19. ^ «Карбонат бария». cpc-us.com (каталог продукции). Корпорация химических продуктов. Архивировано из оригинала 1 февраля 2014 года . Проверено 18 января 2014 г.
  20. ^ «Аморфные магнитопроводы». Hilltech.com (каталог продукции). Технические продажи Hill. 2006 год . Проверено 18 января 2014 г.
  21. ^ Губин, Сергей П.; Кокшаров Юрий А.; Хомутов, Г.Б.; Юрков, Глеб Ю. (30 июня 2005 г.). «Магнитные наночастицы: получение, структура и свойства». Российское химическое обозрение . 74 (6): 489–520. Бибкод :2005RuCRv..74..489G. doi : 10.1070/RC2005v074n06ABEH000897. S2CID  250917570.
  22. ^ М. Виттенауэр; П. Ван; П. Меткалф; З. Какол; Дж. М. Хониг (1995). «Выращивание и характеристика монокристаллов ферритов цинка Fe 3‐X Zn x O 4 ». Неорганические синтезы . Том. 30. С. 124–132. дои : 10.1002/9780470132616.ch27. ISBN 9780470132616. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  23. ^ Пуллар, Роберт К. (сентябрь 2012 г.). «Гексагональные ферриты: обзор синтеза, свойств и применения гексаферритовой керамики». Прогресс в материаловедении . 57 (7): 1191–1334. doi :10.1016/j.pmatsci.2012.04.001.
  24. ^ Марк де Врис, 80 лет исследований в лаборатории Philips Natuurkundig (1914-1994) , с. 95, Издательство Амстердамского университета, 2005 ISBN 9085550513 . 
  25. ^ Рауль Валенсуэла, Магнитная керамика , с. 76, Издательство Кембриджского университета, 2005 ISBN 0521018439 . 
  26. ^ Р. Гербер, К.Д. Райт, Г. Асти, Прикладной магнетизм , стр. 335, Спрингер, 2013 ISBN 9401582637 
  27. ^ Лотгеринг, ФК; Вроманс, ПГМ; Хайбертс, MAH (1980). «Материал постоянного магнита, полученный спеканием гексагонального феррита W = BaFe18O27». Журнал прикладной физики . 51 (11): 5913–5918. Бибкод : 1980JAP....51.5913L. дои : 10.1063/1.327493.
  28. ^ Рауль Валенсуэла, Магнитная керамика , с. 76–77, Издательство Кембриджского университета, 2005 ISBN 0521018439 . 

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с ферритом (магнитом) .

Источники