Феррит — один из представителей семейства содержащих оксид железа магнитных керамических материалов. Они являются ферримагнитными , то есть они притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены , становясь постоянными магнитами . В отличие от многих ферромагнитных материалов, большинство ферритов не являются электропроводящими , что делает их полезными в таких приложениях, как магнитные сердечники для трансформаторов для подавления вихревых токов . [1]
Ферриты можно разделить на две группы в зависимости от их магнитной коэрцитивности , их устойчивости к размагничиванию: [2]
«Жесткие» ферриты имеют высокую коэрцитивность , поэтому их трудно размагнитить. Они используются для изготовления постоянных магнитов для таких применений, как магниты для холодильников , громкоговорители и небольшие электродвигатели .
«Мягкие» ферриты имеют низкую коэрцитивность, поэтому они легко меняют свою 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, поскольку в основном изготавливаются из оксида железа и обладают превосходной коррозионной стойкостью. Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института синтезировали первые ферритовые соединения в 1930 году. [3]
Ферриты обычно представляют собой ферримагнитные керамические соединения, полученные из оксидов железа , с объемно-центрированной кубической или гексагональной кристаллической структурой . [4] Как и большинство других видов керамики , ферриты твердые, хрупкие и плохо проводят электричество .
Они обычно состоят из оксида α- железа (III) (например, гематита Fe2O3 ) с одним или несколькими дополнительными оксидами металлических элементов , обычно с приблизительно стехиометрической формулой M O· Fe2O3 , например, Fe(II), как в распространенном минерале магнетите, состоящем из Fe(II)-Fe(III)2O4 . [ 5 ] Выше 585 ° C Fe ( II)-Fe(III) 2O4 превращается в немагнитную гамма-фазу. [6] Fe(II)-Fe(III) 2O4 обычно рассматривается как черный оксид железа(II), покрывающий поверхность чугунной посуды. Другая модель - M ·Fe(III) 2O3 , где M - другой металлический элемент. Распространенные , встречающиеся в природе ферриты (обычно члены группы шпинели ) включают ферриты с никелем (NiFe 2 O 4 ), который встречается в виде минерала треворита , магнийсодержащий магнезиоферрит (MgFe 2 O 4 ), [7] [8] кобальт ( феррит кобальта ), [9] или марганец (MnFe 2 O 4 ), который встречается в природе в виде минерала якобсита . Реже используются висмут , [10] стронций , цинк, как в франклините , [11] алюминий , иттрий или бариевые ферриты [12] [13] Кроме того, для специальных применений часто используются более сложные синтетические сплавы. [14] [15]
Многие ферриты имеют химическую структуру шпинели с формулой A B
2О
4, где A и B представляют собой различные катионы металлов , один из которых обычно является железом (Fe). Шпинельные ферриты обычно принимают кристаллический мотив, состоящий из кубических плотноупакованных (ГЦК) оксидов ( O 2− ), где катионы A занимают одну восьмую тетраэдрических отверстий, а катионы B занимают половину октаэдрических отверстий, т. е. A2+
Б3+
2О2−
4. Исключение существует для ɣ-Fe 2 O 3 , который имеет кристаллическую форму шпинели и широко используется в качестве подложки для магнитной записи. [16] [17]
Однако структура представляет собой не обычную структуру шпинели , а скорее обратную структуру шпинели: одна восьмая тетраэдрических пустот занята катионами B , одна четвертая октаэдрических позиций занята катионами A , а другая четверть — катионами B. Также возможны ферриты со смешанной структурой шпинели с формулой [ M2+
(1− δ ) Фе3+
δ ] [ М2+
δ Фе3+
(2− δ ) ] О
4, где δ — степень инверсии. [ нужен пример ] [ нужны пояснения ]
Магнитный материал, известный как «Zn Fe», имеет формулу Zn Fe
2О
4, с Fe3+
занимающие октаэдрические позиции и Zn2+
Занимая тетраэдрические позиции, он является примером шпинельного феррита нормальной структуры. [18] [ нужна страница ]
Некоторые ферриты имеют гексагональную кристаллическую структуру, например, ферриты бария и стронция BaFe.
12О
19( BaO : 6 Fe
2О
3 ) и SrFe
12О
19( SrO : 6 Fe
2О
3 ). [19]
С точки зрения магнитных свойств различные ферриты часто классифицируются как «мягкие», «полужесткие» или «твердые», что указывает на их низкую или высокую магнитную коэрцитивность , как указано ниже.
Ферриты, которые используются в трансформаторных или электромагнитных сердечниках, содержат соединения никеля , цинка и/или марганца [20] . Мягкие ферриты не подходят для изготовления постоянных магнитов. Они обладают высокой магнитной проницаемостью , поэтому они проводят магнитные поля и притягиваются к магнитам, но когда внешнее магнитное поле снимается, остаточная намагниченность не имеет тенденции сохраняться. Это связано с их низкой коэрцитивной силой . Низкая коэрцитивная сила также означает, что намагниченность материала может легко менять направление без рассеивания большого количества энергии ( потери на гистерезис ), в то время как высокое удельное сопротивление материала предотвращает вихревые токи в сердечнике, еще один источник потерь энергии. Из-за их сравнительно низких потерь в сердечнике на высоких частотах они широко используются в сердечниках ВЧ- трансформаторов и индукторов в таких приложениях, как импульсные источники питания и рамочные антенны, используемые в AM-радио.
Наиболее распространенными мягкими ферритами являются: [19]
Для использования с частотами выше 0,5 МГц, но ниже 5 МГц используются ферриты Mn Zn; выше этого значения обычным выбором является Ni Zn. Исключением являются синфазные индукторы , где порог выбора составляет 70 МГц. [22]
Более того, магнитострикционные свойства феррита кобальта можно настраивать, вызывая магнитную одноосную анизотропию. [26] Это можно сделать с помощью магнитного отжига, [27] уплотнения с помощью магнитного поля, [28] или реакции под одноосным давлением. [29] Последнее решение имеет преимущество в том, что оно сверхбыстрое (20 мин) благодаря использованию искрового плазменного спекания . Индуцированная магнитная анизотропия в феррите кобальта также полезна для усиления магнитоэлектрического эффекта в композите. [30]
Напротив, постоянные ферритовые магниты изготавливаются из твердых ферритов , которые имеют высокую коэрцитивную силу и высокую остаточную намагниченность после намагничивания. Оксид железа и карбонат бария или карбонат стронция используются в производстве твердых ферритовых магнитов. [31] [32] Высокая коэрцитивная сила означает, что материалы очень устойчивы к размагничиванию, что является существенной характеристикой для постоянного магнита. Они также имеют высокую магнитную проницаемость . Эти так называемые керамические магниты дешевы и широко используются в бытовых изделиях, таких как магниты для холодильника . 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 ). [33] Плотность ферритовых магнитов составляет около 5 г/см 3 .
Наиболее распространенными твердыми ферритами являются:
Ферриты производятся путем нагревания смеси оксидов входящих в их состав металлов при высоких температурах, как показано в этом идеализированном уравнении: [35]
В некоторых случаях смесь тонко измельченных прекурсоров прессуется в форму. Для ферритов бария и стронция эти металлы обычно поставляются в виде карбонатов BaCO3 или SrCO3 . В процессе нагрева эти карбонаты подвергаются прокаливанию :
После этого этапа два оксида объединяются, образуя феррит. Полученная смесь оксидов подвергается спеканию .
Получив феррит, охлажденный продукт измельчают до частиц размером менее 2 мкм , достаточно малых, чтобы каждая частица состояла из одного магнитного домена . Затем порошок прессуют в форму, сушат и повторно спекают. Формование может осуществляться во внешнем магнитном поле, чтобы добиться предпочтительной ориентации частиц ( анизотропии ).
Небольшие и геометрически простые формы могут быть получены с помощью сухого прессования. Однако в таком процессе мелкие частицы могут агломерироваться и приводить к ухудшению магнитных свойств по сравнению с процессом мокрого прессования. Прямая кальцинация и спекание без повторного измельчения также возможны, но приводят к ухудшению магнитных свойств.
Электромагниты также предварительно спекаются (предварительная реакция), измельчаются и прессуются. Однако спекание происходит в определенной атмосфере, например, с дефицитом кислорода . Химический состав и особенно структура сильно различаются между прекурсором и спеченным продуктом.
Чтобы обеспечить эффективную укладку изделий в печи во время спекания и предотвратить слипание деталей, многие производители разделяют изделия с помощью керамических порошковых сепараторных листов. Эти листы доступны из различных материалов, таких как оксид алюминия, цирконий и магнезия. Они также доступны с мелкими, средними и крупными размерами частиц. Соответствие материала и размера частиц спекаемому изделию позволяет снизить повреждение поверхности и загрязнение при максимальной загрузке печи.
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 виде вставок в компьютерных кабелях, называемых ферритовыми кольцами , которые помогают предотвратить проникновение в оборудование или выход высокочастотных электрических шумов ( радиочастотных помех ); эти типы ферритов изготавливаются из материалов с потерями, чтобы не только блокировать (отражать), но и поглощать и рассеивать в виде тепла нежелательную высокочастотную энергию.
Ранние компьютерные запоминающие устройства хранили данные в остаточных магнитных полях ферритовых сердечников, которые собирались в массивы сердечниковой памяти . Ферритовые порошки используются в покрытиях магнитных лент для записи .
Ферритовые частицы 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, включая те, которые используются в громкоговорителях и электромагнитных звукоснимателях инструментов , являются ферритовые магниты. За исключением некоторых «винтажных» продуктов, ферритовые магниты в значительной степени вытеснили более дорогие магниты Alnico в этих приложениях. В частности, для твердых гексаферритов сегодня наиболее распространенными применениями по-прежнему являются постоянные магниты в уплотнительных прокладках холодильников, микрофонах и громкоговорителях, небольших двигателях для беспроводных приборов и в автомобильных приложениях. [36]
Ферритовые магниты находят применение в системах электроусилителя руля и автомобильных датчиках благодаря своей экономической эффективности и коррозионной стойкости. [37] Ферритовые магниты известны своей высокой магнитной проницаемостью и низкой электропроводностью , что делает их пригодными для высокочастотных применений. [38] В системах электроусилителя руля они обеспечивают необходимое магнитное поле для эффективной работы двигателя, способствуя общей производительности и надежности системы. [39] Автомобильные датчики используют ферритовые магниты для точного обнаружения и измерения различных параметров, таких как положение, скорость и уровень жидкости. [40]
Из-за более слабых магнитных полей керамических ферритовых магнитов по сравнению со сверхпроводящими магнитами , их иногда используют в системах МРТ с низким полем или открытых системах. [41] [42] Эти магниты предпочтительны в некоторых случаях из-за их более низкой стоимости, стабильного магнитного поля и способности функционировать без необходимости использования сложных систем охлаждения. [43]
Наночастицы феррита проявляют суперпарамагнитные свойства.
В 1930 году Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института синтезировали первые ферритовые соединения. Это привело к основанию в 1935 году корпорации TDK для производства этого материала.
Гексаферрит бария (BaO• 6Fe2O3 ) был открыт в 1950 году в Philips Natuurkundig Laboratorium ( физическая лаборатория Philips ). Открытие было в некоторой степени случайным — из-за ошибки ассистента, который должен был подготовить 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 в группу магнитных исследований. [44] Гексаферрит бария обладает как высокой коэрцитивной силой (170 кА/м), так и низкой стоимостью сырья. Он был разработан как продукт компанией Philips Industries (Нидерланды) и с 1952 года продавался под торговым названием Ferroxdure . [45] Низкая цена и хорошие характеристики привели к быстрому росту использования постоянных магнитов. [46]
В 1960-х годах Philips разработала гексаферрит стронция (SrO•6Fe 2 O 3 ), обладающий лучшими свойствами, чем гексаферрит бария. Гексаферрит бария и стронция доминируют на рынке из-за своей низкой стоимости. Были найдены и другие материалы с улучшенными свойствами. BaO•2(FeO)•8(Fe 2 O 3 ) появился в 1980 году. [47] а Ba 2 ZnFe 18 O 23 появился в 1991 году. [48]