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]
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.
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]
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]
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]
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:
Ферриты производятся путем нагревания смеси оксидов составляющих металлов при высоких температурах, как показано в этом идеализированном уравнении: [22]
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 :
После этого шага два оксида объединяются, образуя феррит. Полученная смесь оксидов подвергается спеканию .
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.
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.
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]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )