Феррит (магнит) - Ferrite (magnet)

Пачка ферритовых магнитов

Феррита представляет собой керамический материал , изготовленный путем смешивания и обжига больших пропорций оксида железа (III) (Fe 2 O 3 , ржавчина ) , смешанный с небольшими пропорциями один или несколько дополнительных металлических элементов , такие как стронций , барий , марганец , никель , и цинк . Они ферримагнитны , то есть их можно намагничивать или притягивать к магниту. В отличии от других ферромагнитных материалов, большинство ферритов не являются электрический проводящими , что делают их полезными в приложениях , таких как магнитные сердечники для трансформаторов для подавления вихревых токов . Ферриты можно разделить на два семейства в зависимости от их устойчивости к размагничиванию (магнитной коэрцитивности ).

Твердые ферриты обладают высокой коэрцитивной силой , поэтому их трудно размагнитить. Они используются для изготовления постоянных магнитов для таких приложений, как магниты для холодильников , громкоговорители и небольшие электродвигатели .

Мягкие ферриты обладают низкой коэрцитивной силой , 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 катушек индуктивности , трансформаторов и антенн , а также в различных компонентах СВЧ .

Ферритные 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.

Состав, структура и свойства

Ферриты обычно представляют собой ферримагнитные керамические соединения, полученные из оксидов железа . Магнетит (Fe 3 O 4 ) - известный пример. Как и большая часть другой керамики, ферриты твердые, хрупкие и плохо проводят электричество .

Многие ферриты имеют структуру шпинели с формулой AB 2 O 4 , где A и B представляют собой катионы различных металлов , обычно включая железо (Fe). Ферриты шпинели обычно имеют кристаллический мотив, состоящий из кубических плотноупакованных (ГЦК) оксидов (O 2- ) с катионами A, занимающими одну восьмую тетраэдрических дырок, и катионами B, занимающими половину октаэдрических дырок, т. Е. A2+
B3+
2
О2-
4
.

Кристаллы феррита не принимают обычную структуру шпинели, а скорее обратную структуру шпинели: одна восьмая тетраэдрических дырок занята катионами B, одна четверть октаэдрических позиций занята катионами A. а другая четверть - катионом B. Также возможны ферриты шпинели смешанной структуры с формулой [M 2+ 1-δ Fe 3+ δ ] [M 2+ δ Fe 3+ 2-δ ] O 4, где δ - степень инверсии.

Магнитный материал, известный как «ZnFe», имеет формулу ZnFe 2 O 4 , где Fe 3+ занимает октаэдрические позиции, а Zn 2+ занимает тетраэдрические позиции, это пример феррита шпинели нормальной структуры.

Некоторые ферриты имеют гексагональную кристаллическую структуру, например ферриты бария и стронция BaFe 12 O 19 (BaO: 6Fe 2 O 3 ) и SrFe 12 O 19 (SrO: 6Fe 2 O 3 ).

Что касается их магнитных свойств, различные ферриты часто классифицируются как «мягкие», «полутвердые» или «твердые» в зависимости от их низкой или высокой магнитной коэрцитивной силы , как указано ниже.

Мягкие ферриты

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

Ферриты, которые используются в трансформаторах или электромагнитных сердечниках, содержат соединения никеля , цинка и / или марганца . Они имеют низкую коэрцитивную силу и называются мягкими ферритами . Низкая коэрцитивная сила означает, что намагничивание материала может легко изменить направление без рассеивания большого количества энергии ( гистерезисные потери ), в то время как высокое удельное сопротивление материала предотвращает появление вихревых токов в сердечнике, еще одного источника потерь энергии. Из-за их сравнительно низких потерь на высоких частотах они широко используются в сердечниках радиочастотных трансформаторов и катушек индуктивности в таких приложениях, как импульсные источники питания и рамочные антенны, используемые в радиоприемниках AM.

Наиболее распространенные мягкие ферриты:

  • Феррит марганец-цинк ( MnZn , с формулой Mn a Zn (1-a) Fe 2 O 4 ). MnZn имеет более высокую проницаемость и индукцию насыщения, чем NiZn.
  • Никель-цинковый феррит ( NiZn , с формулой Ni a Zn (1-a) Fe 2 O 4 ). Ферриты NiZn обладают более высоким удельным сопротивлением, чем MnZn, и поэтому более подходят для частот выше 1 МГц.

Для приложений ниже 5 МГц используются ферриты MnZn; кроме того, обычно используется NiZn. Исключение составляют синфазные катушки индуктивности , где порог выбора составляет 70 МГц.

Полутвердые ферриты

  • Феррит кобальта CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ) находится между мягким и твердым магнитным материалом и обычно классифицируется как полутвердый материал. Он в основном используется для магнитострикционных применений, таких как датчики и исполнительные механизмы, благодаря высокой магнитострикции насыщения (~ 200 ppm). CoFe 2 O 4 также имеет то преимущество , что не содержит редкоземельных элементов , что делает его хорошей заменой терфенолу-D . Более того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, создавая магнитную одноосную анизотропию. Это может быть выполнено с помощью магнитного отжига, уплотнения с помощью магнитного поля или реакции под одноосным давлением. Преимущество этого последнего решения в том, что оно является сверхбыстрым (20 мин) благодаря использованию искрового плазменного спекания . Наведенная магнитная анизотропия в феррите кобальта также способствует усилению магнитоэлектрического эффекта в композите.

Твердые ферриты

Напротив, постоянные ферритовые магниты сделаны из твердых ферритов , которые имеют высокую коэрцитивную силу и остаточную остаточную магнитную индукцию после намагничивания. Оксид железа и карбонат бария или стронция используются в производстве магнитов из твердого феррита. Высокая коэрцитивная сила означает, что материалы очень устойчивы к размагничиванию, что является важной характеристикой постоянного магнита. Также они обладают высокой магнитной проницаемостью . Эти так называемые керамические магниты дешевы и широко используются в таких предметах домашнего обихода, как магниты на холодильник . Максимальное магнитное поле B составляет около 0,35 тесла, а напряженность магнитного поля H составляет от 30 до 160 килоампер-витков на метр (от 400 до 2000 эрстед ). Плотность ферритовых магнитов составляет около 5 г / см 3 .

Наиболее распространенные твердые ферриты:

  • Феррит стронция ,SrFe 12 O 19 (SrO · 6Fe 2 O 3 ), используемый в небольших электродвигателях, микроволновых устройствах, носителях записи, магнитооптических носителях, телекоммуникационной и электронной промышленности. Гексаферрит стронция (SrFe 12 O 19 ) хорошо известен своей высокой коэрцитивной силой из-за его магнитокристаллической анизотропии. Они широко используются в промышленности в качестве постоянных магнитов, и, поскольку их можно легко измельчать и формовать, они находят свое применение в системах микро- и нанотипов, таких как биомаркеры, биодиагностика и биосенсоры.
  • Феррит бария , BaFe 12 O 19 (BaO · 6Fe 2 O 3 ), обычный материал для применения в постоянных магнитах. Ферриты бария - это прочная керамика, которая обычно устойчива к влаге и коррозии. Они используются, например, вмагнитах 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:

Fe 2 O 3 + ZnO → ZnFe 2 O 4

В некоторых случаях смесь тонкоизмельченных прекурсоров прессуется в форму. Для ферритов бария и стронция эти металлы обычно поставляются в виде их карбонатов, BaCO 3 или SrCO 3 . В процессе нагрева эти карбонаты подвергаются прокаливанию :

MCO 3 → MO + CO 2

После этого 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 порошку придают форму, сушат и повторно спекают. Формование может выполняться во внешнем магнитном поле для достижения предпочтительной ориентации частиц ( анизотропии ).

С помощью сухого прессования можно изготавливать небольшие и геометрически простые формы. Однако в таком процессе мелкие частицы могут агломерироваться и приводить к ухудшению магнитных свойств по сравнению с процессом влажного прессования. Прямое прокаливание и спекание без повторного измельчения также возможно, но приводит к плохим магнитным свойствам.

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

Чтобы обеспечить эффективную укладку продукта в печь во время спекания и предотвратить слипание деталей, многие производители разделяют посуду с помощью разделительных листов для керамического порошка. Эти листы доступны из различных материалов, таких как оксид алюминия, диоксид циркония и магнезия. Они также доступны с мелкими, средними и крупными частицами. Подбирая материал и размер частиц для спекаемого изделия, можно уменьшить повреждение поверхности и загрязнение при максимальной загрузке печи.

Использует

Ферритовые сердечники используются в электронных индукторах , трансформаторах и электромагнитах, где высокое электрическое сопротивление феррита приводит к очень низким потерям на вихревые токи . Обычно они представляют собой комок в компьютерном кабеле, называемый ферритовым шариком , который помогает предотвратить выход или проникновение высокочастотного электрического шума ( радиопомех ) в оборудование.

Ранние компьютерные запоминающие устройства хранили данные в остаточных магнитных полях жестких ферритовых сердечников, которые были собраны в массивы памяти сердечника . Ферритовые порошки используются в покрытиях лент для магнитной записи .

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 распространенные аудиомагниты, в том числе те, которые используются в громкоговорителях и звукоснимателях электромагнитных инструментов , представляют собой ферритовые магниты. За исключением некоторых «винтажных» продуктов, ферритовые магниты в значительной степени вытеснили более дорогие магниты Alnico в этих приложениях. В частности, твердые гексаферриты сегодня наиболее часто используются в качестве постоянных магнитов в уплотнительных прокладках холодильников, микрофонах и громкоговорителях, небольших двигателях для беспроводных устройств и в автомобилях.

Наночастицы феррита проявляют суперпарамагнитные свойства.

История

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

Гексаферрит бария (BaO • 6Fe 2 O 3 ) был открыт в 1950 году в лаборатории Philips Natuurkundig ( Физическая лаборатория Philips ). Открытие было несколько 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 группе магнитных исследований. Гексаферрит бария имеет как высокую коэрцитивную силу (170 кА / м), так и низкую стоимость сырья. Он был разработан как продукт Philips Industries (Нидерланды) и с 1952 года продавался под торговой маркой Ferroxdure . Низкая цена и хорошие характеристики привели к быстрому увеличению использования постоянных магнитов.

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

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Источники