Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Феррит (значения) .
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 . [1] Они ферримагнитны , то есть могут намагничиваться или притягиваться к магниту. В отличии от других ферромагнитных материалов, большинство ферритов не являются электрический проводящими, что делает их полезными в таких приложениях, как магнитные сердечники для трансформаторов для подавления вихревых токов . [2] 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 ферритные соединения в 1930 году [3].

Состав, структура и свойства [ править ]

Ферриты обычно представляют собой ферримагнитные керамические соединения, полученные из оксидов железа . [4] Магнетит (Fe 3 O 4 ) является известным примером. 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+
2О2-
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. [5] [ необходима страница ]

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 ). [6]

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 [ править ]

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 RF.трансформаторы и катушки индуктивности в таких приложениях, как импульсные источники питания и рамочные антенны, используемые в радиоприемниках AM.

Наиболее распространенные мягкие ферриты: [6]

  • 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. [7]

Полутвердые ферриты [ править ]

  • Феррит кобальта CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ) находится между мягким и твердым магнитным материалом и обычно классифицируется как полутвердый материал. [8] Он в основном используется для магнитострикционных применений, таких как датчики и исполнительные механизмы [9], 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 . [10] Кроме того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, создавая магнитную одноосную анизотропию. [11]Это может быть выполнено с помощью магнитного отжига [12], уплотнения с помощью магнитного поля [13] или реакции под одноосным давлением. [14] Это последнее решение имеет преимущество сверхбыстрой скорости (20 мин) благодаря использованию искрового плазменного спекания . Наведенная магнитная анизотропия в феррите кобальта также способствует усилению магнитоэлектрического эффекта в композите. [15]

Жесткие ферриты [ править ]

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. [16] [17] 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 бытовых товарах, таких 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 ). [18] 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. [6] 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. [19]
  • 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 [ править ]

Ферриты производятся путем нагревания смеси оксидов составляющих металлов при высоких температурах, как показано в этом идеализированном уравнении: [20]

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 [ править ]

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 [ редактировать ]

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.

Ранняя компьютерная память хранила данные в остаточных магнитных полях твердых 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. [21]

Наночастицы феррита проявляют суперпарамагнитные свойства.

История [ править ]

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 рентгеновской кристаллографией , они передали его группе магнитных исследований. [22] Гексаферрит бария имеет как высокую коэрцитивную силу (170 кА / м), так и низкую стоимость сырья. Он был разработан как продукт Philips.Industries (Нидерланды), а с 1952 года продавалась под торговой маркой Ferroxdure . [23] Низкая цена и хорошие характеристики привели к быстрому увеличению использования постоянных магнитов. [24]

В 1960-х годах компания Philips разработала гексаферрит стронция (SrO • 6Fe 2 O 3 ) с лучшими свойствами, чем гексаферрит бария. Гексаферриты 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 [25], а Ba 2 ZnFe 18 O 23 появился в 1991 году [26].

См. Также [ править ]

  • Свойства ферромагнитного материала
  • Кобальтовый феррит


Ссылки [ править ]

  1. ^ Картер, К. Барри; Нортон, М. Грант (2007). Керамические материалы: наука и техника . Springer. С. 212–15. ISBN 978-0-387-46270-7.
  2. ^ Spaldin, Nicola A. (2010). Магнитные материалы: основы и приложения, 2-е изд . Издательство Кембриджского университета. п. 120. ISBN 9781139491556.
  3. Перейти ↑ Okamoto, A. (2009). «Изобретение ферритов и их вклад в миниатюризацию радиоприемников». 2009 IEEE Globecom Workshops . С. 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 для достижения высокой намагниченности в соединениях TMFe 2 O 4 ». J. Phys. Soc. Jpn . 88 (4): 044706. arXiv : 2004.10948 . DOI : 10,7566 / JPSJ.88.044706 . S2CID 127456231 . 
  5. ^ Шрайвер, Д. Ф.; и другие. (2006). Неорганическая химия . Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4878-6.
  6. ^ a b c Уллах, Зака; Атик, Шахид; Насим, Шахзад (2013). «Влияние легирования свинцом на структурные, электрические и магнитные свойства Sr-гексаферритов». Журнал сплавов и соединений . 555 : 263–267. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2012.12.061 .
  7. ^ «Магниты - Узнайте больше о ферритовых сердечниках» .
  8. ^ Хосни (2016). «Полутвердые магнитные свойства наночастиц феррита кобальта, синтезированных методом соосаждения». Журнал сплавов и соединений . 694 : 1295–1301. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2016.09.252 .
  9. ^ Olabi (2008). «Дизайн и применение магнитострикционных материалов» (PDF) . Материалы и дизайн . 29 (2): 469–483. DOI : 10.1016 / j.matdes.2006.12.016 .
  10. ^ Сато Туртелли; и другие. (2014). «Коферрит - материал с интересными магнитными свойствами» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 : 012020. DOI : 10,1088 / 1757-899X / 60/1/012020 .
  11. ^ JC Слончевский (1958). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтзамещенном магнетите». Физический обзор . 110 (6): 1341–1348. DOI : 10.1103 / PhysRev.110.1341 .
  12. Перейти ↑ Lo (2005). «Улучшение магнитомеханических свойств феррита кобальта магнитным отжигом». IEEE Transactions on Magnetics . 41 (10): 3676–3678. DOI : 10,1109 / TMAG.2005.854790 . S2CID 45873667 . 
  13. ^ Ван (2015). «Магнитострикционные свойства ориентированного поликристаллического CoFe2O4». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 401 : 662–666. DOI : 10.1016 / j.jmmm.2015.10.073 .
  14. Перейти ↑ Aubert, A. (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 . 
  15. Перейти ↑ Aubert, A. (2017). «Усиление магнитоэлектрического эффекта в мультиферроидном бислое CoFe2O4 / PZT за счет индуцированной одноосной магнитной анизотропии» . IEEE Transactions on Magnetics . 53 (11): 1–5. arXiv : 1803.09677 . DOI : 10,1109 / TMAG.2017.2696162 . S2CID 25427820 . 
  16. ^ "Ферритовые постоянные магниты" . Арнольд Магнитные Технологии. Архивировано из оригинального 14 мая 2012 года . Проверено 18 января 2014 года .
  17. ^ «Карбонат бария» . Корпорация химических продуктов. Архивировано из оригинала на 1 февраля 2014 года . Проверено 18 января 2014 года .
  18. ^ "Аморфные магнитные ядра" . Hill Technical Sales. 2006 . Проверено 18 января 2014 года .
  19. ^ Губин, Сергей П; Кокшаров Юрий А; Хомутов, ГБ; Юрков, Глеб Ю. (30 июня 2005 г.). «Магнитные наночастицы: получение, структура и свойства». Российские химические обозрения . 74 (6): 489–520. DOI : 10,1070 / RC2005v074n06ABEH000897 .
  20. ^ М. Виттенауэр, П. Ван, П. Меткалф, З. Кайкол, Дж. М. Хониг (2007). «Рост и характеристика монокристаллов ферритов цинка, Fe3-X ZNX O4». Рост и характеристика монокристаллов ферритов цинка, Fe 3 − x Zn x O 4 . Неорг. Synth . Неорганические синтезы. С. 124–132. DOI : 10.1002 / 9780470132616.ch27 . ISBN 9780470132616.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  21. ^ Пуллар, Роберт С. (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 .
  22. ^ Марк де Фрис, 80 лет исследований в лаборатории Philips Natuurkundig (1914-1994) , стр. 95, Amsterdam University Press, 2005 ISBN 9085550513 . 
  23. ^ Рауль Валенсуэла, Магнитная керамика , стр. 76, Cambridge University Press, 2005 ISBN 0521018439 . 
  24. ^ Р. Гербер, CD Райт, Г. Асти, Прикладной магнетизм , стр. 335, Springer, 2013 ISBN 9401582637 
  25. ^ Lotgering, FK; Вроманс, PHGM; Huyberts, MAH (1980). «Материал постоянного магнита, полученный спеканием гексагонального феррита W = BaFe18O27». Журнал прикладной физики . 51 (11): 5913–5918. DOI : 10.1063 / 1.327493 .
  26. ^ Рауль Валенсуэла, Магнитная керамика , стр. 76-77, Cambridge University Press, 2005 ISBN 0521018439 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Международная магнитная ассоциация
  • Какие неровности на концах компьютерных кабелей?

Источники [ править ]

  • MMPA 0100-00, Стандартные спецификации для материалов с постоянными магнитами
  • Meeldijk, Victor Electronic Components: Selection and Application Guidelines , 1997 Wiley ISBN 0-471-18972-3 
  • Отт, Генри Методы шумоподавления в электронных системах 1988 Wiley ISBN 0-471-85068-3 
  • Люке, Джеральд и другие Генеральная лицензия оператора радиотелефонной связи плюс одобрение радара 2004 г., Master Pub. ISBN 0-945053-14-2 
  • Бартлетт, Брюс и другие практические методы записи 2005 Focal Press ISBN 0-240-80685-9 
  • Schaller, George E. Обработка феррита и влияние на характеристики материала