Феррит (магнит) - Ferrite (magnet)

Для использования в других целях см. Феррит (значения).
Пачка ферритовых магнитов

А феррит это керамика материал, полученный путем смешивания и обжига больших количеств оксид железа (III) (Fe2О3, ржавчина ) смешанный с небольшими пропорциями одного или нескольких дополнительных металлический элементы, такие как барий, марганец, никель, и цинк.[1] Они есть электрически непроводящий, что означает, что они изоляторы, и ферримагнитный, что означает, что они могут быть легко намагниченный или притянутый к магниту. Ферриты можно разделить на два семейства в зависимости от их устойчивости к размагничиванию (магнитному принуждение ).

Твердые ферриты иметь высокий принуждение, поэтому их трудно размагнитить. Они используются, чтобы сделать постоянным магниты для таких приложений, как магниты на холодильник, колонки, и маленький электродвигатели.

Мягкие ферриты иметь низкий принуждение, поэтому они легко меняют свою намагниченность и действуют как проводники магнитных полей. Они используются в электронной промышленности для повышения эффективности магнитопроводы называется ферритовые сердечники для высокочастотных индукторы, трансформаторы и антенны, и в различных микроволновая печь компоненты.

Ферритовые компаунды чрезвычайно дешевы, так как в основном их изготавливают из ржавое железо (оксид железа), и имеют отличную коррозионную стойкость. Они очень стабильны и могут изготавливаться как с высокой, так и с низкой коэрцитивной силой. Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийский технологический институт синтезировал первые ферритные соединения в 1930 г.[2]

Состав, структура и свойства

Ферриты обычно ферримагнитный керамические соединения, полученные из оксиды железа.[3] Магнетит (Fe3О4) - известный пример. Как и большая часть другой керамики, ферриты твердые, хрупкий и бедный проводники электричества.

Многие ферриты используют шпинель структура с формула AB2О4, где A и B представляют собой различные металлические катионы, обычно включая железо (Fe). Ферриты шпинели обычно имеют кристаллический мотив, состоящий из кубических плотноупакованных (ГЦК) оксидов (O2−) с катионами A, занимающими одну восьмую тетраэдрических дырок, и катионами B, занимающими половину октаэдрических дырок, т.е. А2+
B3+
2О2−
4.

Кристаллы феррита имеют не 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 [M2+1 − δFe3+δ] [M2+δFe3+2 − δ] O4 где δ - степень инверсии.

Магнитный материал, известный как «ZnFe», имеет формулу ZnFe.2О4, с Fe3+ занимающие октаэдрические позиции, а Zn2+ занимают тетраэдрические позиции, это пример феррита шпинели нормальной структуры.[4][страница нужна ]

Некоторые ферриты имеют гексагональную кристаллическую структуру, например барий и стронций ферриты BaFe12О19 (BaO: 6Fe2О3) и SrFe12О19 (SrO: 6Fe2О3).[5]

С точки зрения их магнитных свойств различные ферриты часто классифицируются как «мягкие», «полутвердые» или «твердые», что относится к их низким или высоким магнитным свойствам. принуждение, следующим образом.

Мягкие ферриты

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

Ферриты, которые используются в трансформатор или электромагнитный ядра содержать никель, цинк, и / или марганец соединения. У них низкий принуждение и называются мягкие ферриты. Низкая коэрцитивная сила означает, что материал намагничивание может легко изменить направление, не рассеивая много энергии (гистерезисные потери ), а материал высокий удельное сопротивление предотвращает вихревые токи в активной зоне - еще один источник потерь энергии. Из-за сравнительно низких потерь на высоких частотах они широко используются в сердечниках РФ трансформаторы и индукторы в таких приложениях, как импульсные источники питания и рамочные антенны используется в радиоприемниках AM.

Наиболее распространенные мягкие ферриты:[5]

  • Феррит марганец-цинк (MnZn, с формулой MnаZn(1-а)Fe2О4). MnZn имеют более высокие проницаемость и индукция насыщения чем NiZn.
  • Никель-цинковый феррит (NiZn, с формулой NiаZn(1-а)Fe2О4). 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; выше этого обычно используется NiZn. Исключение составляют индукторы общего режима, где порог выбора составляет 70 МГц.[6]

Полутвердые ферриты

  • Кобальтовый феррит, CoFe2О4 (CoO · Fe2О3), находится между мягким и твердым магнитным материалом и обычно классифицируется как полутвердый материал.[7] Он в основном используется для магнитострикционных приложений, таких как датчики и исполнительные механизмы. [8] благодаря высокой насыщенности магнитострикция (~ 200 частей на миллион). CoFe2О4 имеет также преимущества быть редкоземельный бесплатно, что делает его хорошей заменой Терфенол-Д.[9] Более того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, создавая магнитную одноосную анизотропию.[10] Это можно сделать с помощью магнитного отжига,[11] уплотнение с помощью магнитного поля,[12] или реакция под одноосным давлением.[13] Это последнее решение имеет то преимущество, что оно работает очень быстро (20 мин) благодаря использованию искровое плазменное спекание. Наведенная магнитная анизотропия в феррите кобальта также способствует увеличению магнитоэлектрический эффект в композите.[14]

Твердые ферриты

Напротив, постоянный феррит магниты сделаны из твердые ферриты, которые имеют высокий принуждение и высокий остроту после намагничивания. Оксид железа и барий или карбонат стронция используются в производстве магнитов из твердого феррита.[15][16] Высокая коэрцитивная сила означает, что материалы очень устойчивы к размагничиванию, что является важной характеристикой постоянного магнита. У них также есть высокие магнитная проницаемость. 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 и напряженность магнитного поля ЧАС составляет от 30 до 160 килоампер-витков на метр (от 400 до 2000 Эрстед ).[17] Плотность ферритовых магнитов составляет около 5 г / см.3.

Наиболее распространенные твердые ферриты:

  • Феррит стронция, SrFe12О19 (SrO · 6Fe2О3), используемый в небольших электродвигателях, микроволновых устройствах, носителях записи, магнитооптических носителях, телекоммуникационной и электронной промышленности.[5] Гексаферрит стронция (SrFe12О19) хорошо известен своим высоким принуждение 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.[18]
  • Феррит бария, BaFe12О19 (BaO · 6Fe2О3), распространенный материал для приложений с постоянными магнитами. Ферриты бария - это прочная керамика, которая обычно устойчива к влаге и коррозии. Они используются, например, в громкоговоритель магниты и как среда для магнитная запись, например на карты с магнитной полосой.

Производство

Ферриты производятся путем нагревания смеси оксидов составляющих металлов при высоких температурах, как показано в этом идеализированном уравнении:[19]

Fe2О3 + ZnO → ZnFe2О4

В некоторых случаях смесь тонкоизмельченных прекурсоров прессуется в форму. Для ферритов бария и стронция эти металлы обычно поставляются в виде их карбонатов, BaCO3 или SrCO3. В процессе нагрева эти карбонаты подвергаются прокаливание:

MCO3 → МО + СО2

После этого два оксида объединяются в феррит. Полученная смесь оксидов подвергается спекание.

Обработка

После получения феррита охлажденный продукт измельчают до частиц размером менее 2 мкм, достаточно мала, чтобы каждая частица состояла из одиночный магнитный домен. Затем порошку придают форму, сушат и повторно спекают. Формование может быть выполнено во внешнем магнитном поле, чтобы достичь предпочтительной ориентации частиц (анизотропия ).

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 определенной атмосфере, например, с кислород нехватка. 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 индукторы, трансформаторы, и электромагниты где высокий электрическое сопротивление феррита приводит к очень низкому вихревой ток убытки. Обычно они выглядят как комок в компьютерном кабеле, называемый ферритовый шарик, который помогает предотвратить высокочастотный электрический шум (радиопомехи ) от выхода или входа в оборудование.

Рано компьютерные воспоминания сохраненные данные в остаточных магнитных полях жестких ферритовых сердечников, которые были собраны в массивы основная память. Ферритные порошки используются в покрытиях магнитные ленты записи.

Частицы феррита также используются в качестве компонента радиопоглощающих материалов или покрытий, используемых в скрытность самолетов и в абсорбционных плитках, облицовывающих помещения, используемые для электромагнитная совместимость измерения. Наиболее распространенные аудиомагниты, в том числе используемые в громкоговорителях и электромагнитные звукосниматели, являются ферритовыми магнитами. За исключением некоторых «винтажных» продуктов, ферритовые магниты в значительной степени вытеснили более дорогие. Алнико магниты 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.[20]

Наночастицы феррита выставлять суперпарамагнитный свойства.

История

Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийский технологический институт синтезировал первые ферритные соединения в 1930 году. Это привело к созданию TDK Корпорация в 1935 году, по производству материала.

Гексаферрит бария (BaO • 6Fe2О3) был открыт в 1950 г. Лаборатория Philips Natuurkundig (Лаборатория физики Philips). Открытие было несколько случайным - из-за ошибки ассистента, который должен был приготовить образец гексагонального лантан феррит для группы исследователей, изучающих его использование в качестве полупроводникового материала. Обнаружив, что это на самом деле магнитный материал, и подтвердив его структуру Рентгеновская кристаллография, они передали его группе магнитных исследований.[21] 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.[22] Низкая цена и хорошие характеристики привели к быстрому увеличению использования постоянных магнитов.[23]

В 1960-х годах компания Philips разработала гексаферрит стронция (SrO • 6Fe2О3), 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 (Fe2О3) наступил в 1980 году.[24] и Ба2ZnFe18О23 пришел в 1991 году.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Картер, К. Барри; Нортон, М. Грант (2007). Керамические материалы: наука и техника. Springer. С. 212–15. ISBN  978-0-387-46270-7.
  2. ^ Окамото, А. (2009). «Изобретение ферритов и их вклад в миниатюризацию радиоприемников». 2009 IEEE Globecom Workshops. С. 1–42. Дои:10.1109 / GLOCOMW.2009.5360693. ISBN  978-1-4244-5626-0. S2CID  44319879.
  3. ^ Ассади, М. Хусейн Н .; Х., Катаяма-Ёсида (2019). "Ковалентность - путь к достижению высокой намагниченности TMFe2О4 Соединения ». J. Phys. Soc. JPN. 88 (4): 044706. arXiv:2004.10948. Дои:10.7566 / JPSJ.88.044706. S2CID  127456231.
  4. ^ Шрайвер, Д.Ф .; и другие. (2006). Неорганическая химия. Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  978-0-7167-4878-6.
  5. ^ а б c Уллах, Зака; Атик, Шахид; Насим, Шахзад (2013). «Влияние легирования Pb на структурные, электрические и магнитные свойства Sr-гексаферритов». Журнал сплавов и соединений. 555: 263–267. Дои:10.1016 / j.jallcom.2012.12.061.
  6. ^ «Магниты - узнайте больше о ферритовых сердечниках».
  7. ^ Хосни (2016). «Полужесткие магнитные свойства наночастиц феррита кобальта, синтезированных в процессе соосаждения». Журнал сплавов и соединений. 694: 1295–1301. Дои:10.1016 / j.jallcom.2016.09.252.
  8. ^ Олаби (2008). «Дизайн и применение магнитострикционных материалов» (PDF). Материалы и дизайн. 29 (2): 469–483. Дои:10.1016 / j.matdes.2006.12.016.
  9. ^ Сато Туртелли; и другие. (2014). «Коферрит - материал с интересными магнитными свойствами». Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия. 60: 012020. Дои:10.1088 / 1757-899X / 60/1/012020.
  10. ^ J. C. Slonczewski (1958). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтзамещенном магнетите». Физический обзор. 110 (6): 1341–1348. Дои:10.1103 / PhysRev.110.1341.
  11. ^ Ло (2005). «Улучшение магнитомеханических свойств феррита кобальта магнитным отжигом». IEEE Transactions on Magnetics. 41 (10): 3676–3678. Дои:10.1109 / TMAG.2005.854790. S2CID  45873667.
  12. ^ Ван (2015). «Магнитострикционные свойства ориентированного поликристаллического CoFe2O4». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 401: 662–666. Дои:10.1016 / j.jmmm.2015.10.073.
  13. ^ Обер, А. (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. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2017.03.036. S2CID  118914808.
  14. ^ Обер, А. (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. Дои:10.1109 / TMAG.2017.2696162. S2CID  25427820.
  15. ^ «Ферритовые постоянные магниты». Арнольд Магнитные Технологии. Архивировано из оригинал 14 мая 2012 г.. Получено 18 января 2014.
  16. ^ «Карбонат бария». Корпорация химических продуктов. Архивировано из оригинал 1 февраля 2014 г.. Получено 18 января 2014.
  17. ^ «Аморфные магнитные сердечники». Hill Technical Sales. 2006 г.. Получено 18 января 2014.
  18. ^ Губин, Сергей П; Кокшаров Юрий А; Хомутов, Г Б; Юрков, Глеб Ю. (30 июня 2005 г.). «Магнитные наночастицы: получение, структура и свойства». Российские химические обзоры. 74 (6): 489–520. Дои:10.1070 / RC2005v074n06ABEH000897.
  19. ^ М. Виттенауэр, П. Ван, П. Меткалф, З. Канькол, Дж. М. Хониг (2007). «Рост и характеристика монокристаллов ферритов цинка, Fe3-X ZNX O4». Рост и характеристика монокристаллов ферритов цинка, Fe.3-хZnИксО4. Неорг. Синтезатор. Неорганические синтезы. С. 124–132. Дои:10.1002 / 9780470132616.ch27. ISBN  9780470132616.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  20. ^ Пуллар, Роберт С. (сентябрь 2012 г.). «Гексагональные ферриты: обзор синтеза, свойств и применения гексаферритовой керамики». Прогресс в материаловедении. 57 (7): 1191–1334. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2012.04.001.
  21. ^ Марк де Вриз, 80 лет исследований в лаборатории Philips Natuurkundig (1914-1994), п. 95, Издательство Амстердамского университета, 2005 г. ISBN  9085550513.
  22. ^ Рауль Валенсуэла, Магнитная керамика, п. 76, Cambridge University Press, 2005 г. ISBN  0521018439.
  23. ^ Р. Гербер, К. Райт, Дж. Асти, Прикладной магнетизм, п. 335, Springer, 2013 г. ISBN  9401582637
  24. ^ Лотгеринг, Ф. К .; Вроманс, П. Х. Г. М .; Хейбертс, М.А.Х. (1980). «Материал постоянного магнита, полученный спеканием гексагонального феррита W = BaFe18O27». Журнал прикладной физики. 51 (11): 5913–5918. Дои:10.1063/1.327493.
  25. ^ Рауль Валенсуэла, Магнитная керамика, п. 76-77, Cambridge University Press, 2005 г. ISBN  0521018439.

внешняя ссылка

Источники