Темір оксидінен жасалған магниттік керамикалар

Кіріспе

Темір(III) оксиді мен еківалентті металл элементінен тұратын ферромагниттік керамикалық материал. Феррит – магниттік қасиеттері бар темір оксидінен жасалған керамикалық материал. Олар ферромагниттік, яғни магнит өрістеріне тартылады және тұрақты магниттерге айналуы мүмкін. Көптеген ферромагниттік материалдардан айырмашылығы, көптеген ферриттер электр тогын өткізбейді, сондықтан оларды трансформаторлардың магниттік өзектері сияқты айналмалы тоқтарды басуға қолдануға болады. Ферриттерді магниттік коэрцитивтілігіне, яғни магниттенуден бас тартуға қарсы тұру қабілетіне қарай екі топқа бөлуге болады: "Қатты" ферриттерде коэрцитивтілік жоғары болғандықтан, оларды магниттендіру қиын. Олар тоңазытқыштарға, динамиктерге және кішкентай электрмоторларға арналған тұрақты магниттер жасау үшін қолданылады. "Жұмсақ" ферриттерде коэрцитивтілік төмен болғандықтан, олар магниттелуін оңай өзгертеді және магнит өрістерін жақсы өткізеді. Олар электроника өнеркәсібінде жоғары жиілікті индукторлар, трансформаторлар және антенналар үшін ферриттік өзектер деп аталатын тиімді магниттік өзектерді, сондай-ақ әртүрлі микротолқынды құрылғыларды жасау үшін қолданылады. Феррит қосылыстары өте төмен құнмен жасалады, себебі олар негізінен темір оксидінен тұрады және коррозияға төзімділігі жоғары. Токио технология институтының ғалымдары Йогоро Като және Такеши Такеи 1930 жылы алғашқы феррит қосылыстарын синтездеді.

Құрамы, құрылымы және қасиеттері

Ферриттер – темір оксидтерінен алынған ферримагниттік керамикалық қосылыстар, денеорталық кубтық немесе алтыбұрышты кристалдық құрылымы бар. Басқа көптеген керамикалар сияқты, ферриттер де қатты, сынғыш және электр тогын нашар өткізеді. Олар әдетте α-темір(III) оксидінен (мысалы, гематит Fe2O3) және бір немесе бірнеше қосымша металл элементтерінің оксидтерінен тұрады, көбінесе MO·Fe2O3 сияқты шамамен стехиометриялық формуламен, мысалы, Fe(II)Fe(III)2O4 – бұл кең таралған минерал магнетиттің құрамы. 585°C жоғары температурада Fe(II)Fe(III)2O4 магниттік емес гамма фазасына өзгереді. Fe(II)Fe(III)2O4 көбінесе құйма темір ыдыстарының бетін қаптайтын қара темір(II) оксиді ретінде кездеседі. Басқа бір үлгі – M·Fe(III)2O3, мұнда M – тағы бір металл элементі. Көбінесе табиғатта кездесетін ферриттер (әдетте спинель тобының мүшелері) никельді (NiFe2O4) – треворит минералы, магнийлі магнезиоферритті (MgFe2O4), кобальтты (кобальт ферриті) немесе марганецті (MnFe2O4) – жакобсит минералын қамтиды. Сонымен қатар, висмут, стронций, мырыш (франклинитте), алюминий, иттрий немесе барий ферриттері де қолданылады. Одан әрі, нақты қолданыстар үшін көбінесе күрделі синтетикалық қорытпалар пайдаланылады. Көптеген ферриттер A2BO4 формуласымен спинельдің химиялық құрылымын қабылдайды, мұнда A және B әртүрлі металл катиондарын білдіреді, олардың бірі әдетте темір (Fe) болады. Спинель ферриттері әдетте текше тығыз (fcc) оксидтерден (O) тұратын кристалдық құрылымды қабылдайды, онда A катиондары тетраэдрлік қуыстардың сегізден бірін, ал B катиондары октаэдрлік қуыстардың жартысын иеленеді. γ-Fe2O3 ерекше жағдай, ол спинельдік кристалдық формаға ие және магниттік жазу үшін кеңінен қолданылады. Алайда, бұл құрылым қалыпты спинельдік құрылым емес, кері спинельдік құрылым: тетраэдрлік қуыстардың сегізден бірін B катиондары, ал октаэдрлік орындардың төрттен бірін A катиондары, ал қалған төрттен бірін B катиондары иеленеді. Формуласы [] [] болатын аралас құрылымды спинель ферриттері де болуы мүмкін, мұнда δ – инверсия дәрежесі. «ZnFe» деп белгілі магниттік материалдың формуласы , мұнда октаэдрлік орындарды иеленеді, ал тетраэдрлік орындарды иеленеді, бұл қалыпты құрылымды спинель ферриттерінің мысалы. Кейбір ферриттер, мысалы, барий және стронций ферриттері, алтыбұрышты кристалдық құрылымды қабылдайды. Магниттік қасиеттеріне қарай, әртүрлі ферриттер көбінесе «жұмсақ», «жартылай қатты» немесе «қатты» деп жіктеледі, бұл олардың төмен немесе жоғары магниттік коэрцитивтілігіне байланысты.

Ferrites are usually ferrimagnetic ceramic compounds derived from iron oxides, with either a body centered cubic or hexagonal crystal structure. Like most of the other ceramics, ferrites are hard, brittle, and poor conductors of electricity. They are typically composed of α iron(III) oxide (e. g. hematite |Fe2O3) with one, or more additional, metallic element oxides, usually with an approximately stochiometric formula of MO·Fe2O3 such as Fe(II) such as in the common mineral magnetite composed of Fe(II) Fe(III)2O4. Above 585 °C Fe(II) Fe(III)2O4 transforms into the non magnetic gamma phase. Fe(II) Fe(III)2O4 is commonly seen as the black iron(II) oxide coating the surface of cast iron cookware). The other pattern is M·Fe(III)2O3, where M is another metallic element. Common, naturally occurring ferrites (typically members of the spinel group) include those with nickel (NiFe2O4) which occurs as the mineral trevorite, magnesium containing magnesioferrite (MgFe2O4), cobalt (cobalt ferrite), or manganese (MnFe2O4) which occurs naturally as the mineral jacobsite. Less often bismuth, strontium, zinc as found in franklinite, aluminum,yittrium, or barium ferrites are used In addition, more complex synthetic alloys are often used for specific applications. Many ferrites adopt the spinel chemical structure with the formula , where A and B represent various metal cations, one of which is usually iron (Fe). Spinel ferrites usually adopt a crystal motif consisting of cubic close packed (fcc) oxides (O) with A cations occupying one eighth of the tetrahedral holes, and B cations occupying half of the octahedral holes, i. e., An exception exists for ɣ Fe2O3 which has a spinel crystalline form and is widely used a magnetic recording substrate. However the structure is not an ordinary spinel structure, but rather the inverse spinel structure: One eighth of the tetrahedral holes are occupied by B cations, one fourth of the octahedral sites are occupied by A cations. and the other one fourth by B cation. It is also possible to have mixed structure spinel ferrites with formula [] [] , where δ is the degree of inversion. The magnetic material known as "Zn Fe" has the formula , with occupying the octahedral sites and occupying the tetrahedral sites, it is an example of normal structure spinel ferrite. Some ferrites adopt hexagonal crystal structure, like barium and strontium ferrites and
In terms of their magnetic properties, the different ferrites are often classified as "soft", "semi hard" or "hard", which refers to their low or high magnetic coercivity, as follows.

Жартылай қатты ферриттер

Кобальт ферриті жұмсақ және қатты магниттік материалдардың арасында орналасқан және әдетте жартылай қатты материал ретінде жіктеледі. Ол негізінен сенсорлар мен актuatorлар сияқты магнитостриктивті қолданыстарда, жоғары қанығу магнитострикциясының (~200 ppm) арқасында қолданылады. Сонымен қатар, құрамында сирек кездесетін элементтердің болмауы, оны терфенол D-ге тамаша балама жасайды.

Сонымен қатар, кобальт ферритінің магнитостриктивті қасиеттерін магниттік бір осьті анизотропияны тудыру арқылы реттеуге болады. Бұл магниттік оттыру, магниттік өріс көмегімен ығыстыру немесе бір осьті қысым астында реакция жүргізу арқылы іске асырылуы мүмкін. Соңғы әдіс, ұшқыш плазма күйдіруді пайдалану арқасында өте жылдам (20 минут) болуының артықшылығына ие. Кобальт ферритінде тудырылған магниттік анизотропия, композиттердегі магнитоэлектрлік эффектіні күшейтуге де ыңғайлы.

Өңдеу

Феррит алынғаннан кейін, салқындатылған өнім 2 мкм-ден кіші бөлшектерге дейін ұсатылады, бұл бөлшектердің әрқайсысы бір магниттік доменнен тұратындай жеткілікті кішкентай. Содан кейін ұнтақ пішінге келтіріліп, кептіріліп, қайтадан синтезделеді. Пішіндеу бөлшектердің бағытталған орналасуын (анизотропия) қамтамасыз ету үшін сыртқы магнит өрісінде жүргізілуі мүмкін. Құрғақ престеу арқылы кішкентай және геометриялық жағынан қарапайым нысандар жасауға болады. Дегенмен, мұндай процесте ұсақ бөлшектер агломерацияланып, ылғалды престеуге қарағанда нашар магниттік қасиеттерге алып келуі мүмкін. Тікелей кальцинациялау және қайта ұнтақтаусыз синтездеу де мүмкін, бірақ бұл нашар магниттік қасиеттерге әкеледі. Электромагниттер алдын ала синтезделеді (алдын ала реакция), ұсатылып, сығымдалады. Алайда, синтездеу белгілі бір атмосферада, мысалы, оттегі жетіспейтін атмосферада жүзеге асырылады. Химиялық құрамы және әсіресе құрылымы прекурсор мен синтезделген өнім арасында күрт өзгереді. Пеште өнімді тиімді үйіп қою және бөлшектердің біріне-бірі жабысып қалуын болдырмау үшін көптеген өндірушілер керамикалық ұнтақтан жасалған жекелендіруші қабаттарды қолданады. Бұл қабаттар алумин, цирконий және магний сияқты әртүрлі материалдардан жасалады. Олар сондай-ақ ұсақ, орташа және ірі бөлшектерде қол жетімді. Материал мен бөлшек өлшемін синтезделген өнімге сәйкес таңдау арқылы беткі зақымдану мен ластануды азайтуға және пештің жүктемесін барынша арттыруға болады.

Қолданылуы

Феррит өзектері электрондық индукторларда, трансформаторларда және электромагниттерде қолданылады, онда ферриттің жоғары электрлік кедергісі айналым тогының өте төмен шығындарына әкеледі. Ферриттер компьютерлік кабельде «феррит бұрышы» деп аталатын түйін түрінде де кездеседі, ол жоғары жиілікті электр шуын (радиожиілікті кедергілерді) жабдықтан шығуына немесе кіруіне кедергі келтіреді; осы типтегі ферриттер жоғалтушы материалдардан жасалады, олар тек кедергі (рефлексия) ғана емес, сонымен қатар қажетсіз жоғары жиілікті энергияны сіңіріп, жылу ретінде тарату үшін қолданылады. Алғашқы компьютерлік жадтар деректерді қатты феррит өзектерінің қалдық магниттік өрістерінде сақтаған, олар өзек жад массивтеріне жиналған. Феррит ұнтақтары магниттік жазба таспаларының қаптамаларында қолданылады. Феррит бөлшектері сондай-ақ жасырын ұшақтарда қолданылатын радар сәулесін сіңіретін материалдардың немесе қаптамалардың, сонымен қатар электромагниттік үйлесімділікті өлшеуге арналған бөлмелерді жабатын сіңіру плиткаларының құрамдас бөлігі ретінде қолданылады. Көпте қолданылатын аудиомагниттер, соның ішінде динамиктерде және электромагниттік аспаптардың сенсорларында қолданылатын магниттер феррит магниттері болып табылады. Белгілі бір «көне» өнімдерден басқа, феррит магниттері осы қолдануларда қымбат Альнико магниттерін көптеген жағдайларда ығыстырды. Атап айтқанда, қатаң гексаферриттер бүгінде тоңазытқыш мөрлерінің тығыздағыштарында, микрофондар мен динамиктерде, сымсыз құрылғыларға арналған кішкентай моторларда және автомобильдерде тұрақты магниттер ретінде ең көп қолданылады. Феррит нанобөлшектері суперпарамагниттік қасиеттерді көрсетеді.

Тарих

Токио технология институтының Йогоро Като және Такеши Такеи 1930 жылы алғашқы феррит қосылыстарын синтездеді. Бұл 1935 жылы материалды өндіру үшін TDK корпорациясының құрылуына әкелді. Барий гексаферриті (BaO•6Fe2O3) 1950 жылы Philips Natuurkundig Laboratorium (Philips Physics Laboratory) зертханасында ашылды. Бұл жартылай өткізгіш ретінде қолданылуын зерттейтін команда үшін алтыбұрышты лантан ферритінің үлгісін дайындауға тиіс болған көмекшінің қателігі салдарынан болды. Оның магниттік материал екенін анықтағаннан және рентгендік кристаллография арқылы құрылымын растағаннан кейін, оны магниттік зерттеу тобына жіберді. Барий гексаферриті жоғары коэрцитивтілікке (170 кА/м) және арзан шикізатқа ие. Ол Philips Industries (Нидерланды) компаниясымен өнім ретінде әзірленді және 1952 жылдан бастап Ferroxdure сауда белгісімен сатылды. Төмен бағасы мен жақсы өнімділігі тұрақты магниттерді пайдаланудың жылдам өсуіне себеп болды. 1960 жылдары Philips стронций гексаферритін (SrO•6Fe2O3) әзірледі, оның қасиеттері барий гексаферритінен жақсырақ. Барий және стронций гексаферриттері төмен құнына байланысты нарықта басымдыққа ие. Басқа материалдар да жақсартылған қасиеттерімен табылды. BaO•2(FeO)•8(Fe2O3) 1980 жылы, ал Ba2ZnFe18O23 1991 жылы пайда болды.