Ферит (хімічна сполука) — хімічна сполука триоксиду заліза (Fe2О3) з оксидами інших металів. Відзначається феромагнітними і напівпровідниковими властивостями. Використовують для виготовлення осердь електромагнітів у різних галузях техніки.
Загальні відомості Ферити — це м'яко- або жорсткомагнітні феримагнітні, переважно керамічні матеріали, виготовлені з оксиду заліза(III) (гематиту, Fe2O3) або магнетиту (Fe3O4) з додаванням оксидів або карбонатів металів як домішок, що визначають майбутні властивості відповідного матеріалу.
Хімічний склад феритів можна описати загальною формулою MeO·Fe2O3 = MeFe2O4, де у м'якомагнітних феритах Me означає метали: нікель (Ni), цинк (Zn), манган (Mn), кобальт (Co), мідь (Cu), магній (Mg), або кадмій (Cd); у жорсткомагнітних феритах — барій (Ba), стронцій (Sr) або кобальт (Co). Таким чином, у фериті на три атоми металу припадає приблизно чотири атоми оксигенуG. Bieser, Ferrite machen Furore, Bild der Wissenschaft, 1. September 1997 . Метали та оксиген утворюють кубічну кристалічну систему, всередині якої розташовані компоненти сплаву. Кристалічні структури згодом перетворюються на зерна різного розміру. Оскільки зовнішні межі зерен складаються з непровідного Fe2O4, вони електрично ізольовані один від одного. Це особливо важливо для м'якомагнітних феритів, оскільки завдяки цьому феритовий матеріал практично не проводить струм, що дозволяє виготовляти магнітні осердя з надзвичайно низькими Ekbert Hering, Karl-Heinz Modler (Hrsg.): Grundwissen des Ingenieurs. Fachbuchverlag Leipzig, München 2007, ISBN 978-3-446-22814-6..
Феримагнетизм відрізняється від феромагнетизму антипаралельним, проте кількісно нерівномірним у доменах Вейсса. Спіни парамагнітних іонів, що через орієнтовані протилежно, при цьому компенсуються лише частковоUni-Freiburg, Vorlesung Metalle . Через це намагніченості двох сусідніх елементарних магнітів лише частково нейтралізують одна одну. Таким чином, макроскопічна поведінка є слабшою формою феромагнетизму, що пояснює порівняно низьку індукцію насичення феритів.
Властивості Розрізняють м'якомагнітні та жорсткомагнітні ферити. М'якомагнітні ферити мають якомога нижчу коерцитивну силу, тоді як жорсткомагнітні — якомога вищу. Чи є магнітний матеріал м'яко- чи жорсткомагнітним, можна визначити за його кривою гістерезису. Для м'якомагнітних феритів прагнуть забезпечити якомога легшу здатність до перемагнічування, що відповідає вузькій петлі гістерезису.
М'якомагнітні ферити
М'якомагнітні ферити використовуються в електротехніці як магнітні осердя в трансформаторах, імпульсних блоках живлення, дроселях та котушках індуктивності. За відсутності магнітного насичення вони забезпечують високу магнітну проникність.
Оскільки вони майже не проводять електричний струм, і через це в них практично не виникають втрати на вихрові струми, такі ферити придатні для роботи на високих частотах — аж до кількох мегагерц. Спеціальні ферити для роботи з мікрохвилями мають структуру шпінелей або гранатів.
Основними м'якомагнітними феритовими матеріалами є: Манган-цинкові ферити (MnZn) зі складом MnaZn(1-a)Fe2O4 Нікель-цинкові ферити (NiZn) зі складом NiaZn(1-a)Fe2O4
Ферити MnZn мають вищу магнітну проникність та вищу намагніченість насичення порівняно з NiZn. Проте електрична провідність NiZn нижча, ніж у MnZn, тому нікель-цинкові ферити краще підходять для роботи на вищих частотах.
Жорсткомагнітні ферити Жорсткомагнітні ферити використовуються як недорогі постійні магніти, наприклад, у гучномовцях. Порівняно з вони мають меншу коерцитивну силу та нижчу залишкову магнітну індукцію, а отже — значно меншу густину магнітної енергії. Основними жорсткомагнітними феритовими матеріалами є: Стронцієві ферити зі складом SrFe12O19 Барієві ферити зі складом BaFe12O19 Кобальтові ферити зі складом CoFe2O4
Барієві ферити є порівняно міцними та стійкими до впливу вологості повітря.
Виготовлення М'якомагнітні ферити Вихідними продуктами для виготовлення м'якомагнітних феритів є дрібнодисперсні сполуки заліза з оксигеном, такі як оксид заліза(III) або гематит. У побуті ці оксиди заліза відомі як іржа. До них додають також дрібно помелені оксиди або карбонати металів як домішки. Ці порошкові матеріали змішують між собою якомога рівномірніше — або в сухому стані, або у водній суспензії. Потім суміш піддають хімічному процесу, який називається кальцинація, при температурі близько 1000 °CSoft Ferrites, A User’s Guide . Цей процес іноді називають «попереднім спіканням». Під час процесу кальцинації оксидні або карбонатні сполуки частково розкладаються, а атоми металів-домішок вбудовуються в кубічну кристалічну ґратку оксиду заліза. Після кальцинації отриманий порошок знову змішують із водою та сполучною речовиною і подрібнюють до дрібних, однакових за розміром зерен з розміром частинок приблизно від 1 до 2 мкм. Ці зерна згодом утворюють відповідні елементарні магніти майбутнього матеріалу.
Після висушування порошку його піддають пресуванню під високим рівномірним тиском для отримання заготовок потрібної форми. Потім заготовки спікають у спеціально підібраному газовому середовищі при температурі від 1000 до 1450 °C. Під час спікання об'єм осердя зменшується приблизно на 40–50 %. Після цього хімічний склад і, перш за все, молекулярна структура продукту попереднього спікання та кінцевого продукту, м'якомагнітного керамічного фериту, суттєво відрізняються.
Феритові осердя, що мають повітряний зазор, потребують прецизійного шліфування для дотримання точності розмірів. Для забезпечення напруги ізоляції та електричної міцності обмотки на випадок пошкодження ізоляції дроту, керамічні феритові осердя на завершальному етапі зазвичай покривають відповідною ізоляцією (парилен, епоксидна смола або поліуретан)Magnetics, Learn More about Ferrite Cores . Керамічні ферити, як і всі керамічні матеріали, є твердими та крихкими, а тому схильні до руйнування при механічних навантаженнях.
Ще однією можливістю виготовлення м'якомагнітного фериту є змішування подрібнених зерен із термопластичним композиційним матеріалом і надання цій масі потрібної форми за допомогою лиття під тискомNeosid, Teil 1, Einführung, Allgemeines . Це може відбуватися без спікання, тобто без усадки, завдяки чому досягаються дуже вузькі механічні допуски. Можлива подальша обробка методами, звичними для пластмас. Так звані «пластоферити» виготовляються у вигляді каркасів котушок, багатоотвірних осердь, а також у формі корпусів, штекерів та фольги. Типовими прикладами застосування пластоферитів, окрім використання як магнітних осердь для індуктивностей, є екранування, дроселі для придушення перешкод та гнучкі антени.
Жорсткомагнітні ферити Вихідними продуктами для виготовлення жорсткомагнітних феритів також є дрібнодисперсні сполуки заліза з оксигеном, такі як оксид заліза(III) або гематит. Цей порошок змішують із дрібно помеленим карбонатом барію, або , після чого піддають описаному вище процесу кальцинації. Далі продукт реакції розмелюють якомога дрібніше (до стану однодоменних частинок, доменів Вейсса, з розміром зерен 1–2 мкм), формують у гранули, висушують та спікають. Формування заготовок може відбуватися у зовнішньому магнітному полі, завдяки чому зерна (бажано однодоменні частинки) приводять у бажану орієнтацію (анізотропію).
Для невеликих геометрично простих форм також може застосовуватися так зване «сухе пресування»; при цьому сильна схильність найдрібніших частинок (1–2 мкм) до (повторної) агломерації зазвичай є причиною гірших магнітних характеристик порівняно з деталями, виготовленими методом «вологого» пресування. Хоча заготовки, сформовані безпосередньо з вихідних речовин, можуть піддаватися узгодженій кальцинації та спіканню, магнітні характеристики отриманих таким шляхом продуктів є дуже низькими.
Магнітнотверді феритові матеріали також можна змішувати з термопластичним композиційним матеріалом і надавати їм потрібної форми за допомогою лиття під тиском. Пластомагніти виготовляються у вигляді стрічок, пластин, кілець та порожнистих форм. Найвідомішим застосуванням пластоферитів є магнітні стрічки в ущільнювачах дверцят холодильників.
Історія Перші дослідження магнітних властивостей оксидів провів німецький хімік . У 1908 році він описав у патенті різні магнітні оксиди з електроізоляційними властивостями для використання як матеріалу магнітних осердьS. Hilpert, Genetische und konstitutive Zusammenhänge in den magnetischen Eigenschaften bei Ferriten und Eisenoxiden. Chem. Ber. 42 (1909) 2248-2261. Як склад таких сплавів він запропонував M2+OFe23+O3, де «M» позначає різні двовалентні метали, такі як Mn, Cu, Co, Zn, Ni та Mg. Через досить високі втрати енергії в цих тогочасних дослідних сплавах подальша розробка цього напряму тоді не отримала продовження.
Вирішальними для електричних та магнітних властивостей матеріалів є умови спікання та методи подальшої обробки. Необхідні для цього основи кристалічної структури шпінелі були описані у 1915 році В. Г. Бреггом та К. Нішікавою.
У 1930 році Т. Такеї разом із Й. Като в Токійському технологічному інституті в Сендаї (Японія) синтезували перші феритові сплави з цинком та залізом. У 1932 році на це було видано японський патент PAT-98844. У 1936 році ці вчені також розробили м'якомагнітний металевий порошок Si-Al-Fe сендаст, як альтернативу пермалою в котушках для телефонних мереж. Для комерціалізації цих матеріалів Като і Такеї у 1935 році заснували компанію TDK Corporation. TDK розпочала масове виробництво магнітних та феритових осердь для котушок у приймальних контурах у 1937 році. Японські винаходи використовувалися виключно в Японії до кінця війни.
На початку 1940-х років Я.Л. Снук у розпочав дослідження мідно-цинкових феритів, після того як йому вдалося суттєво вдосконалити м'якомагнітні сплавиT. Stijntjes, B. van Loon, Scanning Our Past From The Netherlands, Early Investigations on Ferrite Magnetic Materials by J. L. Snoek and Colleagues of the Philips Research Laboratories Eindhoven, Proceedings of the IEEE, Vol. 96, No. 5, May 2008. Його перші експерименти дали високоякісний феритовий матеріал із магнітною проникністю рівною 10. Снук зрозумів, що зміною процесів виготовлення та основних компонентів ці показники можна значно покращити. Зокрема, це стосувалося втрат в осерді на високих частотах. Введення немагнітних сполук Fe-Zn у магнітну структуру шпінелі магнетиту, розпочате у 1940 році, стало базовим винаходом для створення сучасних м'якомагнітних феритових осердь.
Робота Снука надихнула французького дослідника Луї Нееля. Після своїх фундаментальних відкриттів у галузі антиферомагнетизму та феромагнетизму в середині 1940-х років, він у 1948 році сформулював свою теорію феримагнетизму. Неель отримав Нобелівську премію з фізики у 1970 році за дослідження магнетизму, що призвели до важливих відкриттів у фізиці твердого тіла.
Дослідницька група Снука розробила загалом чотири типи феритів: Cu-Fe, Mn-Zn, Mg-Zn та Ni-Zn ферити. Вони реалізовувалися компанією Philips під торговою маркою «Ferroxcube» (Fe = залізо, ox = оксид, cube = кубічна кристалічна структура). Перший промисловий прорив стався у 1946 році із застосуванням у сфері телекомунікацій. Дещо складна ситуація з патентними правами на винаходи у сфері феритів після Другої світової війни призвела у 1947 році до угоди між Philips та американською компанією Western Electric у формі перехресного ліцензування, що виявилося успішним для обох сторін.