Механизмы электропроводности ферритов
Изучение кинетических явлений в магнитоупорядоченных диэлектриках, к которым относятся широко применяемые в технике ферропшинели, представляет значительный научный и практический интерес, т.к. электрофизические свойства этих веществ тесно связаны с их составом, условиями приготовления и магнитными свойствами.
В ферритах всегда присутствуют положительно заряженные ионы (Fe3+, Fe2+ и др.). Вокруг таких ионов, в силу кулоновского взаимодействия, группируются слабосвязанные электроны. Такие электроны под воздействием теплового движения могут переходить от одного иона железа к другому, причем ион Fe3+, на который перешел один из слабосвязанных электронов, превращается в двухвалентный ион Fe24″ и остается таким до тех пор, пока какой-нибудь валентный электрон снова не покинет его, тогда он снова станет ионом Fe3+. Переход электронов от двухвалентного иона к трехвалентному эквивалентен обмену местами этих ионов. При приложении внешнего электрического поля происходят переходы электронов преимущественно вдоль направления поля. Поэтому, процесс электронных переходов Fe3++e – Fe2+ обуславливает поляризацию релаксаторов в виде пар разноза-рядных ионов. Частота электронных переходов Fe +е – Fe ” зависит от состава феррита, от концентрации дефектов и слабосвязанных электронов и от температуры феррита.
Так как в малых тетраэдрических промежутках ионы железа могут находиться преимущественно в трехвалентном состоянии, то естественно предпо-ложить, что переходы Fe +е о Fe происходят между ионами Fe, находящимися в октаэдрических промежутках.
Слабосвязанные электроны делают ферриты специфическими полупроводниками и определяют.их основные электрические свойства. Как и свободные электроны в металлах, слабосвязанные электроны в ферритах являются одним из агентов, передающих тепло. Чем больше этих электронов, тем больше удельная электропроводность ферритов, которая может колебаться от 2-Ю2 (Ом-см)”1 у магнетита до 10 10 … 10″и (Ом-см)”1 у магниево-марганцевых ферритов, ферриталюминатов магния, феррогранатов иттрия и некоторых лантанидов.
Чтобы получить феррит с заданными свойствами, требуется не только правильно выбрать его состав, но и обеспечить в нем определенную концен-трацию ионов Fe , что достигается спеканием в надлежащих условиях. На практике применяют обжиги в кислороде, азотно-кислородных смесях, воздухе, разреженной воздушной среде, азоте, аргоне, углекислом газе – при разных температурах, в течение разного времени, с разной скоростью охлаждения после спекания.
При высоких температурах более стабильны ионы двухвалентного, при низких трехвалентного железа. Поэтому, чем более окислительной является атмосфера, тем меньше будет ионов Fe + в феррите. Спекание ферритов и последующее охлаждение, осуществляемое в инертных газах или в сильно разреженном воздухе, и быстрое охлаждение после спекания увеличивают кон-центрацию ионов Fe .
По своим электрическим свойствам ферриты относятся к классу так называемых полупроводников контролируемой валентности, исследованных впервые Вервеем и Де-Буром. Это окислы металлов переходной группы с незаполненной 3d – оболочкой. Из общих соображений следует, что эти окислы должны обладать металлической проводимостью благодаря незаполненной 3d – зоне. Однако образцы стехиометрического состава при отсутствии примесей являются изоляторами. В итоге, проводимость этих окислов может быть резко увеличена путем введения в решетку ионов того же сорта, но другой валентности, либо: 1) путем частичного восстановления или окисления в результате чего в решетке образуются вакансии ионов кислорода или ионов металла и для сохранения электронейтральности эквивалентная часть ионов металла изменяет валентность, либо 2) путем введения примеси ионов другого элемента, например ионов Li в NiO (или Ті4+ в Fe203), в результате чего в решетке NiO появляется соответствующее количество ионов Ni (а в Fe203 -Fe2+).
Производство металла
Следует начать с того, что пермаллой достаточно сложен в производстве, цена на изделия из данного металла устанавливается, как правило, за килограмм или тонну. Чем тоньше прокатные листы, и чем более сложной обработке подвергся металл, тем выше итоговая стоимость. Ленты из ходовых сплавов 50Н и 79НМ стоят примерно 2500–3000 руб. за кг. Помимо этого пермаллой продают в виде прутов, листов и порошка.
Свойства пермаллоя существенно зависят от качества термической обработки металла и наличия в составе примесей. Первоначально высоконикелевые сплавы получались в два этапа. Сначала шло нагревание сплава до температуры 900º, далее он выдерживался в таком состоянии 1 час, а затем шло постепенное охлаждение на 100º в час. Второй этап производственного процесса начинался с повторного нагревания, в этот раз до температуры 600 ºC. После шла воздушная закалка металла на медной плите. Исследования пермаллоя выявили наличие зависимости между магнитными свойствами и скоростью нагрева и охлаждения сплава. С увеличением темпов остывания металла его характеристики снижаются.
Впоследствии выяснилось, что для классического пермаллоя с содержанием никеля 79% двойная термическая обработка вполне может быть заменена одинарной. При таком методе нагревание происходит в камерах заполненных чистым сухим водородом до температуры 1300° с последующим продолжительным отпуском до 400-500. Термическая обработка сплавов с меньшим содержанием никеля проще, поэтому они стоят дешевле. Стоит отметить, что без термической обработки магнитная проницаемость у пермаллоев хуже, чем у очищенного железа.
После проката металлические пластины и ленты подвергаются ещё одному этапу обработки – отжигу. Готовый продукт не должен иметь тёмных пятен, окислов и разноцветных участков. Механические повреждения должны отсутствовать.
После отжига пермаллоивые пластины отправляются на магнитные испытания, где их свойства проверяются на соответствие действующим стандартам.
Феррит это твердый раствор
Фазовый компонент, или фаза, представляет собой однородную часть системы определенного состава и агрегатного состояния, отделенную от остальной части системы поверхностью раздела.
В отличие от фазового компонента, структурный компонент представляет собой однородную или квазиоднородную часть системы, состоящую из 1 или более фаз, и в силу особенностей механизма ее образования имеет одинаковый усредненный химический состав и регулярную структуру по всему объему этого компонента.
К фазовым компонентам системы железо-углерод относятся жидкий раствор (L), твердый раствор: феррит (α), аустенит (γ), горячий феррит (δ), цементит и графит (G).
Жидкий раствор на основе железа и углерода представляет собой раствор углерода в расплаве iron. At при гораздо более высокой температуре, чем Ликвидус (в основном при температурах выше 1700°C), жидкость представляет собой статистически неравномерный раствор со статистически плотной упаковкой.
Железо-серебристо-белый металл. В настоящее время имеющееся чистое железо содержит 99,999% железа и 99,8-99,9% железа.
Температура плавления железа составляет 1539°С.
Железо известно для 2 полиморфных модификаций α и γ. Альфа-железо существует при температурах ниже 910°C и выше 1392 ° C(Рис. 1). В диапазоне температур 1392-1539°C α-железо часто называют δ-железом.
Структура и свойства ферритов
В состав Феррита входят анионы кислорода O2−, образующие остов их кристаллической решётки; в промежутках между ионами кислорода располагаются катионы Fe3+, имеющие меньший радиус, чем анионы O2−, и катионы Mek+ металлов, которые могут иметь радиусы различной величины и разные валентности k. Существующее между катионами и анионами кулоновское (электростатическое) взаимодействие приводит к формированию определённой кристаллической решётки и к определённому расположению в ней катионов. В результате упорядоченного расположения катионов Fe3+ и Mek+ Ферриты обладают ферримагнетизмом и для них характерны достаточно высокие значения намагниченности и точек Кюри. Различают Ф.-шпинели, Ф.-гранаты, ортоферриты и гекса ферриты.
Ферриты-шпинели имеют структуру минерала шпинели с общей формулой MeFe2O4, где Me — Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, Li+, Cu2+. Элементарная ячейка Ф.-шпинели представляет собой куб, образуемый 8 молекулами MeOFe2O3 и состоящий из 32 анионов O2−, между которыми имеется 64 тетраэдрических (А) и 32 октаэдрических (В) промежутков, частично заселённых катионами Fe3+ и Me2+. В зависимости от того, какие ионы и в каком порядке занимают промежутки А и В, различают прямые шпинели (немагнитные) и обращенные шпинели (ферримагнитные). В обращенных шпинелях половина ионов Fe3+ находится в тетраэдрических промежутках, а в октаэдрических промежутках — 2-я половина ионов Fe3+ и ионы Me2+. При этом намагниченность октаэдрической подрешётки больше тетраэдрической, что приводит к возникновению ферримагнетизма.
Ферриты-гранаты редкоземельных элементов R3+ (Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Sm3+, Eu3+) и иттрия Y3+ имеют кубическую структуру граната с общей формулой R3Fe5O12. Элементарная ячейка Феррит-гранатов содержит 8 молекул R3Fe5O12; в неё входит 96 ионов O2−, 24 иона R3+ и 40 ионов Fe3+. В Феррит-гранатах имеется три типа промежутков, в которых размещаются катионы: большая часть ионов Fe3+ занимает тетраэдрические (d), меньшая часть ионов Fe3+ — октаэдрические (я) и ионы R3+ — додекаэдрические места (с). Соотношение величин и направлений намагниченностей катионов, занимающих промежутки d, а, с, показано на рис. 2.
Ортоферритами называют группу Ферритов с орторомбической кристаллической структурой. Их образуют редкоземельные элементы или иттрий по общей формуле RFeO3. Ортоферриты изоморфны минералу перовскиту. По сравнению с Ферритами-гранатами они имеют небольшую намагниченность, так как обладают неколлинеарным антиферромагнетизмом (слабым ферромагнетизмом) и только при очень низких температурах (порядка нескольких К и ниже) — ферримагнетизмом.
Ферриты гексагональной структуры (гексаферриты) имеют общую формулу MeO 6(Fe2O3), где Me — ионы Ba, Sr или Pb. Элементарная ячейка кристаллической решётки гексаферритов состоит из 38 анионов O2−, 24 катионов Fe3+ и 2 катионов Me2+ (Ba2+, Sr2+ или Pb2+). Ячейка построена из двух шпинельных блоков, разделённых между собой ионами Pb2+ (Ba2+ или Sr2+), O2− и Fe3+. Если окиси железа и бария спекать совместно с соответствующими количествами следующих металлов: Mn, Cr, Со, Ni, Zn, то можно получить ряд новых оксидных ферримагнетиков.
Некоторые гексаферриты обладают высокой коэрцитивной силой и применяются для изготовления постоянных магнитов. Большинство Ф. со структурой шпинели, феррит-гранат иттрия и некоторые гексаферриты используются как магнитомягкие материалы. При введении примесей и создании нестехеометричности состава (переменности состава как по катионам, так и по кислороду) электрическое сопротивление Ф. изменяется в широких пределах. Ф. в полупроводниковой технике не применяются из-за низкой подвижности носителей тока. Помимо описанных, известны ферриты и др. составов и структур, например для щелочных металлов Ме+FeO2, для щелочно-земемельных Ме2+Fe2O5 и т. д. Многие ферриты входят в состав шлаков, спец. цементов и т. п.
Ферромагнитный феррит
Ферромагнитные ферриты представляют собой соединения окислов различных материалов с окисью железа и имеют общую формулу МоРе2Оз, где М представляет собой ион двухвалентного металла, как, например, Ni, Zn, Mg и др. Ферриты являются керамическими материалами со структурой типа шпинели и изготовляются описанными в этой главе обычными методами технологии керамического производства.
Они представляют собой соединения различных ферромагнитных ферритов ( Си, MO, Мп, №) с цинковым немагнитным ферритом.
| Основные данные цилиндрических карбонильных сердечников. |
Магнитно-мягкие оксид ые фе р р ом а г и е т и к и ( оксиферы) – твердые растворы одного или нескольких ферромагнитных ферритов, например, ферр ита никеля или марганца с неферромарнитным ферритом цинка. Ферритом называется соединение окисла трехвалентного железа с окислом двухвалентного металла.
Линия OS – верхняя граница области сосуществования феррита ( в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам у – – превращения с образованием ферромагнитного феррита.
Линия 05 – верхняя граница области сосуществования феррита ( в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам 7 – – – превращения с образованием ферромагнитного феррита.
Линия OS – верхняя граница области сосуществования феррита ( в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам у – а – превращен и я с образованием ферромагнитного феррита.
| Кривая намагничивания и петля гистерезиса F4. |
При определении магнитной восприимчивости химически чистых веществ легко могут быть обнаружены ничтожные примеси ферромагнитных металлов – таких, как железо, никель, кобальт и др., так как их магнитная восприимчивость на несколько порядков больше и обнаруживает существенную зависимость от величины намагничивающего поля, а также очень малые количества ферромагнитного феррита или карбидов в аустенитной стали.
| Микроструктура электроплавленой шпинели MgAl2O4. |
Типичными ферритами являются сложные ферриты, имеющие большое практическое значение. Эти ферриты представляют собой твердые растворы ферромагнитных ферритов никеля, марганца, магния и меди. Ферритовые изделия широко применяют в технике связи, автоматике, телемеханике, для изготовления деталей электроизмерительных приборов, работающих при звуковых и высоких частотах, катушек индуктивности, магнитных усилителей, радиоволновых элементов, экранов и пр. Ферриты обладают в 104 – 1012 раз большим электрическим сопротивлением, чем металлы. Добавляя немагнитный феррит цинка к магнитным ферритам ( например, введение в феррит NiO. Это объясняется снижением точки Кюри1 до температур, превышающих на 50 – 100 рабочую температуру изделий: вблизи же точки Кюри магнитная проницаемость феррита резко возрастает.
Железо-медные катализаторы уже после осаждения из азотнокислых солей обладают ферромагнитными свойствами, но ход магнитных кривых неравномерный. Соединения с такой точкой Кюри представляют собой, повидимому, ферромагнитный феррит меди.
Большинство шпинелидов, соответствующих указанным выше химическим формулам и не являющихся ферритами, а также ферриты Cd и Zn, не ферромагнитны. Однако все эти соединения ( ферриты, алюминаты, хромиты, галлаты, титанаты и пр. Ni, Mn, Cu, Mg, Li и др. и могут образовывать с ними твердые растворы замещения с неограниченной или ограниченной растворимостью в зависимости от различия в атомных радиусах ионов. Твердые растворы, как правило, имеют иные электромагнитные свойства, иногда сильно отличающиеся от свойств ферромагнитных ферритов. Это позволяет создавать магнитные материалы с комплексом заданных электромагнитных свойств.
Линия AW – верхняя граница области сосуществования двух фаз – б-феррита и аустенита. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала полиморфного превращения б-феррита в аустенит. Линия N1 – нижняя граница области сосуществования б-феррита и аустенита; при охлаждении соответствует температурам окончания превращения б-феррита в аустенит. Линия OS – верхняя граница области сосуществования феррита ( в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам у-мх-лревращения с образованием ферромагнитного феррита.
| Порошки для магнитодиэлектриков. |
Основные способы получения ферритов
Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных ферритообразующих компонентов применяются смеси оксидов, гидроксидов, оксалатов и карбонатов (иногда их совместно осаждают из раствора) или совместно упаренные растворы солей (нитраты, сульфаты, двойные сульфаты типа шёнитов. Монокристаллы ферритов выращивают зонной плавкой или методами Вернейля или Чохральского, обычно под давлением кислорода в несколько десятков или сотен атмосфер. Для растворимых ферритов используют гидротермальное выращивание в растворах гидроксида или карбоната натрия, хлорида аммония или смеси хлоридов под давлением от 200 до 1200 атмосфер. Монокристаллы некоторых ферритов (при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов) выращивают также из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или более сложные).
Для выращивания ферритовых плёнок со структурой шпинели обычно применяют метод химических транспортных реакций с хлороводородом или другими галогеноводородами в качестве носителя, а для плёнок феррит-гранатов и гексаферритов используют метод жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также метод разложения паров (в качестве газообразных исходных материалов применяются, например, β-дикетонаты металлов).
Математический анализ диэлектрических характеристик феррита с использованием модифицированной модели Дебая
Для математического анализа установленных в работе закономерностей диэлектрической релаксации в исследуемом феррите необходимо прежде всего проанализировать возможность использования для этой цели известных классических моделей поляризации Дебая и Вагнера-Купса и выбрать наиболее подходящую из них. Таковой признавалась та модель, математические выражения которой позволяли удовлетворительно аппроксимировать полученные в предыдущем разделе экспериментальные зависимости.
Напомним, что в обеих рассматриваемых моделях поляризации постоянная времени т релаксационного процесса не зависит от длительности поляризующего импульса напряжения и, следовательно, от частоты измерительного сигнала. Поэтому величина є1 достигает насыщения при увеличении Т (или уменьшении со) – статической диэлектрической проницаемости цв, и не зависит от / даже если существуют распределения для значений энергии активации релаксационного процесса Е& в выражении для характеристического времени релаксации т. Таким образом, когда т (7) = const (f), для любой частоты измерительного сигнала всегда (теоретически) существует температурный интервал, в котором практически все релаксаторы участвуют в переориентации и величина s достигает одного и того же значения ss.
Полученные в предыдущем разделе экспериментальные зависимости г%Т) и є”(7) математически обрабатывались с использованием выражений, определяющих поляризацию по классической модели релаксационной поляризации Дебая (для двух типов релаксаторов) (1.8, 1.9) и по модели межслоевой поляризации Вагнера-Купса (1.13-1.15), в ходе регрессионного анализа (“подгонки”) с использованием программы Origin 7.0. Суть такого анализа состоит в том, что указанная программа, используя записанные в ней математические выражения с заданными начальными значениями параметров, производит автоматический итерационный расчет (по методу наименьших квадратов) теоретической кривой (Non-linear Curve Fit). При последующих итерациях происходит перерасчет значений параметров выражений таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное совпадение расчетной кривой и соответствующих экспериментальных точек. Таким образом, при циклическом перерасчете параметров выражений расчетные кривые стремятся к соответствующим экспериментальным зависимостям. Тогда, для определенного типа принятых для расчета выражений, возможно хорошее совпадение расчетных “подгоночных” кривых и соответствующих температурно-частотных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости. В этом случае, наборы значений параметров выражений, при которых расчетных кривые удовлетворительно описывают как температурные, так и частотные экспериментальные зависимости компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, принимаем за искомые диэлектрические параметры феррита. Расчет с использованием выражений Дебая показал, что экспериментальные данные рис. 4.1а невозможно объяснить в рамках этой модели, так как значения эффективного уровня насыщения зависимости s =F(T)- sSf зависят от частоты измерительного поля f (раздел 4.1). В подтверждение этого положения на рис. 4.3 приведены данные рис. 4.1а с аппроксимацией расчетными кривыми, полученными с использованием выражений классической модели Дебая (1.8). Здесь, при “подгонке” температурной зависимости проницаемости на частоте 10 кГц, найден набор значений параметров поляризации, с которыми построены кривые (simulation) на других частотах. Значение энергии активации релаксационного процесса составило порядка а-0,38…0,4 эВ.. Из рисунка видно, что значение s Sf, определенное на частоте тест-сигнала 10 кГц, не подходит для других частот.
Все расчетные кривые, построенные на различных частотах для e =F(T) с одним и тем же набором значений параметров, достигают одного и того же значения уровня насыщения & =F(T), который не совпадает с эффективными уровнями насыщения экспериментальных температурных зависимостей проницаемости.
Для каждой из частот тест-сигнала оказываются также различными и значения предэкспоненциального множителя – входящего в выражение Аррениуса для времени релаксации т (1.8).
Структура феррита
кристаллическая решетка α-железа представляет собой объемно-центрированный куб с циклом решетки 0,28606 Нм. При температуре 768°с α-железо является магнитным (ферромагнетизм).Критическая точка (768°С), соответствующая магнитному преобразованию, то есть переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называется точкой Кюри и обозначается символом A2.
Критические точки α-γ превращения при 910°с (Рис.1) представлены соответственно Ac3 (при нагревании) и Ar3 (при охлаждении). Критические точки α-γ превращения железа при 1392 ° С называются Ac4 (при нагревании) и Ar4 (при охлаждении).
кристаллическая решетка γ-железа представляет собой граневой куб с периодом 910 Нм при температуре 0,3645°С. плотность железа выше, чем у железа, 8,0-8,1 г / см3. при преобразовании α-γ происходит сжатие. Эффект объемного сжатия составляет около 1%.
Углерод полиморфен. В нормальных условиях это форма модификации графита, но она также может присутствовать в виде квазистабильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, он может быть в виде химических соединений-цементита, а также в виде высокоуглеродистых сплавов и графита.
Производство
Магнитомягкие ферриты
Исходными продуктами для производства магнитомягких ферритов являются тонкоизмельченные железо-кислородные соединения, такие как оксид железа (III) или гематит. Эти оксиды железа широко известны как ржавчина. В качестве добавок также добавляются тонкоизмельченные оксиды металлов или карбонаты металлов. Эти порошковые материалы смешиваются друг с другом как можно более равномерно либо в сухом виде, либо на водяной бане. Затем смесь подвергают химическому процессу, называемому прокаливанием, при температуре около 1000 ° C. Этот процесс уже давно известен как «предварительное спекание» . В процессе прокаливания кислородные или карбонатные соединения частично разлагаются, и добавки внедряются в кубическую кристаллическую систему оксида железа. После прокаливания полученный порошок снова смешивают с водой и связующим и измельчают на мелкие зерна того же размера, насколько это возможно, с размером зерна примерно от 1 до 2 мкм. Эти зерна образуют соответствующие элементарные магниты более позднего материала.
После высыхания порошка его прессуют в желаемую форму с помощью высокого и равномерного давления. Затем заготовки спекаются в специально адаптированной атмосфере при температуре от 1000 до 1450 ° C. Во время спекания объем сердцевины уменьшается примерно на 40-50%. Химический состав и особенно молекулярная структура предварительно спеченного продукта и спеченного продукта, магнитомягкого керамического феррита, сильно различаются.
Ферритовые сердечники с воздушным зазором необходимо точно переточить для обеспечения точности размеров. Для поддержания напряжения изоляции и диэлектрической прочности обмоточного провода, если изоляция провода повреждена, керамические ферритовые сердечники обычно покрывают подходящей изоляцией (париленом, эпоксидной смолой или полиуретаном). Керамические ферриты, как и все керамические материалы, твердые и хрупкие, поэтому склонны к разрушению.
Другой возможностью производства магнитомягкого феррита является смешивание измельченных зерен с термопластичным композитным материалом и придание этой массе желаемой формы посредством процесса литья под давлением. Это может происходить без спекания, то есть без усадки, в результате чего могут быть достигнуты очень жесткие механические допуски. Возможна последующая обработка обычными для пластика методами. Так называемые «пластоферриты» производятся в виде держателей катушек, сердечников с несколькими отверстиями, а также в виде корпусов, заглушек и фольги. Типичными примерами применения пластоферритов являются, помимо их использования в качестве магнитопроводов для индуктивностей, экранов, дросселей для подавления помех и гибких антенн.
Твердые магнитные ферриты
Исходными продуктами для производства магнитотвердых ферритов также являются тонкоизмельченные соединения железа и кислорода, такие как оксид железа (III) или гематит. Этот порошок смешивают с тонко измельченным карбонатом бария , стронция или кобальта, а затем подвергают процессу прокаливания, описанному выше. Затем продукт реакции измельчают настолько тонко, насколько это возможно (частицы с одной площадью, белые участки , размер зерна от 1 до 2 мкм), формуют в гранулы, сушат и спекают. Компакты могут быть сформированы во внешнем магнитном поле, при этом зерна (если возможно, однозонные частицы) имеют предпочтительную ориентацию ( анизотропию ).
В случае небольших геометрически простых форм, так называемое «сухое прессование» также может использоваться для придания формы заготовкам; Здесь сильная тенденция к (повторной) агломерации мельчайших частиц (от 1 до 2 мкм) является причиной худших магнитных характеристик по сравнению с «мокрыми» прессованными деталями. Прессованные изделия, сформированные непосредственно из исходных материалов, действительно можно кальцинировать и спекать совместно, но магнитные свойства продуктов, изготовленных таким образом, очень плохие.
Основные материалы из твердого магнитного феррита также могут быть смешаны с термопластичным композитным материалом и приданы желаемой форме с помощью процесса литья под давлением. Пластомагнетики изготавливают в виде полос, пластин, колец и полых форм. Наиболее известное применение пластоферрита – магнитные полосы в уплотнениях холодильников.
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.
Заключение
В настоящее время во всех отраслях техники активно применяют вещества, обладающие ферромагнитными свойствами. Помимо существенной экономии энергетических ресурсов, благодаря применению подобных веществ можно упрощать технологические процессы.
Например, вооружившись мощными постоянными магнитами, можно существенно упростить процесс создания транспортных средств. Мощные электромагниты, применяемые в настоящее время на отечественных и зарубежных автомобильных комбинатах, позволяют полностью автоматизировать самые трудоемкие технологические процессы, а также существенно ускорить процесс сборки новых транспортных средств.
В радиотехнике ферромагнетики позволяют получать приборы высочайшего качества и точности.
Ученым удалось создать одношаговую методику изготовления магнитных наночастиц, которые подходят для применения в медицине и электронике.
В результате многочисленных исследований, проводимых в лучших исследовательских лабораториях, удалось установить магнитные свойства наночастиц кобальта и железа, покрытых тонким слоем золота. Уже подтверждена их способность переносить антираковое лекарство или атомы радионуклидов в нужную часть организма человека, увеличивать контрастность изображений магнитного резонанса.
Кроме того, такие частицы можно использовать для модернизации устройств магнитной памяти, что станет новым шагом в создании инновационной медицинской техники.
Коллективу российских ученых удалось разработать и апробировать методику восстановления водных растворов хлоридов для получения комбинированных кобальто-железных наночастиц, подходящих для создания материалов с усовершенствованными магнитными характеристиками. Все исследования, проводимые учеными, направлены на повышение ферромагнитных свойств веществ, увеличение их процентного использования в производстве.
