Анизотропные свойства ферритов. Их области применения

1.КРИСТАЛЛЫ ФЕРРИТОВ И ИХ СВОЙСТВА


^{Ферриты – соединения оксида железа (Fe}2^O3^), являющейся основной составной частью всех ферритов с оксидами других металлов. После соответствующей термической обработки ферриты приобретают разнообразные магнитные и электрические свойства. Как и все керамические материалы, ферриты являются твердыми и хрупкими.
По строению ферриты представляют собой ионные кристаллы. Их кристаллическую решетку образуют отрицательные ионы кислорода с радиусом ~1,4 Å и положительные ионы металлов радиусом ~0,67 Å. Анионы кислорода образуют плотнейшую упаковку, а катионы располагаются в пустотах, образующихся при укладке анионов [2, 3].
Ферриты могут иметь структуру:

• 
  шпинели;
  
• 
  граната;
  
• 
  перовскита;
  
• 
  магнетоплюмбита.
  

Ферриты со структурой шпинели имеют ^{общую формулу MeFe}2^O4^{, (Me – двухвалентный} катион Co, Fe, Ni, Zn, Mg, Mn или комбинацию Li+Fe по 0,5 ат.% каждого). Ионы кислорода в шпинели образуют плотную ГЦК решетку.
Ферриты со структурой граната имеют общую формулу Me3Fe2(FeO4)3 или (3Me2O3 ∙ 5Fe2O3), где Me – трехвалентный ион иттрия или одного из лантаноидов. Ферриты-гранаты имеют кубическую кристаллическую решетку.
Ферриты со структурой перовскита (также их называют ортоферритами) в настоящее время они достаточно хорошо экспериментально и теоретически изучены. Общая формула – MeFeO3, где Me – крупные ионы двухвалентных металлов Ca, Sr, Ba, Y и др.
Формула магнетоплюмбита в общем виде такова: MeO∙6Fe2O3 или MeFe12O19 (Me2+=Ba, Pb, Sr и т.д.). Магнетоплюмбиты также называют гексагональными ферритами, так как эти ферриты имеют гексагональную кристаллическую решетку [1, 6].
Характерная особенность ферритов – высокое, как у полупроводников, удельное электрическое сопротивление (103-1011 Ом ∙ м). За счет низкой электропроводности (в 108-1014 раз меньше, чем у металлических ферромагнетиков) потери на вихревые токи у ферритов минимальны, что обусловило их широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот. По магнитным свойствам ферриты уступают металлическим ферромагнетикам, вследствие чего не используются в области низких частот. Ферриты имеют невысокую индукцию насыщения, большую коэрцитивную силу и невысокую точку Кюри (θ ≤300℃), что ограничивает их рабочую температуру и ухудшает температурную стабильность свойств.
При исследовании Гото и Такада системы ^BaO-Fe2^O3 ^{при различных температурах, были} найдены три устойчивых при высоких ^{температурах соединения 2BaO∙Fe}2^O3^{, BaO∙Fe}2^O3^{, BaO∙6Fe}2^O3 ^{(рис.). Ценными} магнитными свойствами обладает только ^{гексаферрит бария BaO∙6Fe}2^O3 ^{и твердые} растворы с большим количеством его содержания [2].


^{Рис. Фазовая диаграмма системы BaO-Fe}2^O3

В магнитном отношении гексаферрит бария относится к магнитотвердым (магнитожестким) материалам, которые используются для изготовления постоянных магнитов.

Из-за большой коэрцитивной силы (более 2∙10⁵ А/м) и большой величины остаточной индукции материалы из гексаферрита бария применяют при изготовлении магнитов с малым отношением длины к площади поперечного сечения [5].
В технике преимущественно применяют не простые, а сложные ферриты с изоморфными замещениями, что позволяет их широко исследовать разными методами [4].
Замещение части ионов железа таким легирующим элементом как титан, алюминий и т.д., позволяет варьировать значения диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости, менять магнитные свойства матрицы и регулировать частотный диапазон ферромагнитного резонанса. Высокая химическая стабильность и одноосная магнитная анизотропия – особенности, которыми обладает гексаферрит бария. Эти свойства дают возможность применять такой материал в электронике.
Выбор ферритового материала играет критически важную роль при разработке СВЧ- устройств, так как оказывает влияние на габариты, вносимые потери, предельно допустимую мощность и другие характеристики. Понимание основных свойств и особенностей различных классов ферритов помогает подобрать нужный материал, который в максимальной степени отвечает требованиям, предъявляемым к разрабатываемому устройству.
Ферриты - это группа магнитных материалов, обладающих высокой электрической и магнитной проницаемостью и низкой проводимостью. Они используются в различных приложениях, таких как трансформаторы, индуктивности, антенны, магнитные датчики и др.
Одной из особенностей ферритов являются их анизотропные свойства. Анизотропия - это свойство материала, зависящее от направления, в котором измеряются физические свойства.
Ферриты обладают анизотропией магнитных свойств. Это означает, что магнитные свойства феррита зависят от направления магнитного поля в отношении к кристаллической структуре материала.
В зависимости от типа феррита, магнитная анизотропия может быть двух видов: формованная и индуцированная.
Формованная анизотропия обусловлена кристаллической структурой феррита. Направление кристаллических осей может дать высокую магнитную анизотропию, что в свою очередь позволяет ферриту сохранять магнитные свойства при различных видах нагрузки.
Индуцированная анизотропия возникает при наличии внешнего магнитного поля. Если магнитное поле ориентировано в определенном направлении относительно кристаллической структуры феррита, то магнитные свойства материала становятся зависимыми от направления магнитного поля.
Анизотропные свойства ферритов используются в различных приложениях, таких как магнитные датчики и трансформаторы, где требуется сохранение магнитных свойств в определенном направлении.
Ферритовые магниты могут быть изотропными или анизотропными. Изотропные ферритовые магниты могут быть намагничены в любом направлении, но обладают более слабыми магнитными свойствами. Анизотропные ферритовые магниты имеют предпочтительное направление намагниченности внутри структуры и обладают наиболее сильными магнитными свойствами вдоль этого направления (они более мощные, чем изотропные ферритовые магниты).
Есть две химические разновидности ферритового магнита. Феррит стронция известен под двумя химическими обозначениями: SrFe12O19 или SrO.6Fe2O3. Феррит бария также известен под двумя химическими обозначениями BaFe12O19 или BaO.6Fe2O3.
Ферритовые магниты (керамические магниты) производятся путем прокаливания (при температуре от 1000 до 1350 градусов C) смеси оксида железа (Fe2O3) и карбоната стронция (SrCO3) или карбоната бария (BaCO3) с образованием оксида металла. В некоторые марки добавляются другие химические вещества, такие как кобальт (Co) и лантан (La), для улучшения магнитных характеристик. Затем этот оксид металла измельчают до частиц небольшого размера (размером менее миллиметра; обычно несколько микрон). Затем у процесса есть два основных варианта производства в зависимости от типа требуемого магнита.