Феррит

Феррит — это химическое соединение оксида железа(III) (Fe₂O₃) с оксидами других металлов (обычно двухвалентных: марганца, цинка, никеля, кобальта, магния, меди, бария, стронция и других), обладающее ферримагнитными свойствами и высоким удельным электрическим сопротивлением. Ферриты относятся к классу магнитных керамических материалов и широко применяются в радиоэлектронике, вычислительной технике, телекоммуникациях и электротехнике для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, магнитных антенн, элементов памяти и постоянных магнитов.

История

Первые упоминания о природном феррите — магнетите (Fe₃O₄) — относятся к античности. Однако целенаправленное изучение и синтез искусственных ферритов начались в XX веке. В 1930-х годах японский учёный Ёсимаса Като и его коллеги из Токийского университета получили первые образцы ферритов с кубической структурой шпинели, обладавших высокой магнитной проницаемостью и электрическим сопротивлением.

В 1940—1950-х годах, с развитием радиолокации и импульсной техники, возникла потребность в материалах, работающих на высоких частотах (десятки и сотни мегагерц). Традиционные металлические магнитные материалы (электротехническая сталь, пермаллой) на таких частотах демонстрировали огромные потери на вихревые токи. Ферриты, благодаря своей керамической природе и высокому сопротивлению, стали решением этой проблемы.

В СССР промышленное производство ферритов было освоено в 1950-х годах. Были разработаны марки для различных диапазонов частот — от звуковых до сверхвысоких. К 1970-м годам ферриты стали ключевыми компонентами в телевизорах, радиоприёмниках, ЭВМ (например, ферритовые сердечники для запоминающих устройств — «ферритовые кольца»).

Классификация

Ферриты классифицируют по нескольким признакам: по типу кристаллической структуры, по магнитным свойствам и по области применения.

По кристаллической структуре

Ферриты со структурой шпинели (кубические). Имеют общую формулу MFe₂O₄, где M — двухвалентный металл (Mn, Zn, Ni, Co, Mg, Cu). Наиболее распространённая группа. Подразделяются на:

Марганцево-цинковые (Mn-Zn). Обладают высокой магнитной проницаемостью (до 10 000 и более) и высокой индукцией насыщения, но работают на частотах до нескольких мегагерц из-за относительно низкого сопротивления.
Никель-цинковые (Ni-Zn). Имеют более высокое электрическое сопротивление, чем Mn-Zn, что позволяет использовать их на частотах до сотен мегагерц. Магнитная проницаемость ниже (от 10 до 1500).
Магний-цинковые (Mg-Zn). Применяются в импульсных трансформаторах и магнитных усилителях.

Ферриты со структурой магнетоплюмбита (гексагональные). Имеют общую формулу MFe₁₂O₁₉, где M — Ba, Sr, Pb. Это материалы для постоянных магнитов. Обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Делятся на:

Бариевые (BaFe₁₂O₁₉). Самый распространённый тип ферритовых магнитов.
Стронциевые (SrFe₁₂O₁₉). Обладают более высокими магнитными характеристиками, чем бариевые.

Ферриты со структурой граната (кубические). Имеют формулу R₃Fe₅O₁₂, где R — редкоземельный элемент (иттрий, гадолиний). Используются в СВЧ-технике (циркуляторы, вентили, фазовращатели) благодаря малым потерям на сверхвысоких частотах.

По магнитным свойствам и применению

Магнитомягкие ферриты. Легко намагничиваются и размагничиваются, имеют узкую петлю гистерезиса. Используются в сердечниках трансформаторов, дросселей, магнитных головок, фильтров.
Магнитотвёрдые ферриты. Трудно размагничиваются, имеют широкую петлю гистерезиса. Используются для изготовления постоянных магнитов (в динамиках, электродвигателях, магнитных сепараторах).
Ферриты для СВЧ. Имеют малые диэлектрические и магнитные потери в диапазоне сверхвысоких частот.
Ферриты для запоминающих устройств. Обладают прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ). Использовались в первых поколениях оперативной памяти (ферритовые кольца).

Физические и химические свойства

Магнитные свойства

Ферриты являются ферримагнетиками. В отличие от ферромагнетиков (железо, никель), их магнитные моменты атомов в кристаллической решётке ориентированы антипараллельно, но нескомпенсированы, что даёт результирующую намагниченность. Ключевые магнитные параметры:

Начальная магнитная проницаемость (μ). Для Mn-Zn ферритов может достигать 10 000–20 000, для Ni-Zn — 10–1500.
Индукция насыщения (Bs). Обычно составляет 0,3–0,5 Тл, что в 2–3 раза ниже, чем у электротехнической стали.
Коэрцитивная сила (Hc). Для магнитомягких ферритов — единицы А/м, для магнитотвёрдых — 100–300 кА/м.
Температура Кюри (Tc). Температура, выше которой феррит теряет магнитные свойства. Для Mn-Zn ферритов — 100–250 °C, для Ni-Zn — 150–400 °C.

Электрические свойства

Главное преимущество ферритов — высокое удельное электрическое сопротивление (от 10² до 10⁸ Ом·см), которое в миллионы раз превышает сопротивление металлов. Это практически полностью устраняет потери на вихревые токи (токи Фуко) на высоких частотах. Диэлектрическая проницаемость ферритов составляет 10–20.

Химические и механические свойства

Ферриты химически инертны, не окисляются на воздухе при обычных температурах, устойчивы к воздействию влаги и многих агрессивных сред. Они твёрдые, но хрупкие (плохо переносят ударные нагрузки), имеют высокую твёрдость по шкале Мооса (5–6). Температура плавления ферритов — 1300–1600 °C.

Технология производства

Процесс получения ферритов включает несколько стадий:

Подготовка сырья. Исходные оксиды (Fe₂O₃, ZnO, MnO, NiO и др.) смешиваются в заданных пропорциях.
Помол и смешивание. Компоненты измельчаются в шаровых мельницах до микронных фракций для достижения однородности.
Предварительный обжиг. Смесь нагревается до 800–1000 °C. На этой стадии происходит твёрдофазная реакция с образованием феррита.
Вторичный помол. Спёкшийся материал снова измельчается.
Формование. Порошок смешивается со связующим (пластификатором) и прессуется в изделия нужной формы (кольца, чашки, стержни, Е-образные сердечники). Используется сухое или гидростатическое прессование, а также литьё под давлением.
Спекание. Отформованные заготовки обжигаются при температуре 1100–1400 °C в контролируемой атмосфере (обычно воздух, азот или водород). На этом этапе происходит окончательная кристаллизация и уплотнение материала.
Механическая обработка. После спекания изделия шлифуются для получения точных геометрических размеров и гладкой поверхности.

Применение

Ферриты незаменимы во многих областях электроники и электротехники.

Радиоэлектроника и телекоммуникации

Сердечники трансформаторов и дросселей. Используются в импульсных блоках питания, инверторах, фильтрах. Mn-Zn ферриты применяются на частотах до 1–2 МГц, Ni-Zn — до 100 МГц.
Магнитные антенны. Ферритовые стержни служат сердечниками для магнитных антенн в радиоприёмниках (диапазон ДВ, СВ, КВ).
Ферритовые кольца для подавления помех. Надеваются на кабели (USB, HDMI, силовые) для фильтрации высокочастотных электромагнитных помех (ЭМП).
СВЧ-устройства. Ферриты-гранаты используются в циркуляторах, вентилях и фазовращателях для радаров и систем связи.

Вычислительная техника

Ферритовая память. В 1950–1970-х годах ферритовые кольца (сердечники) с прямоугольной петлёй гистерезиса были основой оперативной памяти (ОЗУ) ЭВМ (например, в советских машинах «Минск», «БЭСМ», американской IBM System/360). Каждое кольцо хранило один бит информации. Память была энергонезависимой, но медленной и дорогой.

Постоянные магниты

Ферритовые магниты. Изготавливаются из гексаферритов бария или стронция. Используются в динамических головках (громкоговорителях), электродвигателях малой мощности (стеклоочистители, вентиляторы), магнитных сепараторах, магнитных защёлках, датчиках Холла. Ферритовые магниты дешевле, чем неодимовые, но имеют меньшую магнитную энергию.

Другие области

Медицина. Ферритовые наночастицы используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ) в качестве контрастных агентов, а также для магнитной гипертермии (лечение опухолей).
Автомобильная электроника. Датчики положения коленвала и распредвала (на основе ферритовых сердечников).
Энергетика. Сердечники для зарядных устройств электромобилей, трансформаторы тока.

Интересные факты

Первое в мире устройство на ферритовой памяти — компьютер Whirlwind (Массачусетский технологический институт, 1953 год).
В СССР ферритовые сердечники для памяти вручную нанизывали на проволочные сетки. Ошибка в плетении могла привести к сбою всей машины.
Ферритовые магниты не теряют своих свойств в течение десятков лет, если не подвергаются нагреву выше точки Кюри.
Некоторые ферриты (например, иттрий-железистый гранат) прозрачны для инфракрасного излучения и используются в оптоэлектронике.

Источники

Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Линецкий Я. Л. «Физические свойства металлов и сплавов». — М.: Металлургия, 1980.
Преображенский А. А., Бишард Е. Г. «Магнитные материалы и элементы». — М.: Высшая школа, 1986.
Зверев В. А. «Ферриты и их применение». — Л.: Энергия, 1975.
Смит Я., Вейн Х. «Ферриты». — М.: Иностранная литература, 1962.
ГОСТ 24063-80 «Ферриты. Термины и определения».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →