§ 44. Ферриты

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³... 10¹³ раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe₂O₃, или MeFe₂O₄, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Сd2⁺, Mg²⁺ и др. Ионы двухвалентного металла характеризуют феррит, который получает название по характеризующему металлическому иону, например NiFe₂O₄ – никелевый феррит, ZnFe₂O₄ – цинковый феррит.

Изделия из ферритов формуются прессованием в стальных пресс–формах, выдавливанием через мундштук, горячим литьем под давлением, горячим прессованием. Для улучшения пластичности при изготовлении изделий в ферритовый порошок вводят пластификаторы (вода, поливиниловый спирт, парафин и др.). Изделие подвергают окончательному обжигу при температуре 1100...1400°С. Во время обжига происходит спекание частиц и заканчивается реакция ферритизации, начавшаяся при предварительном обжиге, (химическая реакция, протекающая между твердыми частицами при нагревании в процессе диффузии катионов) по уравнению

МеО + Fe₂О₃  MeFe₂O₄.

Ферритовые спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Ферриты можно обрабатывать абразивным инструментом из синтетических алмазов или подвергать их резке, шлифовке и полировке.

В ферритовых изделиях можно пробивать отверстия ультразвуком. Ультразвук позволяет производить пайку ферритов между собой и металлом. Ферритовые детали склеивают полистироловым, эпоксидным или другими клеями. Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры. Ферриты обладают более низкой индукцией насыщения, чем металлические ферромагнетики, поэтому в сильных полях их применять нецелесообразно, однако в высокочастотных полях ферриты могут иметь более высокую индукцию, так как отсутствует размагничивающее действие вихревых токов.

Простые ферриты не применяются. Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов:

– никель-цинковые, представляющие собой твердые растворы никелевого феррита NiFe₂O₄, и феррита цинка ZnFe₂O₄. Химическая формула такого феррита Ni_1–xZn_xFe₂O₄, где х – доля концентрации цинка в феррите. Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (х=0,4... 0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции, магнитной проницаемости и уменьшению температуры Кюри;

– марганец-цинковые, представляющие собой твердые растворы марганцевого феррита MnFe₂O₄ и цинкового феррита ZnFe₂O₄. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 МГц, чем никель-цинковые ферриты, что объясняется меньшими потерями на гистерезис. Марганец-цинковые ферриты имеют более высокие значения температуры Кюри и индукции насыщения. Недостатком марганец–цинковых ферритов является меньшее значение рабочей частоты (до нескольких мегагерц), никель–цинковые ферриты можно использовать на частотах до 100 МГц;

литиевые типа Li_0,5Fe_2,5O₄, в которых в качестве двухвалентного металла используется комплекс ионов 1/2(Li⁺+Fe³⁺). Литиевые ферриты обладают структурой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.

Для оценки допустимого частотного диапазона, где может использоваться ферритовый материал, вводят понятие критической частоты f_кр, при которой тангенс угла магнитных потерь достигает значения 0,1.

Таким образом, можно сделать вывод, что чем выше значение начальной магнитной проницаемости ферритов, тем меньше их удельное электрическое сопротивление и тем ниже их критическая частота.

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) особенно важны в устройствах автоматического управления аппаратуры телеграфной связи, вычислительной техники, коммутирующих дросселей.

Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса k_пу, который определяется как отношение остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

k_пу=B_r/B_max<1.

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с плюса на минус, примерно 10^–7...10^–9 с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.

Кроме ферритов, ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы «железо–никель–кобальт» с содержанием кобальта от 30 до 55%, легированные медью или другими металлами. Они изготовляются в виде лент толщиной от единиц до нескольких сотен микрометров, их коэффициент прямоугольности от 0,85 до 0,98. Прокатка микронной ленты, ее термообработка и изготовление сердечников сложнее, чем производство изделий из ферритов, поэтому ферриты с ППГ применяются более широко. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания. Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, натрия и др.

Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности k=0,9...0,94, остаточная индукция В_r=0,15...0,25 Тл, температура Кюри T_K=110...250 °С (для магниево–марганцевых ферритов), Т_K=550...630 °С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схемах автоматического управления 10...20 А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, 100...1200 А/м.

Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников различных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15х15 мм, которые содержат 16х16 = 256 отверстий. К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температурная стабильность параметров, чем металлических сплавов.