2.2.3. Керамични материали с магнитни функции
Сред многото магнитни материали, използвани в технологиите, специално място заемат феритите, чийто основен компонент е железният оксид. В промишлеността феритите започнаха да се използват преди около половин век; те са разработени като алтернатива на металните магнити за намаляване на загубите на енергия при обръщане. Такава замяна е възможна поради високото електрическо съпротивление на керамиката (с около осем порядъка) и следователно значително намаляване на вихровите токове и свързаните с тях електромагнитни загуби, тъй като последните са обратно пропорционални на електрическото съпротивление на материала.
Феритът съдържа O2-кислородни аниони, които образуват гръбнака на тяхната кристална решетка; между кислородните йони има Fe3+ катиони, които имат по-малък радиус от O2- анионите, и Mek+ метални катиони, които могат да имат радиуси с различни размери и различни валентности k. Кулоновото (електростатично) взаимодействие между катиони и аниони води до образуването на определена кристална решетка и до определено разположение на катионите в нея [22]. В резултат на подреденото подреждане на Fe3+ и Mek+ катиони, феритите проявяват феримагнетизъм и се характеризират с доста високи стойности на намагнитване и точки на Кюри. Различават се F. шпинели, F. гранати, ортоферити и хексаферити.
Шпинелните ферити имат структурата на шпинелния минерал с обща формула MeFe2O4, където Me е Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, Li+, Cu2+. Единичната клетка на F. spinel е куб, образуван от 8 молекули MeOFe2O3 и състоящ се от 32 O2- аниона, между които има 64 тетраедрични (A) и 32 октаедрични (B) празнини, частично населени с Fe3+ и Me2+ катиони. В зависимост от това кои йони и в какъв ред заематпразнините A и B разграничават прави шпинели (немагнитни) и обърнати шпинели (феримагнитни). В обърнатите шпинели половината от Fe3+ йони са в тетраедрични пространства, а в октаедрични пространства, втората половина от Fe3+ йони и Me2+ йони. В този случай намагнитването на октаедричната подрешетка е по-голямо
тетраедърен, което води до появата на феримагнетизъм [23].
Феритните гранати от редкоземни елементи R3+ (Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Sm3+, Eu3+) и итрий Y3+ имат структура на кубичен гранат с обща формула R3Fe5O12. Единичната клетка на феритните гранати съдържа 8 молекули R3Fe5O12; включва 96 O2- йона, 24 R3+ йона и 40 Fe3+ йона. Феритните гранати имат три типа празнини, в които са разположени катиони: повечето от Fe3+ йони заемат тетраедрични (d), малка част от Fe3+ • октаедрични (n) йони и додекаедрични R3+ йони (c) [21].
Ортоферитите са група ферити с орторомбична кристална структура. Те се образуват от редкоземни елементи или итрий по общата формула RFeO3. Ортоферитите са изоморфни на минерала перовскит. В сравнение с феритните гранати, те имат малка магнетизация, тъй като имат неколинеарен антиферомагнетизъм (слаб феромагнетизъм) и само при много ниски температури (от порядъка на няколко K и по-ниски) - феримагнетизъм.
Феритите с шестоъгълна структура (хексаферити) имат обща формула MeO 6 (Fe2O3), където Me е Ba, Sr или Pb йони. Единичната клетка на кристалната решетка на хексаферитите се състои от 38 O2- аниона, 24 Fe3+ катиона и 2 Me2+ катиона (Ba2+, Sr2+ или Pb2+). Клетката е изградена от два блока шпинел, разделени от Pb2+ (Ba2+ или Sr2+), O2- и Fe3+ йони. Ако оксидите на желязото и бария се синтероват заедно със съответните количестваследните метали: Mn, Cr, Co, Ni, Zn, е възможно да се получат редица нови оксидни феримагнетици.
Някои хексаферити имат висока коерцитивна сила и се използват за направата на постоянни магнити. Повечето ферити със структура на шпинел, итриев феритен гранат и някои хексаферити се използват като меки магнитни материали. С въвеждането на примеси и създаването на нестехиометричен състав (променливост на състава както по отношение на катиони, така и на кислород), електрическото съпротивление на F. се променя в широк диапазон. F. в полупроводниковата технология не се използват поради ниската мобилност на токоносителите. В допълнение към описаните са известни ферити и други състави и структури, например за алкални метали Me + FeO2, за алкалоземни метали Me2 + Fe2O5 и др. Много ферити са част от шлаките, спец. цименти и др. [22].
Поради уникалната комбинация от високи магнитни свойства и ниска електрическа проводимост, феритите нямат конкуренти сред другите магнитни материали във високочестотната технология (над 100 kHz). Феритите се използват като магнитни материали в радиотехниката, електрониката, автоматиката, компютърната техника (феритни поглъщатели на електромагнитни вълни, антени, сърцевини, запаметяващи елементи, постоянни магнити и др.). Поликристалните ферити се произвеждат по керамична технология. От феритен прах, синтезиран от смес от първоначални феритообразуващи компоненти и гранулиран със свързващо вещество, се пресоват продукти с желаната форма, които след това се подлагат на синтероване при температури от 900 до 1500 ° C във въздух или в специална газова атмосфера.карбонати. Феритните монокристали се отглеждат по методите на Verneuil, Czochralski, зоново топене (виж растеж на единични кристали), обикновено под налягане на O2 от няколко MPa или няколко. десетки MPa. По-често се използва хидротермален растеж в разтвори на NaOH, Na2CO3, NH4C1 или смес от хлориди под налягане от 20 до 120 MPa или растеж от разтвори в стопилка (смеси от PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или по-сложни), когато се използва смес от оксиди като изходни вещества [21].
Феритните филми със шпинелна структура обикновено се отглеждат по химичен метод. транспортни реакции с водородни халиди (HC1) като носител. Филмите от феритни вентилатори и хексаферити се отглеждат чрез течна епитаксия от разтвори в стопилка, както и чрез разлагане на пари, например метални α-дикетонати.
Съставът на отделните ферити може да включва оксиди на много метали. Още по-широка е гамата от феритообразуващи елементи, чиито съединения образуват твърди разтвори с ферити или се въвеждат като неразтворими микрокомпоненти, които регулират процесите на образуване на ферити, синтероване и рекристализация. Феритите са типични съединения с променлив състав, които в общия случай могат да бъдат изразени с формулата AxBy FenOm, където A, B, всякакви феритообразуващи елементи.
Siemens разработва магнитни керамични филми, чието използване позволява намаляване на общите размери на високопроизводителни електронни схеми, както и значително опростяване на технологията на тяхното производство. Такива вериги се използват за стабилизиране на честотата, тока и амплитудата на напрежението, подадено към товара.
В съвременните високотехнологични процеси много компоненти на електрически вериги, като резистори и индуктори, се нанасят върху субстрат (печатна платка) с помощта на филмтехнологии в един автоматизиран технологичен цикъл. Включването на трансформатори във веригата досега значително усложни производствената технология. Използването на магнитен керамичен филм като сърцевина на трансформатор може да помогне за решаването на този проблем чрез значително опростяване на производствения процес, както и увеличаване на компактността на микросхемите. Както знаете, трансформаторите се състоят от затворена магнитна сърцевина с две намотки. Досега намотките бяха нанесени върху дъската, а магнитната сърцевина беше инсталирана в отвор, пробит в дъската. Но такъв технологичен процес е сложен и скъп. Допълнителни трудности възникват и поради разликата в коефициентите на топлинно разширение на магнитните материали и керамиката, което налага включването на допълнителна операция на отгряване в технологичния процес. Изследователи от Siemens създадоха магнитно керамично фолио, което се прилага върху печатна платка по същия начин като други елементи на веригата и действа като магнитна сърцевина на трансформатор. Феритен филм с дебелина няколко десети от милиметъра се подлага на процес на отгряване заедно с платката (подложката) в един технологичен цикъл при температура под 900 °C. Така оформеният трансформатор има квадратна форма с размери 1,5 - 2 cm и височина 1,5 mm, като може да осигури стабилна работа на товара с консумирана мощност 120 W при честота 2,5 MHz.
Новата планарна високочестотна трансформаторна технология е предназначена за приложения при високи температури и където се изисква висока компактност. Изглежда икономически целесъобразно новата разработка да се използва и в системи за бързо зареждане на електрически превозни средства, в които работните токове достигат 100ампер. В съвременния свят има и такова понятие като "магнитотерапия с турманий":