Что такое феррит? Структура, свойства и область применения ферритов

Ферриты представляют собой удивительный класс материалов, сочетающих в себе ценные магнитные и электрические свойства. Давайте разберемся, что из себя представляют эти полезные соединения и где они применяются в современном мире.

1. Что такое феррит? Определение и структура

Ферриты - это особые химические соединения, в состав которых входят оксиды железа и других переходных металлов. Название "феррит" произошло от латинского слова ferrum, что означает "железо". Действительно, основой любого феррита является оксид железа(III) Fe2O3.

Феррит ( лат. ferrum — железо ), фазовая составляющая сплавов железа с углеродом, представляющая собой твердый раствор углерода (до 0,02%) и легирующих элементов в α-железе (α-феррит).

Помимо оксида железа, в состав ферритов могут входить оксиды марганца, никеля, цинка, меди и других металлов. Их соединения с оксидом железа и образуют конечную кристаллическую решетку феррита с определенным типом симметрии.

Основные типы ферритов

• Ферриты-шпинели
• Ферриты-гранаты
• Ортоферриты
• Гексаферриты

У каждого типа ферритов своя кристаллическая решетка и особенности расположения атомов разных элементов в узлах этой решетки. Это в конечном итоге и определяет свойства конкретного феррита.

2. Свойства ферритов и механизмы их формирования

Ключевыми свойствами ферритов являются их магнитные и электрические характеристики. Рассмотрим их подробнее.

Магнитные свойства

Большинство технически важных ферритов обладают ферримагнитными свойствами. Это означает, что в их кристаллической решетке присутствуют как минимум две магнитные подрешетки, намагниченные в противоположных направлениях.

Как видно из таблицы, намагниченность разных ферритов может заметно отличаться. Это определяется особенностями кристаллической структуры конкретного материала.

Электрические свойства

В отличие от ферромагнитных металлов, большинство ферритов являются полупроводниками или диэлектриками. Их удельное электрическое сопротивление может достигать 106-1012 Ом*см.

Такая комбинация магнитных и электрических свойств и делает ферриты незаменимыми материалами для радиотехнической аппаратуры, работающей на высоких частотах.

3. Промышленное производство ферритов

Промышленный синтез ферритов осуществляется по технологии порошковой металлургии. Сначала готовят шихту - смесь оксидов железа и других металлов в заданной пропорции.

Подготовка исходной шихты

Исходную шихту для производства ферритов готовят из оксидов железа, марганца, никеля, цинка, меди в заданных пропорциях. Часто в качестве дешевого сырья используют отходы металлургических производств, содержащие соединения железа.

Формование заготовок

После смешивания порошков шихты, ее помещают в пресс-формы и осуществляют прессование для получения заготовок заданной конфигурации. Это могут быть стержни, диски, кольца, пластины из порошкового феррита.

Термическая обработка

Затем заготовки из прессованного порошка подвергают термической обработке при температурах 900-1500°С на воздухе или в контролируемой газовой атмосфере. Происходит спекание частиц и формирование конечной кристаллической структуры феррита.

Механическая обработка

После спекания готовые ферритовые изделия подвергают механической обработке - шлифовке, полировке, резке - для придания им заданных размеров и формы.

Контроль качества

На заключительном этапе все ферритовые детали проходят входной контроль качества. Проверяются геометрические размеры, плотность, магнитные и электрические характеристики готовых изделий.

4. Марки промышленных ферритов

Существует множество разновидностей технических ферритов, отличающихся составом, свойствами и областями применения.

Общепромышленные ферриты

Это наиболее распространенный класс ферритов со сбалансированным комплексом характеристик. Общепромышленные ферриты применяются для изготовления сердечников, антенн, фильтров.

Высокопроницаемые ферриты

Отличаются очень низкими потерями и высокой магнитной проницаемостью. На их основе производят сердечники для СВЧ устройств и устройств магнитной памяти.

Термостойкие ферриты

Могут работать при высоких температурах до 300°С и выше. Применяются в экстремальных условиях, например в авиакосмической технике.

5. Применение ферритов в радиоэлектронике

Уникальная комбинация электрических и магнитных свойств делает ферриты незаменимыми материалами для самого широкого круга радиотехнических устройств.

Ферритовые сердечники

Ферритовые кольца используются в качестве основы для изготовления сердечников катушек индуктивности, а также резонаторов и фильтров СВЧ диапазона. Ферритовые сердечники обеспечивают минимальные потери на высоких частотах.

Защита от помех

Одно из распространенных применений ферритовых колец - защита электронных устройств от внешних помех. Ферритовое кольцо, надетое на соединительный кабель, подавляет высокочастотные наводки и не дает им проникнуть внутрь устройства.

Ферритовая радиоаппаратура

Из ферритов производят различные комплектующие для радиоаппаратуры: катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели, магнитные антенны и т.д. Благодаря ферритам удается создавать компактные и эффективные конструкции, работающие в широком диапазоне частот.

Перспективы применения в телекоммуникациях

Уникальные частотные характеристики ферритов позволяют использовать их в качестве основы для разработки широкополосных антенн и фильтров для систем мобильной связи стандартов 4G и 5G. Разрабатываются также ферритовые изоляторы и циркуляторы СВЧ для телекоммуникационного оборудования.

6. Ферриты в энергетике

Трансформаторы на ферритовых сердечниках

Благодаря минимальным потерям в переменных магнитных полях, ферриты активно применяются для изготовления магнитопроводов трансформаторов. Ферритовые сердечники позволяют создавать энергоэффективные трансформаторы для силовой электроники.

Накопители энергии на основе ферритов

Исследуются различные типы накопителей электрической энергии на основе ферритовых материалов. Перспективными являются ферритовые конденсаторы и катушки индуктивности для систем бесперебойного питания.

Коммутационные устройства на ферритах

Благодаря сочетанию высокого электрического сопротивления и хороших магнитных свойств, ферриты применяются для создания силовых полупроводниковых ключей. Ферритовые ключи отличаются повышенной надежностью и способны коммутировать сильноточные нагрузки в сотни ампер.

Ферриты в возобновляемой энергетике

Уникальные свойства ферритов в сочетании с новыми технологиями открывают перед ними широкие перспективы применения в ветроэнергетике и солнечной энергетике. Ферриты могут использоваться для повышения КПД ветрогенераторов, а также в фотоэлектрических модулях космических аппаратов.

7. Медицинские применения ферритов

Магнитно-резонансная томография

Одним из важнейших применений ферритов в медицине являются магнитно-резонансные томографы. Мощные электромагниты на основе ферритов генерируют сильные импульсные магнитные поля, необходимые для МРТ исследований.

Таргетная доставка лекарств с использованием ферритов

Интенсивно исследуются возможности использования магнитных наночастиц на основе ферритов для адресной доставки лекарственных препаратов. Управляя магнитным полем снаружи, можно точно позиционировать наноконтейнеры с лекарством внутри организма.