Керамические материалы с магнитными функциями

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 7Следующая ⇒

Среди множества магнитных материалов, применяемых в технике, особое место занимают ферриты, основным компонентом которых является оксид железа. В промышленности ферриты начали использоваться около полувека назад; они были разработаны как альтернатива металлическим магнитам для снижения потерь энергии на перемагничивание. Такая замена возможна благодаря высокому электрическому сопротивлению керамики (примерно на восемь порядков) и, следовательно, значительному снижению вихревых токов и связанных с ними электромагнитных потерь, поскольку последние обратно пропорциональны электросопротивлению материала.

В состав Феррита входят анионы кислорода О2-, образующие остов их кристаллической решётки; в промежутках между ионами кислорода располагаются катионы Fe3+, имеющие меньший радиус, чем анионы О2-, и катионы Mek+ металлов, которые могут иметь радиусы различной величины и разные валентности k. Существующее между катионами и анионами кулоновское (электростатическое) взаимодействие приводит к формированию определённой кристаллической решётки и к определённому расположению в ней катионов [22]. В результате упорядоченного расположения катионов Fe3+ и Mek+ Ферриты обладают ферримагнетизмом и для них характерны достаточно высокие значения намагниченности и точек Кюри. Различают Ф.-шпинели, Ф.-гранаты, ортоферриты и гекса ферриты.

Ферриты-шпинели имеют структуру минерала шпинели с общей формулой MeFe2O4, где Me - - Ni2+, Со2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, Li+, Cu2+. Элементарная ячейка Ф.-шпинели представляет собой куб, образуемый 8 молекулами MeOFe2O3 и состоящий из 32 анионов О2-, между которыми имеется 64 тетраэдрических (А) и 32 октаэдрических (В) промежутков, частично заселённых катионами Fe3+ и Ме2+. В зависимости от того, какие ионы и в каком порядке занимают промежутки А и В, различают прямые шпинели (немагнитные) и обращенные шпинели (ферримагнитные). В обращенных шпинелях половина ионов Fe3+ находится в тетраэдрических промежутках, а в октаэдрических промежутках -2-я половина ионов Fe3+ и ионы Ме2+. При этом намагниченность октаэдрической подрешётки больше

тетраэдрическои, что приводит к возникновению ферримагнетизма [23].

Ферриты-гранаты редкоземельных элементов R3+ (Gd3+, Tb3+, Dy3+, НоЗ+, Er3+, Sm3+, Eu3+) и иттрия Y3+ имеют кубическую структуру граната с общей формулой R3Fe5O12. Элементарная ячейка Феррит-гранатов содержит 8 молекул R3Fe5O12; в неё входит 96 ионов О2-, 24 иона R3+ и 40 ионов Fe3+. В Феррит-гранатах имеется три типа промежутков, в которых размещаются катионы: большая часть ионов Fe3+ занимает тетраэдрические (d), меньшая часть ионов Fe3+ • октаэдрические (я) и ионы R3+ додекаэдрические места (с) [21].

Ортоферритами называют группу Ферритов с орторомбической кристаллической структурой. Их образуют редкоземельные элементы или иттрий по общей формуле RFeO3. Ортоферриты изоморфны минералу перовскиту. По сравнению с Ферритами-гранатами они имеют небольшую намагниченность, так как обладают неколлинеарным антиферромагнетизмом (слабым ферромагнетизмом) и только при очень низких температурах (порядка нескольких К и ниже) — ферримагнетизмом.

Ферриты гексагональной структуры (гексаферриты) имеют общую формулу MeO 6(Fe2O3), где Me -- ионы Ва, Sr или Рb. Элементарная ячейка кристаллической решётки гексаферритов состоит из 38 анионов О2-, 24 катионов Fe3+ и 2 катионов Ме2+ (Ва2+, Sr2+ или РЬ2+). Ячейка построена из двух шпинельных блоков, разделённых между собой ионами Рb2+ (Ва2+ или Sr2+), О2- и Fe3+. Если окиси железа и бария спекать совместно с соответствующими количествами следующих металлов: Mn, Сг, Co, Ni, Zn, то можно получить ряд новых оксидных ферримагнетиков.

Некоторые гексаферриты обладают высокой коэрцитивной силой и применяются для изготовления постоянных магнитов. Большинство Ф. со структурой шпинели, феррит-гранат иттрия и некоторые гексаферриты используются как магнитомягкие материалы. При введении примесей и создании нестехеометричности состава (переменности состава как по катионам, так и по кислороду) электрическое сопротивление Ф. изменяется в широких пределах. Ф. в полупроводниковой технике не применяются из-за низкой подвижности носителей тока. Помимо описанных, известны ферриты и др. составов и структур, например для щелочных металлов Me+FeO2, для щелочно-земемельных Me2+Fe2O5 и т. д. Многие ферриты входят в состав шлаков, спец. цементов и т. п [22].

Благодаря уникальному сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т. д.). Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °С на воздухе или в специальной газовой атмосфере, В качестве исходных материалов применяют смеси оксидов или карбонатов, совместно упаренных растворов солей (нитратов, сульфатов, двойных сульфатов типа шенитов) или совместно осажденных гидроксидов, оксалатов, карбонатов. Монокристаллы ферриты выращивают методами Вернейля, Чохральского, зонной плавки (см. Монокристаллов выращивание) обычно под давлением О2 несколько МПа или неск. десятков МПа. Чаще используют гидротермальное выращивание в растворах NaOH, Na2CO3, NH4C1 или смеси хлоридов под давлением от 20 до 120 МПа либо выращивание из растворов в расплаве (смеси РbО + PbF2, РbО + В2ОЗ, ВаО + В2ОЗ или более сложные) при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов [21].

Пленки ферриты со структурой шпинели выращивают обычно методом хим. транспортных реакций с галогеноводородами (НС1) в качестве носителя. Пленки ферриты- фанатов и гексаферритов выращивают методом жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также путем разложения паров, например -дикетонатов металлов.

В состав индивидуальных ферритов могут входить оксиды многих металлов. Еще шире спектр ферритообразующих элементов, соединения которых образуют с ферритами твердые растворы или вводятся в качестве нерастворимых микрокомпонентов, регулирующих процессы ферритообразования, спекания и рекристаллизации. Ферриты являются типичными соединениями переменного состава, который в общем случае можно выразить формулой АхВу FenOm, где А, В, любые ферритообразующие элементы.

Компания Siemens разрабатывает магнитные керамические пленки, применение которых позволяет уменьшить габаритные размеры высокопроизводительных электронных схем, а также значительно упростить технологию их изготовления. Такие схемы используются для стабилизации частоты, тока и амплитуды напряжения, подаваемого в нагрузку.

В современных высокотехнологических процессах многие компоненты электрических схем, например, резисторы и катушки индуктивности, наносятся на подложку (печатную плату) с помощью пленочной технологии в едином автоматизированном технологическом цикле. Включение в схему трансформаторов до сих пор значительно усложняло технологию производства. Использование магнитной керамической пленки в качестве сердечника трансформатора может помочь решить эту проблему, значительно упростив технологический процесс, а также увеличив компактность микросхем. Как известно, трансформаторы состоят из замкнутого магнитного сердечника с двумя обмотками. До сегодняшнего времени обмотки наносились на плату, а магнитный сердечник устанавливался в отверстие, просверленное в плате. Но такой технологический процесс является сложным и дорогостоящим. Дополнительные трудности возникают еще и из-за различия в коэффициентах теплового расширения у магнитных материалов и керамики, что делает необходимым включение в технологический процесс дополнительной операции отжига. Исследователи из Siemens получили магнитную керамическую пленку, которая наносится на печатную плату аналогично нанесению других элементов схемы и выполняет при этом функцию магнитного сердечника трансформатора. Ферритовая пленка толщиной в несколько десятых долей миллиметра подвергается процессу отжига вместе с платой (подложкой) в едином технологическом цикле при температуре ниже 900 °С. Трансформатор, сформированный таким способом, имеет форму квадрата с размером 1, 5 - 2 см и высотой 1, 5 мм, и может обеспечить стабильную работу нагрузки с потребляемой мощностью 120 Вт на частоте 2, 5 МГц.

Новая технология планарного высокочастотного трансформатора предназначена для применения в условиях высоких температур, а также там, где необходима высокая компактность. Экономически целесообразным представляется использование новой разработки также в системах быстрой зарядки электромобилей, в которых рабочие токи достигают 100 ампер. Так же существует такое понятие в современном мире как «Турманиевая магнитотерапия»:

Эта керамика обладает способностью создавать постоянное магнитное поле за счет поляризации кристаллов турмалина. Именно турмалин является основным действующим началом: он производит очень мягкую магнитотерапию, обеспечивая безвредное лечение. Для использования натурального магнита практически нет временных ограничений. Если обычный сеанс физиотерапии составляет 20 минут, то такая магнитотерапия может продолжаться несколько часов. На турманиевом мате можно спать всю ночь, установив минимальную температуру. В состав турманиевой керамики также входят редкоземельные элементы, которые действуют на организм, нейтрализуя свободные радикалы. Свободные радикалы - это очень агрессивные химические молекулы (ацетон и др.). Остановить их практически невозможно. Керамическое покрытие, которое при нагревании выделяет короткий, но очень энергичный импульс, разбивает свободный радикал. Таким образом, эта керамика работает подобно противоонкологическим препаратам. Но если последние вызывают отравление организма, потому что это сильные яды, то здесь никакого отравления не происходит. Турманиевая керамика очень хороша для людей, ослабленных тяжелой болезнью, операцией. Когда есть такой нежный и мягкий источник тепла, организм тратит меньше энергии на поддержание собственной температуры и отдает эту энергию на другие нужды, а значит, быстрее восстанавливается. Турмалин при нагревании создает низкочастотное магнитное поле, которое усиливает клеточный метаболизм и местный кровоток, улучшая питание в органах и тканях. В результате такого воздействия на организм уже с первых сеансов восстанавливается микроциркуляция крови, нормализуется ее вязкость, содержание холестерина, восстанавливается электрический заряд эритроцитов, препятствующий их агрегации (слипанию), также восстанавливается эластичность мембран эритроцитов, что позволяет этим клеткам крови проходить по капиллярам с диаметром в 3 раза меньше, чем диаметр самих эритроцитов. Сеансы магнитотерапии с использованием керамических матов укрепляют иммунитет, способствуют уравновешенности вегетативной нервной системы. Интересен тот факт, что действие магнитотерапии при однократной процедуре сохраняется от 1 до 6 суток. А после курса лечения -30-45 дней.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 Следующая ⇒