Сен Магнет - Глобален производител на материјали за постојан магнети & Снабдувач над 20 години.
Зошто густината на магнетната енергија на феритните магнети е релативно ниска?
Релативно ниската густина на магнетна енергија на феритните магнети произлегува од комбинацијата на нивните вродени својства на материјалот, структурните карактеристики и ограничувањата во усогласувањето на магнетниот домен. Подолу е дадена детална анализа на клучните фактори што придонесуваат за овој феномен:
1. Состав на материјалот и кристална структура
Феритните магнети се керамички соединенија составени првенствено од железен оксид (Fe₂O₃) во комбинација со стронциум (Sr) или бариум (Ba), формирајќи тврди ферити (на пр., SrFe₁₂O₁₉ или BaFe₁₂O₁₉). Овие материјали кристализираат во хексагонална магнетопломбитна структура, која, иако обезбедува висока коерцивност (отпорност на демагнетизација), по својата природа ја ограничува нивната сатурација на магнетизација (Bs) - критичен параметар за густината на магнетната енергија.
Магнетизација со ниска сатурација (Bs) :
Вредноста на магнетите од ретки земи обично се движи од 0,35 до 0,45 Тесли (T) , што е значително пониско од она на магнетите од ретки земи како неодимиум (NdFeB, ~1,4 T) или самариум-кобалт (SmCo, ~1,1 T). Ова е затоа што магнетните моменти кај феритите произлегуваат првенствено од јони на Fe³⁺, чии придонеси се ограничени од кристалното поле и интеракциите на суперразмена. Спротивно на тоа, магнетите од ретки земи ги искористуваат големите магнетни моменти на 4f електроните (на пр., Nd³⁺ или Sm³⁺), што резултира со повисоки В.Ефекти на кристално поле :
Во хексагоналната структура на феритите, јоните Fe³⁺ зафаќаат повеќе подрешетки со антипаралелни спински ориентации. Иако овој распоред придонесува за висока коерцивност, ја намалува нето магнетизацијата бидејќи не сите Fe³⁺ моменти се порамнуваат во иста насока. Ова делумно поништување на магнетните моменти директно го намалува теоретскиот максимален енергетски производ на материјалот ((BH)max).
2. Ниска густина и порозност
Феритните магнети се синтерувана керамика, што значи дека се формираат со притискање на прашкаст ферит во калап и загревање на високи температури. Овој процес често резултира со порозна структура со воздушни празнини, што ја намалува ефективната густина на материјалот и, следствено, неговата густина на магнетна енергија.
Споредба на густината :
Густината на феритните магнети е приближно 4,7–5,1 g/cm³ , во споредба со 7,4–7,6 g/cm³ за NdFeB магнетите. Бидејќи густината на магнетната енергија е пропорционална и на Bs и на густината, помалата густина на феритите дополнително го намалува нивниот (BH)max.Влијание врз порозноста :
Порозноста воведува немагнетни региони во материјалот, кои дејствуваат како „мртви зони“ кои не придонесуваат за магнетизација. Ова го намалува вкупниот магнетен флукс и капацитетот за складирање на енергија. Напредните техники на синтерување можат да ја минимизираат порозноста, но феритите по природа не можат да ја достигнат густината на металните магнети.
3. Ограничено усогласување на магнетниот домен
Магнетните својства на феритните магнети во голема мера зависат од усогласувањето на магнетните домени за време на производството. Додека анизотропните ферити (магнетирани во претпочитана насока) постигнуваат поголема коерцивност и реманенција (Br) од изотропните ферити (случајно ориентирани домени), нивното усогласување на домените е сè уште инфериорно во однос на она на ретките земни магнети.
Анизотропија наспроти изотропија :
Анизотропните ферити имаат преферирана насока на магнетизација, што го подобрува нивниот Br и коерцивитет. Сепак, дури и кај анизотропните ферити, ѕидовите на домените можат да се закачат или да се изместат поради границите на зрната или нечистотиите, ограничувајќи го остварливиот (BH)max. Спротивно на тоа, NdFeB магнетите постигнуваат речиси совршено порамнување на домените преку напредни техники на прашкаста металургија, максимизирајќи ја нивната густина на енергија.Прикачување на ѕидот на доменот :
Шестоаголната кристална структура на феритите создава места за прицврстување за ѕидовите на домените, кои се спротивставуваат на движењето под надворешни полиња. Иако ова ја зголемува коерцитивноста, исто така спречува домените целосно да се усогласат, намалувајќи ја способноста на материјалот ефикасно да складира магнетна енергија.
4. Температурна зависност на магнетните својства
Феритните магнети покажуваат силна температурна зависност во нивните магнетни својства, што дополнително ја ограничува нивната густина на енергија на покачени температури.
Кириева температура (Tc) :
Tc на феритните магнети е обично околу 450–460°C , над кои тие ги губат своите феромагнетни својства. Сепак, нивната коерцивност и реманенција почнуваат значително да опаѓаат на многу пониски температури (на пр., над 100–150°C). Оваа температурна чувствителност ја ограничува нивната употреба во апликации на високи температури во споредба со ретките земни магнети, кои ги задржуваат своите својства до повисоки температури (на пр., NdFeB има Tc од ~310–370°C, но ја задржува коерцивноста подобро на покачени температури).Термичка агитација :
На повисоки температури, термичката агитација го нарушува усогласувањето на магнетните моменти, намалувајќи го и Br и коерцитивноста. Оваа термичка нестабилност ја ограничува практичната густина на енергијата на феритите во апликации кои бараат стабилни перформанси во широк температурен опсег.
5. Споредба со други типови магнети
За да се контекстуализира ниската густина на магнетна енергија на феритите, поучно е да се споредат со други вообичаени типови магнети:
| Тип на магнет | Заситена магнетизација (Bs, T) | Максимален енергетски производ ((BH)max, kJ/m³) | Густина (g/cm³) | Клучна предност |
|---|---|---|---|---|
| Ферит | 0,35–0,45 | 8–40 | 4,7–5,1 | Ниска цена, висока коерцивност, отпорност на корозија |
| Алнико | 0,8–1,5 | 5–50 | 6,8–7,8 | Стабилност на висока температура |
| Самариум-кобалт | 1,0–1,1 | 150–320 | 8,3–8,5 | Висока коерцивност, стабилност на температурата |
| Неодиум (NdFeB) | 1.1–1.4 | 200–500+ | 7,4–7,6 | Највисока густина на енергија, силно магнетно поле |
Како што е прикажано, феритите имаат најниски Bs и (BH)max меѓу овие типови магнети, што ја зајакнува нивната позиција како исплатлива, но магнетно послаба опција.
6. Практични импликации на ниска густина на магнетна енергија
Ниската густина на магнетна енергија на феритните магнети има неколку практични импликации:
Потребни се поголеми димензии :
За да се постигне истата јачина на магнетното поле како кај ретките земни магнети, феритниот магнет мора да биде значително поголем. Ова ги прави феритите несоодветни за апликации каде што просторот е ограничен, како на пример кај компактни мотори или високо-перформансни звучници.Пониска ефикасност кај апликации со голема моќност :
Феритите се помалку ефикасни во апликациите што бараат висока густина на магнетен флукс, како што се моторите на електрични возила или ветерните турбини, каде што доминираат ретките земни магнети поради нивната супериорна густина на енергија.Компромис помеѓу трошоците и перформансите :
Иако феритите се ефтини и отпорни на корозија, нивната ниска густина на енергија бара компромис помеѓу цената и перформансите. Тие често се избираат за апликации каде што цената е примарна грижа, а магнетната јачина е секундарна (на пр., магнети за фрижидери, звучници и едноставни мотори).
7. Напредоци и ублажувања
И покрај нивните вродени ограничувања, истражувањата продолжуваат да ја подобруваат густината на магнетната енергија на феритните магнети преку:
Допинг и легирање :
Додавањето елементи како лантан (La) или кобалт (Co) во феритните формулации може да го подобри Bs и коерцитивноста. На пример, феритите допирани со La-Co покажаа подобрени магнетни својства во споредба со стандардните Sr ферити.Наноструктурирање :
Намалувањето на големината на зрната на наноразмер може да го подобри усогласувањето на домените и да ги намали ефектите на закачување, потенцијално зголемувајќи го (BH)max. Сепак, скалирањето на овој пристап кон индустриското производство останува предизвикувачки.Напредни техники на синтерување :
Топлото пресување или синтерувањето со искричка плазма може да произведе погусти феритни магнети со помалку дефекти, подобрувајќи ја нивната енергетска густина. Сепак, овие методи ги зголемуваат трошоците за производство.
Заклучок
Релативно ниската густина на магнетна енергија на феритните магнети е директна последица од нивниот материјален состав, кристалната структура, порозноста, ограниченото порамнување на домените и чувствителноста на температурата. Иако овие фактори ја ограничуваат нивната употреба во високо-перформансни апликации, феритите остануваат неопходни на пазарите чувствителни на трошоци поради нивната висока коерцитивност, отпорност на корозија и леснотија на производство. Идните достигнувања во допирањето, наноструктурирањето и синтерувањето може да го намалат јазот во перформансите помеѓу феритите и ретките земни магнети, но засега, нивната улога како материјал за „работна сила“ во апликации со ниски до средни перформанси е обезбедена.
