Senz Magnet - Глобальный производитель материалов для постоянных магнитов & Поставщик более 20 лет.
Какова причина магнитных свойств ферритовых магнитов?
Магнитные свойства ферритовых магнитов обусловлены их уникальной кристаллической структурой, химическим составом и взаимодействием магнитных моментов на атомном уровне. Ниже приводится подробное объяснение этих факторов:
1. Кристаллическая структура и ферримагнетизм
Ферритовые магниты относятся к классу материалов, известных как ферриты , представляющих собой керамические соединения, состоящие из оксида железа (Fe₂O₃) в сочетании с одним или несколькими дополнительными металлами, такими как стронций (Sr), барий (Ba) или марганец (Mn). Наиболее распространёнными типами являются феррит стронция (SrO·6Fe₂O₃) и феррит бария (BaO·6Fe₂O₃) .
Ферримагнитное упорядочение : в отличие от ферромагнитных материалов (например, железа, никеля, кобальта), где все атомные магнитные моменты ориентированы параллельно друг другу, ферриты проявляют ферримагнетизм . При таком расположении магнитные моменты ионов в разных подрешетках кристаллической структуры ориентированы в противоположных направлениях, но не компенсируют друг друга полностью из-за разницы в величине. Это приводит к суммарной спонтанной намагниченности , обуславливающей постоянные магнитные свойства ферритов.
Гексагональная кристаллическая структура : ферриты стронция и бария кристаллизуются в гексагональной структуре магнетоплюмбита (M-типа) . Эта структура состоит из чередующихся слоёв ионов кислорода (O²⁻) и ионов металлов (Fe³⁺, Sr²⁺/Ba²⁺). Ионы Fe³⁺ занимают две различные кристаллографические позиции:
- Тетраэдрические позиции (A-позиции) : ионы Fe³⁺ здесь имеют магнитные моменты, ориентированные в одном направлении.
- Октаэдрические позиции (B-позиции) : ионы Fe³⁺ здесь имеют магнитные моменты, ориентированные в противоположном направлении.
Из-за неравного количества ионов Fe³⁺ в A- и B-позициях (обычно 4 иона Fe³⁺ в A-позиции и 8 ионов Fe³⁺ в B-позиции на формульную единицу в ферритах M-типа) сохраняется чистый магнитный момент, что приводит к ферримагнетизму.
2. Роль химического состава
Выбор металлических элементов (например, Sr или Ba) и их соотношение существенно влияют на магнитные свойства ферритов:
Стронциевые и бариевые ферриты : стронциевые ферриты, как правило, обладают более высокой коэрцитивной силой (стойкостью к размагничиванию) и остаточной намагниченностью (остаточной намагниченностью после снятия внешнего поля) по сравнению с бариевыми ферритами. Это делает стронциевые ферриты более подходящими для высокопроизводительных устройств, таких как громкоговорители и двигатели.
Легирование редкоземельными элементами : хотя редкоземельные элементы обычно не являются основными компонентами стандартных ферритовых магнитов, для улучшения определенных свойств, таких как коэрцитивная сила или температурная стабильность, можно добавлять небольшое количество лантана (La), кобальта (Co) или неодима (Nd). Однако это встречается реже из-за высокой стоимости.
3. Магнитная анизотропия
Магнитная анизотропия относится к направленной зависимости магнитных свойств материала. Прочность ферритовых магнитов во многом обусловлена одноосной магнитной анизотропией , то есть их намагниченность преимущественно выстраивается вдоль определённой кристаллографической оси ( оси c в гексагональных ферритах).
Причина анизотропии : сильная спин-орбитальная связь между ионами Fe³⁺ и окружающими ионами кислорода в сочетании с гексагональной симметрией кристаллической решетки создает энергетический барьер для вращения намагниченности от оси c. Это приводит к высокой коэрцитивной силе, поскольку внешнее поле должно преодолеть этот барьер, чтобы размагнитить материал.
Процесс производства : в процессе производства ферритовые порошки прессуются в сильном магнитном поле для выравнивания с-осей кристаллитов. Этот процесс, известный как прессование с использованием магнитного поля , улучшает общую анизотропию и магнитные характеристики готового спеченного магнита.
4. Доменная структура и процесс намагничивания
Магнитное поведение ферритовых магнитов также зависит от их доменной структуры , которая относится к областям внутри материала, где магнитные моменты равномерно выровнены.
Движение доменных стенок : при приложении внешнего магнитного поля домены с намагниченностью, параллельной полю, растут за счёт доменов с намагниченностью, ориентированной в противоположном направлении. Это происходит за счёт движения доменных стенок (границ между доменами). Ферритовые магниты обладают высокой степенью фиксации доменных стенок из-за дефектов и примесей в кристаллической решётке, что затрудняет движение стенок и способствует их высокой коэрцитивной силе.
Однодоменные частицы : В очень малых ферритовых частицах (в наномасштабе) энергия, необходимая для образования доменной стенки, превышает энергию, экономимую за счёт наличия нескольких доменов. В результате частица становится однодоменной , в которой все магнитные моменты равномерно выровнены. Однодоменные частицы обладают чрезвычайно высокой коэрцитивной силой и используются, например, в магнитных носителях.
5. Температурная зависимость магнетизма
Магнитные свойства ферритовых магнитов зависят от температуры:
Температура Кюри (Tc) : это температура, выше которой феррит теряет свои ферримагнитные свойства и становится парамагнитным (магнитные моменты ориентированы случайным образом). Для феррита стронция Tc составляет приблизительно 450°C, а для феррита бария — около 460°C. Ниже этих температур материал сохраняет постоянную намагниченность.
Термическая стабильность : ферритовые магниты более термически стабильны, чем многие другие материалы для постоянных магнитов (например, альнико или неодим). Их коэрцитивная сила и остаточная намагниченность немного уменьшаются с повышением температуры, но остаются относительно постоянными в широком диапазоне, что делает их пригодными для высокотемпературных применений.
6. Сравнение с другими магнитными материалами
Чтобы лучше понять уникальное положение ферритовых магнитов, полезно сравнить их с другими классами магнитных материалов:
| Свойство | Ферритовые магниты | Магниты альнико | Неодимовые (NdFeB) магниты | Самарий-кобальтовые (SmCo) магниты |
|---|---|---|---|---|
| Состав | Fe₂O₃ + Sr/Ba | Al, Ni, Co, Fe | Неодим, Железо, Бор | См, Ко |
| Магнитная сила | Умеренный | Высокий | Очень высокий | Высокий |
| Коэрцитивность | Высокий | От низкого до среднего | Очень высокий | Высокий |
| Температурная стабильность | Отличная (до ~450°C) | Хорошо (до ~550°C) | Умеренная (до ~80°C) | Отличная (до ~300°C) |
| Коррозионная стойкость | Отличный | Хороший | Плохо (требуется покрытие) | Хороший |
| Расходы | Низкий | Умеренный | Высокий | Очень высокий |
Ферритовые магниты сочетают в себе умеренную магнитную силу, высокую коэрцитивную силу, превосходную температурную стабильность и низкую стоимость, что делает их идеальными для множества повседневных применений.
7. Применение ферритовых магнитов
Уникальное сочетание свойств делает ферритовые магниты незаменимыми во многих областях:
Электроника : используется в индукторах, трансформаторах и фильтрах электромагнитных помех (ЭМП) из-за их высокого электрического сопротивления и низких потерь на вихревые токи на высоких частотах.
Автомобильная промышленность : используются в двигателях, генераторах и датчиках, где решающее значение имеют их устойчивость к размагничиванию и термостабильность.
Товары народного потребления : широко используются в громкоговорителях, наушниках, магнитах на холодильник и магнитных игрушках из-за их доступности и безопасности.
Промышленная сфера : используется в магнитных сепараторах, конвейерных системах и удерживающих устройствах, где требуются сильные постоянные магниты без необходимости обеспечения высокой магнитной напряженности.
8. Преимущества и ограничения
Преимущества :
- Экономичность : ферритовые магниты являются наименее дорогими постоянными магнитами, что делает их пригодными для изделий массового производства.
- Коррозионная стойкость : они не подвержены ржавчине и коррозии, что исключает необходимость в защитных покрытиях.
- Температурная стабильность : хорошо работают в широком диапазоне температур без существенного ухудшения характеристик.
- Безопасность : Нетоксично и безопасно для использования в потребительских товарах.
Ограничения :
- Умеренная магнитная сила : хотя ферритовые магниты достаточны для многих применений, они не могут сравниться по магнитной силе с неодимовыми или самарий-кобальтовыми магнитами.
- Хрупкость : Как и керамика, ферритовые магниты хрупкие и могут расколоться или сломаться при падении или механическом воздействии.
- Ограниченные высокочастотные характеристики : хотя их характеристики и выше, чем у металлических магнитов, на очень высоких частотах (диапазон ГГц) они уступают специализированным мягким ферритам, разработанным для таких применений.
