Ферриты

Ферриты — это ферримагнитная керамика, сочетающая в себе высокие магнитные свойства и высокое удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что позволило их применять в области ВЧ и СВЧ, т.е. там, где металлические магнитомягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущество ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой сложные системы окислов железа и двухвалентного (реже одновалентного) металла, имеющие общую формулу MeO•Fe2O3. В качестве металла применяют ионы Ni²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Fe²⁺ , Zn²⁺, Cd²⁺, Li⁺ и др., которые и дают название фер­риту. Например, NiO•Fe₂O₃ — никелевый феррит, ZnO•Fe₂O₃ — цин­ковый феррит. Применяющиеся в технике ферриты называют также оксиферами. В последнее время широко применяются ферриты с об­щей формулой 3Me₂O₃ •5Fe₂O₃ (где Me — ион двух- или трехвалент­ного металла).

Свойства ферритов и соответственно изделий из них сильно зави­сят от их состава и технологии получения. В промышленности используют наиболее простую технологию, заключающуюся в спека­нии оксидов при высокой температуре: в приготовленный ферритовый порошок, состоящий из обожженных окислов соответствующих металлов, тонко измельченных и тщательно перемешанных, добавля­ют пластификатор (обычно раствор поливинилового спирта) и из по­лученной массы под большим давлением прессуют изделия требуемой формы и обжигают их при температуре 1100—1400°С. В процессе об­жига и образуется феррит, представляющий собой твердый раствор окислов. При этом происходит усадка, которая может составлять 10—20%. Очень важно, чтобы обжиг происходил в окислительной сре­де (обычно в воздухе). Присутствие даже небольшого количества во­дорода может вызвать частично восстановление окислов, что приведет к увеличению магнитных потерь. Полученные ферритовые изделия являются твердыми и хрупкими и не позволяют производить механи­ческую обработку, кроме шлифования и полирования.

Ферриты имеют гранецентрированную плотноупакованную ку­бическую решетку, в которой ионы кислорода образуют тетраэдры. Ионы кислорода образуют и октаэдры, которые тоже участвуют в формировании магнитных свойств. В центре тетраэдра располагается ион металла. Если этим ионом является Fe³⁺, то материал обладает магнитными свойствами, например, ферриты никелевый (NiO-Fe₂O₃ ) и марганцевый (MnO-Fe₂O₃ ). Если этим ионом является Zn²⁺ или Cd²⁺ , то магнитные свойства отсутствуют, образуется немагнит­ный феррит, например, цинковый (ZnO-Fe₂O₃) или кадмиевый (CdO-Fe₂O₃). Указанные явления объясняются тем, что в ферритах между магнитными моментами соседних атомов осуществляется кос­венное обменное взаимодействие, которое приводит к их антипарал­лельной ориентации (см. гл. 14.1.5). В связи с этим кристаллическую решетку ферритов можно представить как состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток, имеющих противоположные на­правления магнитных моментов ионов (атомов). В магнитном фер­рите намагниченность подрешеток неодинаковая, поэтому возникает суммарная спонтанная намагниченность, а в немагнитном феррите суммарная намагниченность равна нулю.

Технические ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. К магнитомягким ферритам в первую очередь относятся две группы ферритов: никель-цинковые и марганец-цинковые, представляющие собой трехкомпонентные системы NiO—ZnO—Fe₂O₃ и MnO—ZnO—Fe₂O₃ (табл. 15.5). Немагнитные ферриты добавляют к магнитным для увеличения маг­нитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы. Однако при этом снижается температура Кюри.

Магнитные свойства ферритов, как и альсиферов, очень сильно зависят от их состава. На рис. 15.3 приведена зависимость начальной магнитной проницаемости никель-цинкового феррита от его соста­ва. Из рисунка видно, что высокие значения μ_н достигаются на очень узком участке диаграммы.

Начальная магнитная проницаемость μ_н — один из основных магнитных параметров магнитомягких ферритов. Ее величина у раз­личных марок магнитомягких ферритов изменяется от 7 до 20000 (μ_н = 45—35000). Чем выше начальная магнитная проницаемость феррита данной группы, тем ниже его температура Кюри (рис. 15.4) и менее стабильны магнитные свойства при изменении температу­ры. Магнитная проницаемость влияет также на величину критиче­ской частоты ƒкр; чем больше μ_н, тем ниже ƒкр. Ферриты, у которых μ_н = 20—20000, во многих случаях в слабых полях эффективно заме­няют пермаллои и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (в 2—3,5 раза) индукцию насыще­ния, чем металлические ферромагнетики.

Температурная зависимость магнитной проницаемости характе­ризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКμ и относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости α_μ, К^{─1 '}, определяемого из выражения

α_μ = ТКμ/μ_Т1 =(μ_Т2─μ_Т1 )/[μ_Т1² (T₂─ T₁] (15.4 )

Индукция насыщения у ферритов составляет 0,1—0,4 Тл (значи­тельно ниже, чем у магнитомягких сплавов). Однако у сплавов в вы­сокочастотных полях Bs. становится ниже, чем у ферритов, из-за вы­соких размагничивающих вихревых токов.

Магнитные потери ферритов часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь tgδ_м (см. формулы (14.17) и (14.21)). В слабых по­лях потери на вихревые токи у них ничтожны из-за высокого удель­ного сопротивления, на гистерезис малы и в основном образуются за счет потерь на магнитное последействие. Удельные потери Р на пeремагничивание в слабых полях тороидального ферритового сердеч­ника можно вычислить по формуле

P = {ƒB² tgδ_м / μ_н }•5•l0^-8 (15.5)

Из формулы (15.5) видно, что удельные потери на перемагничивание в основном зависят от квадрата индукции В и тангенса угла магнитных потерь, приведенного к величине начальной магнитной проницаемости (1§5М/Ц„)'

Основные недостатки ферритов — трудность получения точных размеров изделий из-за большой усадки при обжиге (до 20%), не­достаточно высокая воспроизводимость магнитных свойств, невысо­кие значения индукции насыщения и температуры Кюри, невысокая стабильность магнитных параметров во времени (у некоторых фер­ритов с высокой μ_н в течение первого года величина μ снижается на 3-7 %).

Исходя из условий эксплуатации и области применения, ферриты условно делят на несколько групп.

Группа 1 — ферриты общего применения. К ним относятся низкочастотные ферри­ты никель-цинковые (100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН 2000НН) и марганец-цинковые (1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ), работающие в диапазоне частот до 30 МГц в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, антенн, где нет особых требований к температурной и временной стабильности. Основными нормируемыми характеристиками этих ферритов являются ц„ и tg5M.

Группа 2 — термостабильные ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (700НМ, 1000НМЗ, 1500 НМ1, 1500НМЗ, 2000НМ1, 2000НМЗ), применяемые на частотах до 3 МГц и имеющие Тк = 200—240°С, и высо­кочастотные никель-цинковые ферриты (7ВН, 20ВН, ЗОВИ, 50ВН, 100ВН, 150ВН), применяемые на частотах до 100 МГц и имеющие Тк — 400—450°С.

Группа 3 — высокопроницаемые ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ). Ра­бочая частота до 1 МГц. Изделия из этих ферритов значительно дешевле, чем из тонкокатанного пермаллоя для тех же частот.

Группа 4 — ферриты для телевизионной техники — применяют в основном для магнитопроводов выходных строчных трансформаторов и специальных узлов в цвет­ных телевизорах. К ним относятся ферриты марок 2500НМС1, 3000НМС.

Группа 5 — ферриты для импульсных трансформаторов работают в импульсном ре­жиме подмагничивания. К ним относятся ферриты марок 300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ.

Группа 6 — ферриты для перестраиваемых контуров. К ним относятся высокочас­тотные никель-цинковые ферриты (10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, ЗООВНП). Используют их в контурах, перестраиваемых подмагничиванием, мощных радиотехнических устройствах.

Группа 7 — ферриты для широкополосных трансформаторов. К ним относятся вы­сокочастотные никель-цинковые ферриты (50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС), ис­пользуемые в радиопередающей аппаратуре. Эти ферриты обладают повышенной доб­ротностью в слабых и сильных полях при частотах до 250 МГц.

Группа 8 — ферриты для магнитных головок. Эти ферриты в конце маркировки имеют букву Т (500НТ, 500НТ1, 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ, 500МТ, 1000МТ. 2000МТ, 5000МТ). Одними из основных их магнитных характеристик являются цм и порис­тость (поверхностная пористость должна быть <1 %).

Группа 9 — ферриты для датчиков температуры. Основное назначение — сердеч­ники для индуктивных бесконтактных датчиков температуры. К ним относятся низко­частотные никель-цинковые ферриты (1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200ННЗ, 800НН).

Группа 10 — ферриты для магнитного экранирования. К ним относятся ферриты марок 200ВНРП, 800ВНРП. Эти ферриты отличаются высоким значением магнит­ных потерь в широком диапазоне частот и используются в радиопоглощаюших уст­ройствах.