CC BY
120
УДК 544.2 ББК 30ф
КРИСТАЛЛЫ ФЕРРИТОВ И ИХ СВОЙСТВА
СТАРИКОВ А.Ю., СУЛЕЙМАНОВА И.И., САВИНА Ю.Д., ВИННИКД.А. ФГАОУВО ЮУрГУ (НИУ), Челябинск, Россия e-mail: [email protected]
Аннотация
В работе представлен обзор на ферриты, их свойства и применения. Проведен анализ литературных данных, рассмотрены все типы ферритов и приведены их краткие характеристики, а также представлена диаграмма системы BaO-Fe2O3.
На основании выполненной работы сделан вывод о важности выбора типа ферритов при разработке различных СВЧ-устройств, а также подбора подходящего материала, отвечающего предъявляемым требованиям к разрабатываемым устройствам.
Ключевые слова: кристаллы, монокристаллы, ферриты, магнитные материалы.
Актуальность. Одну из важных практических ролей в радиоэлектронике, телемеханике, автоматике, машиностроении, приборостроении и энергетике играют ферриты. Простейшим видом феррита является магнетит (магнитный железняк). Более 2500 лет назад было известно, что природный магнетит обладает свойством притягивать железные предметы. Благодаря чему это вещество впервые познакомило человека с магнитным явлением [1].
Ферриты - соединения оксида железа (Fe2Oз), являющейся основной составной частью всех ферритов с оксидами других металлов. После соответствующей термической обработки ферриты приобретают разнообразные магнитные и электрические свойства. Как и все керамические материалы, ферриты являются твердыми и хрупкими.
По строению ферриты представляют собой ионные кристаллы. Их кристаллическую решетку образуют отрицательные ионы кислорода с радиусом ~1,4 А и положительные ионы металлов радиусом ~0,67 А. Анионы кислорода образуют плотнейшую упаковку, а катионы располагаются в пустотах, образующихся при укладке анионов [2, 3].
Ферриты могут иметь структуру:
- шпинели;
- граната;
- перовскита;
- магнетоплюмбита.
Ферриты со структурой шпинели имеют общую формулу MeFe2O4, (Me - двухвалентный катион Fe, №, Zn, Mg, Mn или комбинацию
Li+Fe по 0,5 ат.% каждого). Ионы кислорода в шпинели образуют плотную ГЦК решетку.
Ферриты со структурой граната имеют общую формулу MeзFe2(FeO4)з или (3Me2Oз • 5Fe2Oз), где Me - трехвалентный ион иттрия или одного из лантаноидов. Ферриты-гранаты имеют кубическую кристаллическую решетку.
Ферриты со структурой перовскита (также их называют ортоферритами) в настоящее время они достаточно хорошо экспериментально и теоретически изучены. Общая формула -MeFeOз, где Me - крупные ионы двухвалентных металлов Ca, Sr, Ba, Y и др.
Формула магнетоплюмбита в общем виде такова: MeO•6Fe2Oз или MeFel2Ol9 (Me2+=Ba, Pb, Sr и т.д.). Магнетоплюмбиты также называют гексагональными ферритами, так как эти ферриты имеют гексагональную кристаллическую решетку [1, 6].
Характерная особенность ферритов -высокое, как у полупроводников, удельное электрическое сопротивление (103-1011 Ом • м). За счет низкой электропроводности (в 108-1014 раз меньше, чем у металлических ферромагнетиков) потери на вихревые токи у ферритов минимальны, что обусловило их широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот. По магнитным свойствам ферриты уступают металлическим
ферромагнетикам, вследствие чего не используются в области низких частот. Ферриты имеют невысокую индукцию насыщения, большую коэрцитивную силу и невысокую точку Кюри (6 <300°С), что ограничивает их
рабочую температуру и ухудшает температурную стабильность свойств.
При исследовании Гото и Такада системы Ва0-Бе20з при различных температурах, были найдены три устойчивых при высоких температурах соединения 2Ва0-Бе20з, Ва0-Бе20з, Ва0-6Бе20з (рис.). Ценными магнитными свойствами обладает только гексаферрит бария Ва0-6Бе20з и твердые растворы с большим количеством его содержания [2].
60
ВаО ■ БезОз ВаО ■ 6Ре:0:.
Рис. Фазовая диаграмма системы Ва0-Ре20з
В магнитном отношении гексаферрит бария относится к магнитотвердым (магнитожестким)
материалам, которые используются для изготовления постоянных магнитов.
Из-за большой коэрцитивной силы (более 2-105 А/м) и большой величины остаточной индукции материалы из гексаферрита бария применяют при изготовлении магнитов с малым отношением длины к площади поперечного сечения [5].
В технике преимущественно применяют не простые, а сложные ферриты с изоморфными замещениями, что позволяет их широко исследовать разными методами [4].
Замещение части ионов железа таким легирующим элементом как титан, алюминий и т.д., позволяет варьировать значения диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости, менять магнитные свойства матрицы и регулировать частотный диапазон ферромагнитного резонанса. Высокая химическая стабильность и одноосная магнитная анизотропия - особенности, которыми обладает гексаферрит бария. Эти свойства дают возможность применять такой материал в электронике.
Вывод. Выбор ферритового материала играет критически важную роль при разработке СВЧ-устройств, так как оказывает влияние на габариты, вносимые потери, предельно допустимую мощность и другие характеристики. Понимание основных свойств и особенностей различных классов ферритов помогает подобрать нужный материал, который в максимальной степени отвечает требованиям, предъявляемым к разрабатываемому устройству.
Список литературы
1. Ситидзе Ю. Ферриты /Ю. Ситидзе, X Сато. - М.: Мир, 1964. - 408 с.
2. Рабкин Л.И. Ферриты. Строение, свойства, технология производства /Л.И. Рабкин, С.А. Соскин, Б.Ш. Эпштейн. -Ленинград: Энергия, 1968. - 384 с.
3. Меньшова С.Б. Ферриты - изделия стратегического значения / С.Б. Меньшова, Р.М. Вергазов, В.Г. Андреев // Труды международного симпозиума "Надежность и качество" - Пенза, 2008. - С. 16-19.
4. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов /Б.Н. Арзамасов [и др]. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -648 с.
5. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. /Д.Д. Мишин - М.: Высш. шк., 1991. - 384 с.
6. Журавлев Г.И. Химия и технология ферритов /Г.И. Журавлев. - Ленинград: Химия, 1970. - 192 с.
FERRITE CRYSTALS AND THEIR PROPERTIES
STARIKOVA.Yu., SULEYMANOVA I.I., SAVINA Yu.D, VINNIKD.A. FSAEI HE SUSU (NRU), Chelyabinsk, Russia e-mail: [email protected]
Abstract
The paper presents a review of ferrites, their properties and applications. The analysis of literature data is carried out, all types of ferrites are considered and their brief characteristics are given, and also the diagram of the BaO-Fe2O3 system is presented. Based on the work done, it was concluded that it is important to choose the type of ferrites in the development of various microwave devices, and also to select a suitable material that meets the requirements for the devices being designed.
Keywords: crystals, single crystal, ferrites, magnetic materials.
