Особенности неметаллических ферромагнетиков и их значение для техники. Строение и свойства феррошпинелей и зависимости от химического состава.

Феррошпинелями называют такие шпинели, у которых трехвалентным ионом обязательно является ион Fe³⁺. Общая формула феррошпинели MeFe₂O₄ или MeOFe₂O₃. В качестве Ме²+ могут быть Fe²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺, Cu²+, Zn²+, Co²+, Cd²⁺ и др. двухвалентные элементы. Большинство железистых шпинелей - ферромагнитные веществам (обнаруживают магнитные свойства при отсутствии магнитного поля, или после его воздействия на них).

Неметаллические ферромагнитные вещества получили общее название «ферриты». К ферритам кроме феррошпинелей относятся также соединения Fe₂O₃ с другими оксидами, имеющими структуру, отличную от шпинелей.

Магнитными свойствами обладают шпинели, у которых двухвалентный ион представлен главным образом переходными с частично заполненными внутренними Зd-электронными оболочками. Магнитные свойства феррошпинелей связаны со структурой шпинели и распределением ионов металлов внутри кристаллической решетки шпинели. Ионы металлов могут занимать одно из имеющихся в решетке шпинели положений — тетраэдрическое или октаэдрическое (могут находиться в пустотах между четырьмя либо шестью ионами кислорода). Ионы с большим радиусом и низкой валентностью (Мn²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺), как и небольшие ионы с высокой валентностью, стремятся в тетраэдрическое положение. Небольшие же ионы с низкой валентностью и большие ионы с высокой валентностью (Ti⁴⁺, Sn⁴⁺) находятся в октаэдрическом положении.

Характерная особенность керамических магнитных материалов — их самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Области, в которых магнитные моменты (спины) ориентируются в одном направлении, называют магнитными доменами. Возможны три случая ориентации магнитных доменов:

а) все домены ориентируются параллельно, как это схематично показано на рис. В этом случае феррит относится к ферромагнетикам;

б) домены в результате отрицательного обменного взаимодействия между электронами исходных атомов кристаллической решетки ориентируются антипараллельно друг другу и их суммарный момент равен нулю. В этом случае феррит называют антиферромагнитным и он магнитными свойствами не обладает;

в) домены расположены антипараллельно, но их суммарный момент не равен нулю. Такие ферриты представляют собой нескомпенсированный ферромагнетик и их называют ферримагнетиками. Они проявляют ферромагнитные свойства. Магнитные свойства феррошпинели зависят от расположения ионов Fe+³ и Ме²⁺ в кристаллической решетке шпинели. Феррошпинели, обладающие магнитными свойствами, имеют структуру обращенной шпинели, т. е. половина ионов трехвалентного железа из обычного для них октаэдрического положения находится в тетраэдрическом. Ионы железа поровну находятся в различных координационныхположениях и их магнитные моменты компенсируются. Суммарный спиновый момент феррошпинели определяется как разность спинового магнитного момента ионов. Путем введения различных ионов и образования твердых растворов можно регулировать намагниченность насыщения ферритов.

Ферриты обнаруживают явление магнитного гистерезиса (заключается в том, что изменение магнитной индукции В запаздывает по отношению к изменению напряженности внешнего магнитного поля Н). Если изменять Н от нуля, то магнитная индукция будет возрастать до некоторого предела по нелинейному закону (отрезок ON), после чего кривая сменится прямой, идущей под некоторым углом к горизонтальной оси. Этот участок называют участком насыщения, он соответствует выравниванию магнитных моментов в направлении поля. При уменьшении напряженности поля до нуля магнитная индукция В не будет изменяться по кривой ON, aбудет несколько запаздывать в уменьшении, и, когда напряженность поля будет равна нулю, феррит будет иметь. некоторую остаточную индукцию В_ост. Чтобы полностью размагнитить феррит, надо приложить магнитное поле противоположного направления. Напряженность магнитного поля Нк, полностью размагничивающая феррит, называется коэрцитивной силой. Форма петли магнитного гистерезиса определяет многие свойства феррита.

Плотность, г/см³ 3-5

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) 6,3

Коэффициент линейного расширения, 10^-6*С^-1 5-10

Теплоемкость, Дж/(г*К) 0,8

Важнейшими группами являются магнитомягкие ферриты, ферриты для СВЧ, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) и магнитотвердые ферриты. Магнитомягкие ферриты представляют собой керамику на основе системы NiO—ZnO—Fe₂О₃ и МnО—ZnO—Fe₂O₃. Ферриты для СВЧ-диапазона по составу весьма разнообразны: это иттриевые феррогранаты Y₃Fe₅O₁₂ с различными добавками, твердые растворы на основе систем MgO—Сг₂Oз+Fe₂O₃, MgO— 1₂O₃—Fe₂O₃, MgO—MnO—F₂O₃ и др. с различными добавками. Ферриты СВЧ-назначения весьма чувствительны к колебаниям в режиме технологического процесса. Ферриты с ППГ изготовляют, на основе твердых растворов в системе MgO—MnO—Fe₂O₃ с введением добавок различных оксидов. Магнитотвердые ферриты на основе гексаферритов бария BaO (Fe₂O₃)₆ и стронция SrO(Fe₂O₃)₆, а также некоторых других соединений используются в качестве постоянных магнитов. Области применения ферритов в современной технике разнообразны и обширны. Их используют в радиоэлектронике, радиотехнике и телевизионных устройствах, в радиолокационных приборах и радиорелейных системах связи, в качестве элементов памяти, для постоянных магнитов и т.д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: