Ферриты (оксиферы) — химические соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов, обладающие уникальными магнитными (ферримагнетики) свойствами, сочетающие высокую намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства, благодаря чему они получили широкое применение как магнитные материалы в радиотехнике, радиоэлектронике, вычислительной технике.
Содержание |
В состав Феррита входят анионы кислорода O2−, образующие остов их кристаллической решётки; в промежутках между ионами кислорода располагаются катионы Fe3+, имеющие меньший радиус, чем анионы O2−, и катионы Mek+ металлов, которые могут иметь радиусы различной величины и разные валентности k. Существующее между катионами и анионами кулоновское (электростатическое) взаимодействие приводит к формированию определённой кристаллической решётки и к определённому расположению в ней катионов. В результате упорядоченного расположения катионов Fe3+ и Mek+ Ферриты обладают ферримагнетизмом и для них характерны достаточно высокие значения намагниченности и точек Кюри. Различают Ф.-шпинели, Ф.-гранаты, ортоферриты и гекса ферриты.
Ферриты-шпинели имеют структуру минерала шпинели с общей формулой MeFe2O4, где Me — Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, Li+, Cu2+. Элементарная ячейка Ф.-шпинели представляет собой куб, образуемый 8 молекулами MeOFe2O3 и состоящий из 32 анионов O2−, между которыми имеется 64 тетраэдрических (А) и 32 октаэдрических (В) промежутков, частично заселённых катионами Fe3+ и Me2+. В зависимости от того, какие ионы и в каком порядке занимают промежутки А и В, различают прямые шпинели (немагнитные) и обращенные шпинели (ферримагнитные). В обращенных шпинелях половина ионов Fe3+ находится в тетраэдрических промежутках, а в октаэдрических промежутках — 2-я половина ионов Fe3+ и ионы Me2+. При этом намагниченность октаэдрической подрешётки больше тетраэдрической, что приводит к возникновению ферримагнетизма.
Ферриты-гранаты редкоземельных элементов R3+ (Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Sm3+, Eu3+) и иттрия Y3+ имеют кубическую структуру граната с общей формулой R3Fe5O12. Элементарная ячейка Феррит-гранатов содержит 8 молекул R3Fe5O12; в неё входит 96 ионов O2−, 24 иона R3+ и 40 ионов Fe3+. В Феррит-гранатах имеется три типа промежутков, в которых размещаются катионы: большая часть ионов Fe3+ занимает тетраэдрические (d), меньшая часть ионов Fe3+ — октаэдрические (я) и ионы R3+ — додекаэдрические места (с). Соотношение величин и направлений намагниченностей катионов, занимающих промежутки d, а, с, показано на рис. 2.
Ортоферритами называют группу Ферритов с орторомбической кристаллической структурой. Их образуют редкоземельные элементы или иттрий по общей формуле RFeO3. Ортоферриты изоморфны минералу перовскиту. По сравнению с Ферритами-гранатами они имеют небольшую намагниченность, так как обладают неколлинеарным антиферромагнетизмом (слабым ферромагнетизмом) и только при очень низких температурах (порядка нескольких К и ниже) — ферримагнетизмом.
Ферриты гексагональной структуры (гексаферриты) имеют общую формулу MeO 6(Fe2O3), где Me — ионы Ba, Sr или Pb. Элементарная ячейка кристаллической решётки гексаферритов состоит из 38 анионов O2−, 24 катионов Fe3+ и 2 катионов Me2+ (Ba2+, Sr2+ или Pb2+). Ячейка построена из двух шпинельных блоков, разделённых между собой ионами Pb2+ (Ba2+ или Sr2+), O2− и Fe3+. Если окиси железа и бария спекать совместно с соответствующими количествами следующих металлов: Mn, Cr, Со, Ni, Zn, то можно получить ряд новых оксидных ферримагнетиков.
Некоторые гексаферриты обладают высокой коэрцитивной силой и применяются для изготовления постоянных магнитов. Большинство Ф. со структурой шпинели, феррит-гранат иттрия и некоторые гексаферриты используются как магнитомягкие материалы. При введении примесей и создании нестехеометричности состава (переменности состава как по катионам, так и по кислороду) электрическое сопротивление Ф. изменяется в широких пределах. Ф. в полупроводниковой технике не применяются из-за низкой подвижности носителей тока. Помимо описанных, известны ферриты и др. составов и структур, например для щелочных металлов Ме+FeO2, для щелочно-земемельных Ме2+Fe2O5 и т. д. Многие ферриты входят в состав шлаков, спец. цементов и т. п.
Благодаря уникальному сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т. д.).
Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных материалов применяют смеси оксидов или карбонатов, совместно упаренных растворов солей (нитратов, сульфатов, двойных сульфатов типа шенитов) или совместно осажденных гидроксидов, оксалатов, карбонатов. Монокристаллы ферриты выращивают методами Вернейля, Чохральского, зонной плавки (см. Монокристаллов выращивание) обычно под давлением O2 несколько МПа или неск. десятков МПа. Чаще используют гидротермальное выращивание в растворах NaOH, Na2CO3, NH4Cl или смеси хлоридов под давлением от 20 до 120 МПа либо выращивание из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или более сложные) при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов.
Пленки ферриты со структурой шпинели выращивают обычно методом хим. транспортных реакций с галогеноводородами (HCl) в качестве носителя. Пленки ферриты- фанатов и гексаферритов выращивают методом жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также путем разложения паров, например -дикетонатов металлов.
Крупнейшими производителями ферритов в России являются заводы ОАО завод «Магнетон», ОАО «Ферроприбор», ОАО «Технология магнитных материалов», ООО «Мета-Кузнецк», ООО «Мета-Феррит».
Исследовательским центром занимающихся проблемой исследования ферромагнетиков и ферритов является ОАО "НИИ «Феррит-Домен», "НПО «Феррит»