Лекция № 13

Ферриты

Введение

Ферриты — некомпенсированные антиферромагнетики или ферримаг-нетики — эго магнитные полупроводники ионного строения на основе соединении окиси железа и окислов других металлов с общей формулой (Ме₂^+kО_k^2-)_n (Fe₂³⁺O₃^2-)_n, где k — валентность характеризующего металла Me, а п и т — целые числа. Совокупность магнитных и электрических свойств фер­ритов определяется природой и расположением новой в кристаллической решет­ке, а также характером и распределением в решетке точечных дефектов. Существенную роль главным образом в процессе ферритизации при формировании структуры феррита при его изготовлении играют и линейные дефекты (дисло­кации). Ферриты подразделяют на структурные типы: феррошпинели с ре­шеткой типа шпинели (MgO • АК₂О₃); феррогранаты со структурой типа граната (Са₃А1₂ (SiO₂)₃); гексаферриты со структурой магнетоплюмбита (PbFe_1,5Mn_3,5Alo,₅Tio,₅O₁₉); ортоферриты с искаженной структурой перовскита (CaTiO₃). Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решетке с пространственной группой О⁷h, в элементарной ячейке которой содержится 8 формульных единиц MeFe₂O₄. Основой структуры является гранецентрированная кубическая решетка, образованная ионами кислорода. В кислородной решетке содержится 64 тетраэдрические и 32 октаэдрические пустоты, которые частично заняты катионами — 8 в тетраэдрических (А) и 16 в октаэдрических (В) положениях. Это ионы желе­за и ферритообразующих металлов (Fe²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺ Zn²⁺, Cu²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺ и др.).

К этому же классу относится и литиевый феррит Li₂O²~ (Fe₂O₃)₅. Феррошпинели могут иметь структуру нормальной шпинели, когда все ионы Ме^{2 +} занимают А-положения (ZnFe₂6₄, CdFe₂O₄ и др.), и обращенной шпинели, когда все ионы Ме²⁺ занимают В-положение, а ионы Fe³⁺ поровну распределены между А- и В-положениями (NiFe₂O₄, CoFe₂O₄ и др.), наконец, смешанную структуру шпинели, которой можно приписать формулу, где 0 < 6 < 1.

Параметр б (мера обращенности) определяет долю ионов Fe³⁺, расположен­ных в тетраэдрическом положении. В некоторых феррошпинелях имеет место упорядочение, проявляющееся на рентгенограммах в виде сверхструктурных линий.

Решетки феррогранатов в основе своего строения имеют объемноцёнтрированную кубическую решетку, образованную ионами кислорода. Катионы в ней располагаются в пустотах между плотноупакованными анионами кислорода в трех положениях: 1) октаэдрических (а); 2) тетраэдрических (d) и 3) додекаэдрических (с). Ферриты перечисленных выше структур, за исключением кобальтовой феррошпинели, по магнитным свойствам являются магнитомягкими. В основ­ном это материалы с высокой начальной магнитной проницаемостью; с прямо­угольной петлей гистерезиса (ППГ); с повышенным гиромагнитным эффектом (СВЧ-ферриты); магнитострикционные материалы. Различные классы ферри­тов значительно отличаются друг от друга по электрическим и магнитным свой­ствам.

Гексаферриты применяют в качестве магнитотвердых материалов и актив­ных элементов в устройствах СВЧ-диапазона. Гексаферриты бария, стронция и свинца имеют гексагональную структуру магнетонлюмбита.

Элементарная ячейка BaFe₁₂O₁₉ содержит 2 формульные единицы, в окта-эдрическом положении содержится 18 катионов Fe³⁺, в тетраэдрических — 4 катиона Fe³⁺ и в положениях, образованных двумя бипирамидами,— 2 ка­тиона Fe³⁺.

Осью легкого намагничивания в этом феррите является ось, параллельна» оси с, а осью трудного намагничивания —ось, перпендикулярная к оси с.

На основе ферритов получают магнитные материалы с моно- и поликри­сталлической структурой. Ферритовые монокристаллы анизотропны по магнит­ным и другим свойствам. Такую же анизотропию можно создать и в поликри­сталлическом феррите, ориентируя при его формовании входящие в его состав^ микроскопические монокристаллы в направлении определенной кристаллогра­фической оси (анизотропные гексаферриты). После спекания гакой феррит является поликристаллическим с одинаково ориентированными кристаллами. Ферриты, образованные из неориентированных монокристальных частиц, полу­чают в виде поликристаллических спеков с квазиизотропной магнитной струк­турой.

На основе ферритовых порошков, полимеров или эластомеров получают соответственно магнитопласты или магнитоэласты.

Большинство магнитных и электрических свойств ферритов структурно-чувствительные. Они, таким образом, существенно зависят от исходных веществ и условий их изготовления, от режимов и совершенства операций смешивания, обеспечивающих однородность смесей, полноту их ферритизации — приведе­ния к составу соответствующего феррита, формования и спекания порошков ферритов в готовые изделия. Надежным методом контроля основной операции в технологической цепи изготовления ферритовых изделий — ферритизапии является метод фазового ренггеноструктурного анализа. Подробные сведения о межплоскостных рас­стояниях, интенсивности и индексах отражений основных структур ферритов приведены в монографии. Состав феррита может быть также установлен по намагниченности насыщения.