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フェライトは、酸化鉄を含む磁性セラミック材料の一種です。フェライトはフェリ磁性体であり、磁場に引き寄せられ、磁化することで永久磁石になります。多くの強磁性体とは異なり、ほとんどのフェライトは電気伝導性がないため、渦電流を抑制するための変圧器の磁気コアなどの用途に役立ちます。[ 1 ]
フェライトは、磁気保磁力、つまり脱磁に対する抵抗に基づいて、2 つのグループに分けられます。 [ 2 ]「硬質」フェライトは保磁力が高いため、脱磁が困難です。冷蔵庫のマグネット、スピーカー、小型電気モーターなどの用途の永久磁石の製造に使用されます。 「軟質」フェライトは保磁力が低いため、磁化を容易に変化させ、磁場の導体として機能します。電子産業では、高周波インダクタ、トランス、アンテナ用のフェライトコアと呼ばれる効率的な磁気コアの製造や、さまざまなマイクロ波コンポーネントに使用されます。
フェライト化合物は、主に酸化鉄から作られているため非常に低コストで、優れた耐食性を持っています。東京工業大学の加藤与五郎と武井武は、1930年に最初のフェライト化合物を合成しました。[ 3 ]
フェライトは通常、体心立方または六方晶系の結晶構造を持つ、酸化鉄から派生した強磁性 セラミック化合物である。[ 4 ]他のほとんどのセラミックと同様に、フェライトは硬く、脆く、電気伝導性が低い。
これらは通常、α-酸化鉄(III)（例えばヘマタイトFe 2 O 3）と、1 つ以上の追加の金属元素酸化物から構成され、通常はM O·Fe 2 O 3のほぼ化学量論的式を持ち、例えば一般的な鉱物である磁鉄鉱(Fe(II)-Fe(III) 2 O 4から構成されるFe(II)などです。[ 5 ] 585 °Cを超えると、Fe(II)-Fe(III) 2 O 4は非磁性の γ 相に変化します。[ 6 ] Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 は、鋳鉄製の調理器具の表面を覆う黒色の酸化鉄(II)としてよく見られます。もう 1 つのパターンはM ·Fe(III) 2 O 3で、Mは別の金属元素です。一般的な天然フェライト（通常はスピネルグループのメンバー）には、鉱物トレボライトとして産出するニッケル（NiFe 2 O 4 ） 、マグネシウムを含むマグネシオフェライト（MgFe 2 O 4）[ 7 ] [ 8 ] 、コバルト（コバルトフェライト）[ 9 ] 、または鉱物ヤコブサイトとして天然に産出するマンガン（MnFe 2 O 4 ）を含むものがある。ビスマス[ 10 ]、ストロンチウム、フランクリン石に含まれる亜鉛[ 11 ]、アルミニウム、イットリウム、または バリウムフェライトはあまり使用されない[ 12 ] [ 13 ] 。さらに、特定の用途にはより複雑な合成合金がよく使用される。[ 14 ] [ 15 ]
多くのフェライトは、ABという式で表されるスピネル型の化学構造をとる。2 O4、ここでAとBは様々な金属カチオン、そのうちの1つは通常鉄（Fe）である。スピネルフェライトは通常、立方最密充填（fcc）酸化物（O2−）Aカチオンは四面体空隙の8分の1を占め、Bカチオンは八面体空隙の半分を占める、すなわちA 2+B 3+ 2 O 2− 4。例外として、スピネル結晶形を持ち、磁気記録基板として広く使用されているγ-Fe 2 O 3があります。 [ 16 ] [ 17 ]
しかし、この構造は通常のスピネル構造ではなく、逆スピネル構造です。四面体空孔の8分の1がBカチオンで占められ、八面体サイトの4分の1がAカチオンで占められ、残りの4分の1がBカチオンで占められています。また、[ M 2+ (1− δ ) Fe 3+ δ ] [ M 2+ δ Fe 3+ (2− δ ) ] Oの式を持つ混合構造スピネルフェライトも存在します。4、ここでδは反転の度合いである。
「ZnFe」として知られる磁性材料の化学式はZnFeである。2 O4、Fe 3+を含む八面体サイトとZn 2+を占有する四面体サイトを占めており、これは通常の構造のスピネルフェライトの一例である。[ 18 ]
バリウムフェライトやストロンチウムフェライト（BaFe）のように、六方晶構造をとるフェライトもある。12 O19（BaO・6Fe）2 O3）およびSrFe12 O19 (SrO·6Fe2 O3 ). [ 19 ]
磁気特性に関して、さまざまなフェライトは、磁気保磁力の低さまたは高さに応じて、「軟質」、「半硬質」、「硬質」に分類されることが多い。
変圧器や電磁石のコアに使用されるフェライトには、ニッケル、亜鉛、および/またはマンガン[ 20 ]化合物が含まれています。ソフトフェライトは永久磁石を作るのには適していません。磁気透過率が高いため磁場を伝導し、磁石に引き寄せられますが、外部磁場が除去されると残留磁化は持続しません。これは保磁力が低いためです。保磁力が低いということは、材料の磁化がエネルギーをあまり消費せずに容易に方向転換できることも意味します（ヒステリシス損失）。一方、材料の抵抗率が高いため、エネルギー損失のもう1つの原因である渦電流がコア内で発生しません。高周波でのコア損失が比較的低いため、スイッチング電源やAMラジオで使用されるループスティックアンテナなどの用途で、RF変圧器やインダクタのコアに広く使用されています。
最も一般的な軟質フェライトは次のとおりです。[ 19 ]
0.5 MHz より高く 5 MHz より低い周波数で使用する場合は、Mn Zn フェライトが使用されます。それ以上の周波数では、Ni Zn が一般的に選択されます。例外はコモンモードインダクタで、その場合の選択のしきい値は 70 MHz です。[ 22 ]
さらに、コバルトフェライトの磁歪特性は、磁気一軸異方性を誘起することによって調整できます。[ 26 ]これは、磁気アニーリング[ 27 ] 、磁場アシスト圧縮[ 28 ]、または一軸圧力下での反応[ 29 ]によって行うことができます。この最後の方法は、スパークプラズマ焼結の使用により、超高速（20分）であるという利点があります。コバルトフェライトに誘起された磁気異方性は、複合材料の磁気電気効果を高めるのにも役立ちます。[ 30 ]
対照的に、永久フェライト磁石は、高保磁力と磁化後の残留磁化が高い硬質フェライトでできています。高保磁力とは、材料が脱磁されにくいことを意味し、これは永久磁石にとって不可欠な特性です。また、高い透磁率も備えています。これらのいわゆるセラミック磁石は安価で、冷蔵庫用マグネットなどの家庭用品に広く使用されています。最大磁場Bは約 0.35テスラ、磁場強度Hは約 30～160キロアンペアターン/メートル (400～2000エルステッド) です。[ 31 ]フェライト磁石の密度は約 5 g/cm 3です。
最も一般的な硬質フェライトは以下のとおりです。
鉄酸化物と（炭酸バリウムまたは炭酸ストロンチウム）は、硬質フェライト磁石の製造に使用されます。[ 33 ] [ 34 ]
フェライトは主に共沈法またはゾルゲル法の2つの主要なプロセスによって製造されます。どちらのプロセスも水溶液から始まります。塩基/酸（共沈法）または燃料/キレート（ゾルゲル法）の添加により、溶液の変換が開始されます。共沈法では、金属イオンが水酸化物/酸化物沈殿物を形成します。ろ過、洗浄、乾燥、粉砕の後、粉末を焼成してフェライト相を得ます。ゾルゲル法では、均一な溶液を液体からゲルに変化させるために温度の上昇が必要です。ゲルが形成されると、自己燃焼/自己着火反応が起こり、微細な酸化物粒子が生成されます。これらの粒子は、粉砕および焼成後に最終的なフェライト粉末に変換されます。[ 35 ]反応の理想化された式を以下に示します。[ 36 ]
場合によっては、微粉末状の原料混合物を型に押し込む。
バリウムフェライトとストロンチウムフェライトの場合、これらの金属は通常、炭酸塩であるBaCO₃またはSrCO₃として供給されます。加熱プロセス中に、これらの炭酸塩は焼成されます。
この工程の後、2種類の酸化物が結合してフェライトが生成される。得られた酸化物の混合物は焼結される。
フェライトが得られたら、冷却した生成物を2μm以下の粒子に粉砕する。この粒子は、各粒子が単一の磁気ドメインから構成されるほど十分に小さい。次に、粉末を成形し、乾燥させ、再焼結する。成形は、粒子の特定の配向（異方性）を実現するために、外部磁場中で行うことができる。
小型で幾何学的に容易な形状は、乾式プレス成形によって製造できる。しかし、この方法では微粒子が凝集し、湿式プレス成形に比べて磁気特性が低下する可能性がある。再粉砕を行わずに直接焼成・焼結することも可能だが、磁気特性は劣る。
電磁石用フェライトコアは、予備焼結（予備反応）後、粉砕・プレス加工することも可能です。ただし、焼結は酸素欠乏などの特定の雰囲気下で行われます。そのため、原料と焼結後の製品では、化学組成、特に構造が大きく異なります。
焼結時に炉内で製品を効率的に積み重ね、部品同士がくっつくのを防ぐため、多くのメーカーはセラミック粉末分離シートを使用して製品を分離しています。これらのシートは、アルミナ、ジルコニア、マグネシアなど、さまざまな材質で入手可能です。また、微粒子、中微粒子、粗微粒子のサイズも用意されています。焼結する製品に合わせて材質と粒子サイズを選択することで、表面の損傷や汚染を軽減し、炉への充填効率を最大化できます。
フェライトコアは、電子インダクタ、変圧器、電磁石などに使用されており、フェライトの高い電気抵抗により渦電流損失が非常に低くなる。
フェライトは、コンピューターケーブルの中にフェライトビーズと呼ばれる塊として存在することもあり、高周波電気ノイズ（無線周波数干渉）が機器に出入りするのを防ぐのに役立ちます。これらのタイプのフェライトは、不要な高周波エネルギーを遮断（反射）するだけでなく、吸収して熱として放散するために、損失のある材料で作られています。
初期のコンピュータメモリは、硬質フェライトコアの残留磁場にデータを保存し、それらをコアメモリのアレイとして組み立てていた。フェライト粉末は、磁気記録テープのコーティングにも使用されている。
フェライト粒子は、ステルス航空機に使用されるレーダー吸収材料やコーティングの構成要素、および電磁両立性測定に使用される部屋の吸音タイルにも使用されています。スピーカーや電磁計測器のピックアップに使用されるものを含め、最も一般的なオーディオ用磁石はフェライト磁石です。特定の「ビンテージ」製品を除けば、フェライト磁石はこれらの用途において、より高価なアルニコ磁石をほぼ完全に置き換えています。特に、今日では硬質ヘキサフェライトの最も一般的な用途は、冷蔵庫のシールガスケット、マイクロフォンやスピーカー、コードレス機器の小型モーター、自動車用途の永久磁石としてです。[ 37 ]
フェライト磁石は、コスト効率と耐腐食性から、電動パワーステアリングシステムや自動車用センサーに利用されています。[ 38 ]フェライト磁石は、高い透磁率と低い電気伝導率で知られており、高周波用途に適しています。[ 39 ]電動パワーステアリングシステムでは、効率的なモーター動作に必要な磁場を提供し、システムの全体的な性能と信頼性に貢献します。[ 40 ]自動車用センサーは、位置、速度、液面レベルなどのさまざまなパラメータを正確に検出および測定するためにフェライト磁石を使用します。[ 41 ]
セラミックフェライト磁石は超伝導磁石に比べて磁場が弱いため、低磁場または開放型MRIシステムで使用されることがあります。[ 42 ] [ 43 ]これらの磁石は、低コスト、安定した磁場、複雑な冷却システムを必要とせずに機能する能力により、特定の場合に好まれます。 [ 44 ]
フェライトナノ粒子は超常磁性特性を示す。
東京工業大学の加藤与五郎と武井武は1930年に最初のフェライト化合物を合成した。これがきっかけとなり、 1935年にTDK株式会社が設立され、この材料の製造を開始した。[ 45 ]
六方晶フェライトバリウム（BaO・6Fe 2 O 3）は、1950 年にフィリップス自然科学研究所（フィリップス物理研究所）で発見されました。この発見は、半導体材料としての利用を研究するチームのために六方晶ランタンフェライトのサンプルを準備するはずだった助手のミスによる、やや偶然の出来事でした。それが実際には磁性体であることを発見し、X 線結晶構造解析によってその構造を確認した後、磁気研究グループに渡されました。[ 46 ]六方晶 フェライトバリウムは、高い保磁力（170 kA/m）と低い原材料コストの両方を備えています。フィリップス・インダストリーズ（オランダ）によって製品として開発され、1952 年以降、フェロックスデュールという商標名で販売されました。[ 47 ] また、マラードのマグナデュールも販売されました。低価格と優れた性能により、永久磁石の使用が急速に増加しました。[ 48 ]
1960年代にフィリップスは六方晶フェライトバリウムよりも優れた特性を持つ六方晶フェライトストロンチウム（SrO•6Fe 2 O 3 ）を開発しました。六方晶フェライトバリウムと六方晶ストロンチウムは低コストのため市場を席巻しています。特性が向上した他の材料も発見されています。BaO•2(FeO)•8(Fe 2 O 3 )は1980年に登場しました[ 49 ]。Ba 2 ZnFe 18 O 23は1991年に登場しました[ 50 ]。