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フェライトは、鉄酸化物を含む磁性セラミック材料の一種です。フェリ磁性体であり、磁場に引き寄せられ、磁化されて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導電性がないため、変圧器の磁気コアなどの用途で渦電流を抑制するのに便利です。[1]
フェライトは、磁気保磁力、つまり消磁されにくい性質に基づいて、2つのグループに分けられます。 [2]
「ハード」フェライトは保磁力が高いため、消磁されにくいです。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を作るのに使われます。
「ソフト」フェライトは保磁力が低いため、磁化が簡単に変化し、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、変圧器、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や、さまざまなマイクロ波部品を作るのに使われています。
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、耐食性に優れています。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]
組成、構造、特性
フェライトは、通常、体心立方または六方晶構造を持つ、鉄酸化物 から得られる強磁性セラミック化合物です。[4]他のセラミックのほとんどと同様に、フェライトは硬くて脆く、電気の伝導性が低いです。
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で構成され、通常、 Fe(II)などのほぼ化学量論式M O·Fe 2 O 3を持ち、一般的な鉱物である磁鉄鉱はFe(II)-Fe(III) 2 O 4で構成されています。[5] 585 °Cを超えると、Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 は非磁性のガンマ相に変化します。[6] Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 は、鋳鉄製調理器具の表面をコーティングする黒い酸化鉄(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（典型的に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存在するニッケル（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]または鉱物ジャコブサイトとして天然に発生するマンガン（MnFe 2 O 4 ）が含まれます。まれにビスマス、[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、 バリウムフェライトも使用されます[12] [13]さらに、より複雑な合成合金が特定の用途で使用されることがよくあります。[14] [15]
多くのフェライトは、式A Bのスピネル化学構造を採用しています。
2お
4ここで、AとBは様々な金属陽イオンを表し、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（O 2−）からなる結晶モチーフを採用し、 A陽イオンは四面体空孔の8分の1を占め、B陽イオンは八面体空孔の半分を占め、すなわちA2歳以上
B3+
2お2−4
...例外として、スピネル結晶構造を持ち、磁気記録基板として広く使用されているɣ-Fe 2 O 3がある。 [16] [17]
しかし、この構造は通常のスピネル構造ではなく、むしろ逆スピネル構造です。四面体孔の8分の1はBカチオンで占められ、八面体サイトの4分の1はAカチオンで占められ、残りの4分の1はBカチオンで占められています。また、式[ M2+
(1− δ ) 鉄3+
δ ] [ま2+
δ 鉄3+
(2− δ ) ]お
4ここで、δ は反転の度合いです。[例が必要] [説明が必要]
「Zn Fe」として知られる磁性材料の化学式はZn Feである。
2お
4、Feを含む3歳以上
八面体サイトを占有し、Zn2歳以上
四面体サイトを占める、通常の構造のスピネルフェライトの例です。[18] [ページが必要]
いくつかのフェライトは、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。
12お
19（BaO ：6Fe
2お
3 ) およびSrFe
12お
19（SrO ：6Fe
2お
3 ）。[19]
磁気特性の観点から、さまざまなフェライトは、次のように 磁気保磁力の低さまたは高さに応じて、「ソフト」、「半硬質」、「硬質」に分類されることがよくあります。
ソフトフェライト
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、マンガン[20]の化合物が含まれています。ソフトフェライトは永久磁石の製造には適していません。高い透磁率を持つため磁場を伝導し、磁石に引き付けられますが、外部磁場が除去されると残留磁化が持続しなくなります。これは、保磁力が低いためです。また、保磁力が低いということは、材料の磁化が多くのエネルギーを消費することなく簡単に方向を反転できること (ヒステリシス損失) を意味し、材料の高い抵抗は、エネルギー損失のもう 1 つの原因であるコア内の渦電流を防ぎます。高周波でのコア損失が比較的低いため、スイッチングモード電源や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トランスフォーマーやインダクタのコアに広く使用されています。
最も一般的なソフトフェライトは以下の通りである: [19]
- マンガン亜鉛フェライト
- 「Mn Zn」、式Mn
δ 亜鉛
(1− δ ) の 鉄
2お
4Mn ZnはNi Znよりも透磁率と飽和誘導率が高い。 - ニッケル亜鉛フェライト
- 「Ni Zn」、化学式Ni
δ 亜鉛
(1− δ ) の 鉄
2お
4Ni ZnフェライトはMn Znよりも高い抵抗率を示すため、1MHzを超える周波数に適しています。[21]
0.5MHz以上5MHz未満の周波数で使用する場合は、Mn Znフェライトが使用され、それ以上の周波数ではNi Znが通常選択されます。例外はコモンモードインダクタで、選択の閾値は70MHzです。[22]
半硬質フェライト
- コバルトフェライト
- コバルト鉄
2お
4 コバルトO ·鉄
2お
3は軟磁性材料と硬磁性材料の中間に位置し、通常は半硬質材料として分類されます。[23 ] 高い飽和磁歪（約200 ppm）のため、主にセンサーやアクチュエータなどの磁歪用途に使用されます。[24] Co Fe
2お
4また、希土類元素を含まないという利点もあり、テルフェノールDの優れた代替品となる。[25]
さらに、コバルトフェライトの磁気歪特性は、磁気一軸異方性を誘導することによって調整することができます。[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によって行うことができます。[29]この最後の解決策は、放電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導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]
ハードフェライト
対照的に、永久フェライト磁石はハードフェライトで作られており、磁化後の高い保磁力と高い残留磁気を持っています。ハードフェライト磁石の製造には、酸化鉄と炭酸バリウムまたは炭酸ストロンチウムが使用されています。 [31] [32]高い保磁力は、材料が減磁されにくいことを意味し、これは永久磁石にとって重要な特性です。また、高い透磁率も持っています。これらのいわゆるセラミック磁石は安価で、冷蔵庫の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 テスラで、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 。[33]フェライト磁石の密度は約 5 g/cm 3です。
最も一般的なハードフェライトは次のとおりです。
- ストロンチウムフェライト
- ストロンチウム鉄
12お
19（SrO · 6Fe
2お
3 ）、小型電気モーター、マイクロ波デバイス、記録媒体、磁気光学媒体、通信、電子産業で使用されている。[19]ストロンチウムヘキサフェライト（Sr Fe
12お
19）は、その磁気結晶異方性による高い保磁力でよく知られています。永久磁石として工業用途で広く使用されており、粉末化して容易に成形できるため、バイオマーカー、バイオ診断、バイオセンサーなどのマイクロおよびナノタイプのシステムへの応用が見出されています。[34] - バリウムフェライト
- バフェ
12お
19（BaO · 6Fe
2お
3 バリウムフェライトは、永久磁石用途の一般的な材料です。バリウムフェライトは、一般に湿気に対して安定で、耐腐食性のある堅牢なセラミックです。例えば、スピーカーのマグネットや、磁気ストライプカードなどの磁気記録用の媒体として使用されます。
生産
フェライトは、構成金属の酸化物の混合物を高温で加熱することによって生成され、次の理想的な式で示される。[35]
- Fe 2 O 3 + ZnO → ZnFe 2 O 4
場合によっては、細かく粉砕した前駆体の混合物を型に押し込みます。バリウムおよび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、BaCO 3またはSrCO 3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。
- MCO 3 → MO + CO 2
このステップの後、2 つの酸化物が結合してフェライトが生成されます。結果として得られた酸化物の混合物は焼結されます。
処理
フェライトを得た後、冷却された製品は 2 μm未満の粒子に粉砕されます。これは、各粒子が単一の磁区で構成されるほど十分に小さい粒子です。次に、粉末を成形にプレスし、乾燥させ、再焼結します。成形は、粒子の優先配向 (異方性) を実現するために、外部磁場内で実行される場合があります。
乾式プレスでは、小さくて幾何学的に簡単な形状を製造できます。ただし、このようなプロセスでは、小さな粒子が凝集し、湿式プレス プロセスに比べて磁気特性が低下する可能性があります。再粉砕せずに直接焼成および焼結することも可能ですが、磁気特性が低下します。
電磁石も予備焼結（反応前）され、粉砕され、プレスされます。ただし、焼結は特定の雰囲気、たとえば酸素不足の雰囲気で行われます。化学組成、特に構造は、前駆体と焼結製品の間で大きく異なります。
焼結中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に、多くのメーカーはセラミック粉末セパレーター 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、さまざまな材料で入手できます。また、粒子のサイズも細粒、中粒、粗粒があります。焼結する製品に合わせて材料と粒子サイズを合わせることで、表面の損傷や汚染を減らし、炉の負荷を最大化できます。
用途
フェライトコアは、電子インダクタ、変圧器、電磁石に使用され、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ります。
フェライトは、コンピュータ ケーブル内の塊としても見られ、フェライト ビーズと呼ばれ、高周波の電気ノイズ (無線周波数干渉) が機器から出たり入った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ブロック (反射) するだけでなく、吸収して熱として発散する損失材料で作られています。
初期のコンピュータ メモリは、コア メモリのアレイに組み立てられたハード フェライト コアの残留磁場にデータを保存していました。フェライト粉末は、磁気記録テープのコーティングに使用されます。
フェライト粒子は、ステルス機や電磁両立性測定室の吸収タイルに使用されるレーダー吸収材やコーティングの成分としても使用されている。拡声器や電磁機器ピックアップに使用されるものを含む最も一般的なオーディオ磁石はフェライト磁石である。特定の「ビンテージ」製品を除いて、フェライト磁石はこれらの用途でより高価なアルニコ磁石に取って代わった。特に、ハード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、拡声器、コードレス家電の小型モーター、自動車用途における永久磁石としてである。[36]
フェライト磁石は、コスト効率と耐腐食性に優れているため、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使用されています。[37]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。[38]電動パワーステアリングシステムでは、効率的なモーターの動作に必要な磁場を提供し、システム全体の性能と信頼性に貢献しています。[39]自動車用センサーは、位置、速度、液面などのさまざまなパラメーターを正確に検出および測定するためにフェライト磁石を利用しています。[40]
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MRIシステムやオープンMRIシステムで使用されることがあります。[41] [42]これらの磁石は、コストが低く、磁場が安定しており、複雑な冷却システムを必要とせずに機能するため、特定のケースでは好まれます。[43]
フェライトナノ粒子は超常磁性特性を示します。
歴史
1930年に東京工業大学の加藤与五郎と武井武が最初のフェライト化合物を合成しました。これをきっかけに、1935年にこの材料を製造する TDK株式会社が設立されました。
バリウムヘキサフェライト（BaO•6Fe 2 O 3）は、1950年にフィリップス自然科学研究所（フィリップス物理学研究所）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、ある意味では偶然の産物でした。それが実際には磁性材料であることがわかり、X線結晶構造解析によってその構造が確認されると、彼らはそれを磁気研究グループに渡しました。[44] バリウムヘキサフェライトは、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。これはフィリップス工業（オランダ）によって製品として開発され、1952年からFerroxdureという商標で販売されました。[45] 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。[46]
1960年代にフィリップスは、バリウムヘキサフェライトよりも優れた特性を持つストロンチウムヘキサフェライト（SrO•6Fe 2 O 3 ）を開発しました。バリウムとストロンチウムヘキサフェライトは低コストのため市場を独占しています。特性が改善され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。[47] Ba 2 ZnFe 18 O 23は1991年に登場しました。[48]
参照
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- ^ ラウル・ヴァレンズエラ著『磁性セラミックス』76-77ページ、ケンブリッジ大学出版局、2005年ISBN 0521018439。
外部リンク
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- 国際磁気学会
- コンピュータケーブルの端にある突起は何ですか?
出典
- MMPA 0100-00、永久磁石材料の標準仕様
- Meeldijk, Victor電子部品: 選択と適用のガイドライン、1997 Wiley ISBN 0-471-18972-3
- オット、ヘンリー電子システムにおけるノイズ低減技術1988 Wiley ISBN 0-471-85068-3
- Luecke、Gerald 他著一般無線電話オペレータライセンスプラスレーダー承認2004、マスター出版ISBN 0-945053-14-2
- バートレット、ブルース他著『実践的レコーディングテクニック』2005年 フォーカルプレスISBN 0-240-80685-9
- Schaller, George E. フェライト処理と材料性能への影響 2013-10-02 にWayback Machineでアーカイブ