مقاله شماره 31: سراميكهاي مغناطيسي چيستند و چه كاربردهايي دارند

[m4material]

سراميكهاي مغناطيسي چيستند و چه كاربردهايي دارند​

مواد مغناطيسي از جمله مواد مهندسي بسيار مهمي هستند كه كاربردهاي مختلفي را به خود اختصاص داده­اند. به طور مثال مي­توان به كاربرد آنها در سيستم­هاي الكترونيكي اشاره كرد كه هر روزه از آنها استفاده مي­كنيم. متن زير كه از خبرنامة انجمن سراميك ايران (شمارة 10) نقل شده است، به معرفي و كاربرد مواد مغناطيسي پرداخته است: ​

به طور كلي مواد مغناطيسي به دو دسته سخت­مغناطيس (نظير آهنرباهاي دائم) و نرم­مغناطيس (نظير مواد مغناطيسي با پسماند مغناطيسي كم) تقسيم­بندي مي­شوند

​

1- آهنرباهاي دائم سراميكي ​

مواد مغناطيسي دائم به دسته­اي از مواد اطلاق مي­شود كه خاصيت مغناطيسي خود را پس از حذف ميدان مغناطيسي خارجي حفظ مي­كنند و كاربردهاي وسيعي را به خود اختصاص داده­اند. به عنوان مثال مي­توان از كاربرد آنها در يخچال­ها، موتورهاي جريان مستقيم، نگهدارنده­ها، دستگاه­هاي سنجش، بلندگوها و بسياري موارد ديگر نام برد.
اكثر آهنرباهاي دائمي تجارتي، از فريت­هاي سخت­مغناطيس سراميكي تشكيل شده­اند كه حاوي اكسيدهاي مختلفي مي­باشند. البته قيمت مواد اوليه فريت­هاي سخت­مغناطيس، در مقايسه با مواد مورد نياز براي آهنرباهاي فلزي نظير آلياژ AlNiCo و يا تركيبات آلياژهاي كمياب خاكي، كمتر مي­باشد. همچنين لازم به ذكر است كه فريت­هاي سخت­مغناطيس سراميكي، به لحاظ دارا بودن ميدان­هاي پسماندزداي (Hc) قوي­تر در مقايسه با آهنرباهاي فلزي نظيرAlNiCo، مي­توانند در ابعاد كوچكتري، بدون اينكه مواجه با خطر ميدان­هاي آهنربازدا باشند، تهيه شوند

فريت­هاي سخت­مغناطيس سراميكي از نوع هگزاگونال، يك بخش از خانواده اكسيدهاي كمپلكس با فرمول عمومي MO.6Fe2O3 مي­باشند كه MO معرف اكسيدهاي: باريم، استرانسيم، سرب و يا تركيبي از اين عناصر مي­باشند. از مواد مهم تجارتي در اين گروه مي­توان به فريت­هاي باريم با فرمول BaO.6Fe2O3 و فريت استرانسيم با فرمول SrO.6Fe2O3 اشاره كرد.

در اين راستا از افزودني­هاي مختلفي نظير Sio2 يا AL2O3 بمنظور افزايش ميدان پسماندزداي (Hc) و كمك زينتر، استفاده مي­گردد. سراميك­هاي مغناطيسي همچنين بر مبناي ميزان نظم ريزساختارشان كه در پروسه توليد قابل كنترل مي­­باشد، به دو گروه تقسيم مي­شوند:

نوع اول مگنت­هاي آنيزوتروپ­ (جهت­دار)، كه داراي يك محور ترجيهي مغناطيسي مي­باشند و نوع دوم مگنت­هاي ايزوتروپ (غيرجهت­دار)، كه داراي يك بافت ريزساختاري جهت­دار نمي­باشند و خواص مشابهي را در جهات مختلف از خود نشان مي­دهند. همچنين در مگنت­هاي جهت­دار آنيزوتروپ بخاطر وجود يك محور يكسان، انرژي مغناطيسي ماكزيمم مي­باشد.

كاربرد مواد مغناطيسي دائم بر پاية عملكرد ويژه مغناطيسي­شان مي­باشد و در سيستم­هاي فضانوردي، كامپيوتر، الكترونيك، پزشكي، صنعت خودروسازي، صنايع نظامي، وسايل انتقال اطلاعات و غيره مشاهده مي­شوند. در واقع فريت­هاي سخت مغناطيس سراميكي در بسياري از موارد مورد استفاده قرار مي­گيرند: از اسباب­بازي­هاي ساده و قفل­هاي كابينت گرفته تا موتورهاي الكتريكي DC.

آهنرباهاي بزرگ در سپراتورهاي مغناطيسي براي تغليظ مينرال­ها و *****هاي آبي و آهنرباهاي كوچك در صفحات نمايشگر اطلاعات مورد استفاده قرار مي­گيرند. در صنعت، آهنرباهاي دائم سراميكي به چندين گروه تقسيم مي­شوند: سراميك­هاي مغناطيسي مشهور به گروه 1، از مواد ارزان قيمت ساخته مي­شوند و كاربرد­­هايي نظير: قفل­هاي ساده، كوپل­هاي مغناطيسي هم­محور براي كنتور­هاي آب و ياتاقان­هاي بدون اصطكاك در كنتورهاي برق را به خود اختصاص داده­اند.

سراميك­هاي مغناطيسي مشهور به گروه 2، در موتورهاي DC مورد استفاده در خودروها، موتورهاي پله­اي (Stepper Motors ) و كوپل­هاي مغناطيسي هم­محور مورد استفاده قرارمي­گيرند.

سراميك­هاي مغناطيسي مشهور به گروه 5 ، بصورت آهنرباهاي حلقه­اي شكل در بلندگوها و جداكنندهاي مغناطيسي و ديسك­هاي مورد استفاده در كوپل­هاي مغناطيسي، مورد مصرف قرار مي­گيرند.

سراميك­هاي مغناطيسي مشهور به گروه 7 و 8، در موتورهاي DC ، موتورهاي Brushiess DC و ژنراتورها و محرك­هاي القايي خطي استفاده مي­شوند

. ​

2- فريت­هاي نرم­مغناطيس​

مواد نرم­مغناطيس بطور كلي با اعمال ميدان­هاي ضعيف مغناطيسي، خاصيت مغناطيسي از خود نشان مي­د­هند. وقتي نيروي اعمالي حذف مي­شود، خاصيت مغناطيسي باقيمانده در آن­ها تضعيف مي­گردد. اهميت نرم­مغناطيس­ها در بسياري از سيستم­هاي الكتريكي و الكترونيكي مشهود است.
مواد نرم­مغناطيس در سيستم­هاي توزيع نيرو، تغيير انرژي الكتريكي به مكانيكي و ارتباطات مايكروويو مورد استفاده قرار مي­گيرند. آنها همچنين به عنوان مبدل­هاي الكتريكي و مواد فعال جهت ذخيره­سازي اطلاعات در بسياري از سيستم­هاي اطلاع­رساني عمل مي­كنند. بسياري از كاربردهاي جديد آنها در اثر بهبود خواص و ويژگي­هاي اين مواد بوده است.

مواد اولية فريت­هاي نرم­مغناطيس، اكسيدهاي سراميكي هموژني هستند كه اكسيد آهن به عنوان جزء اصلي آنها مي­باشد. فريت­ها مي­توانند ساختار­هاي كريستالي متفاوتي را دارا باشند.

بطور كلي 3 ساختار كريستالي براي فريت­هاي تجاري امروزي شناخته شده است:

اولين كلاس داراي ساختار مگنتوپلامبايت هگزاگونالي است (مثل: BaFe12O19). دومين كلاس داراي ساختار گارنت مي­باشد كه به گارنت مغناطيسي يا فريت­هاي مايكروويو نيز شهرت دارد. فرمول عمومي اين گروه بصورت 3M2O3.5FeO3 يا M3Fe5O12 مي­باشد. يون­هاي فلزي در اين تركيب، در مقايسه با دو كلاس ديگر سه ظرفيتي هستند. در گارنت­هاي مغناطيسيM، معمولاً ايتريم (Y)+3 يا يكي از يون­هاي كمياب خاكي­ها نظير Gd+3 بصورت (Gd3Fe5O12) مي­باشد.

سومين كلاس داراي ساختار اسپينلي مي­باشد. در اينجا، اكسيدهاي آهن يا فلزاتي نظير: نيكل، منگنز، روي، منيزيم و كبالت بصورت منفرد يا تركيبي وجود دارند. كلاس اسپينلي نام خود را از مينرال غير مغناطيسي MgAl2o4 يا MgAl2o3 گرفته است و داراي ساختار مكعبي پيچيده­اي مي­باشد. در اسپينل­هاي مغناطيسي، يون دوظرفيتي Mg2+ مي­تواند توسط Cu2+، Co2+، Fe2+، Zn2+، Li2+ ، Mn2+، Ni2+، و يا در بيشتر مواقع با تركيبي از اين يون­ها جايگزين گردد. يون Al3+ نيز مي­تواند جانشين Fe3+ گردد.

اسپينل­هاي مغناطيسي داراي فرمول عمومي MFe2O4 يا MO.Fe2O3 مي­باشن

نرم­مغناطيس­ها همچنين بر اساس محدوده فركانسي نيز تقسيم بندي مي­شوند:

فريت­هاي غير مايكروويو براي فركانس­هايي از محدوده شنوايي تا 500MHz

فريت­هاي مايكروويو براي فركانس­هايي در محدوده 100MHz-500GHz

فريت­هاي غير مايكروويو خود به دو بخش زير تقسيم مي­شوند:

فريت­ها با حلقه هيستريزيس مستطيلي شكل براي حافظه­هاي كامپيوتري

فريت­هاي خطي(مركب از فريت­هاي منگنز- روي و نيكل- روي) براي مبدل­ها و سلف­ها در *****ها


​

 

[m4material]

فريت­هاي مايكروويو، فراهم كننده يك محيط غيرفعال با تلفات كم مي­باشند كه اجازه انتشار امواج را با تلفات ناچيز فراهم مي­كنند. در حقيقت با توجه به اينكه امواج الكترومغناطيس از دو مولفه الكتريكي و مغناطيسي تشكيل شده­اند، با برهم­كنش مولفه مغناطيسي موج با ممان­هاي مغناطيسي ماده و مولفه الكتريكي موج با مولفه دي الكتريكي فريت، رفتار موج الكترومغناطيس تحت تاثير پارامترهايي نظير قابليت نفوذ مغناطيسي، قابليت نفوذ دي­الكتريكي و آهنربايش ماده قرار مي­گيرد. با به كار بردن يك ميدان مغناطيسي DC خارجي، واكنشي بين سينگال مايكروويو و محيط انتشار موج( فريت) صورت مي­پذيرد كه امكان كنترل آن را فراهم مي­سازد.

بيش از 100 نوع تركيبات فريتي به عنوان فريت­هاي مايكروويو براي توليد تجهيزات مخابراتي معرفي شده­اند. مواد فريتي نرم­مغناطيس در وسايلي نظير: مبدل­ها، موتورها، ژنراتورها، سولونوئيدها، رله­هايDC و حفاظ­هاي مغناطيسي بكار برده مي­شوند. با وجود مقاومت الكتريكي بالا و خواص مغناطيسي خوب، از اين فريت­ها به عنوان يك هسته عالي براي *****­ها در محدوده فركانسي 50 - 450KHz استفاده مي­شود.

با گسترش صنعت توليد تلويزيون در سال 1950، اهميت صنايع توليد فريت­ها بيشتر نمود پيدا كرد. هسته­هاي فريتي در سيستم تقارب اشعه الكترونيكي لامپ تصوير تلويزيون و ترانس­­هاي­ولتاژ، مورد استفاده قرار گرفتند. همچنين از فريت­هاي نرم در منابع تغذيه از نوع (Switch Mode) كه كاربردهاي وسيعي، در كامپيوتر و مخابرات دارد، استفاده مي­گردد.

در سال 1970 هسته­هاي فريتي بطور گسترده­اي براي *****­ها در وسايل مربوط به سيستم­هاي مخابراتي مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1980 از هسته­هاي فريتي در منابع تغذيه فركانس بالا استفاده گرديد. اكثر فريت­هاي اسپينلي رايج، يكي از انواع فريت­هاي منگنز-روي و نيكل– روي مي­باشند كه در ترانسفورماتورها، سلف­ها و هدهاي ضبط صوت يا ويدئو به كار مي­روند.

عملكرد فريت منگنز- روي ترجيحاً براي فركانس­هايي تا 1MHz مي­باشد. بقيه فريت­هاي اسپينيلي نظير منيزيم- منگنز، نيكل- روي و فريت­هاي ليتيمي در تجهيزات مايكروويو، مورد استفاده قرار مي­گيرند. بقيه كاربردهاي مربوط به فريت­هاي نرم­مغناطيس شامل هسته­هاي حافظه، سنسورهاي دمايي، اجزاء موتورهاي الكتريكي، هسته­هاي ترانسفورماتورها و حذف­كنندهاي نويز الكتريكي مي­باشند.

از ميان فريت­هايي كه به آنها در اين مقوله اشاره شده است، فريت­هاي هگزاگونالي خواص ويژه­اي دارند كه آنها را براي استفاده در فركانس­هاي بالا (>100MHz) مناسب كرده است.

فريت­هاي نيكل- روي براي فركانس­هاي بالاتر از فركانس كاربردي فريت­هاي منگنز- روي ترجيح داده مي­شوند، زيرا داراي هدايت الكتريكي پائين­تري مي­باشند. از فريت­ها معمولاً به عنوان آنتن­هاي گيرنده در راديو­ها استفاده مي­شود و به جر‌‌أت مي­توان گفت تقريباً تمام گيرنده­هاي راديويي AM از اين آنتن­ها استفاده مي­كنند.

نكته قابل ذكر ديگر اينكه، شكل هسته­هاي فريتي با توجه به خواص مكانيكي و مغناطيسي ويژه طراحي مي­شود. به عنوان مثال اشكال مختلفي از هسته براي سلف­هاي داراي ضريب كيفيت بالا (Q-Factor) و اتلاف پايين مورد نياز مي­باشد.

توسعه بازار مربوط به فريت­هاي مايكروويو، وابسته به توسعه سيستم­ها و تجهيزات مخابراتي و نظامي نظير رادار و غيره مي­باشد. فريت­هاي مايكروويو نظير گارنت ايتريم-آهن به عنوان هدايت­كننده­هاي امواج براي انتشار امواج الكترومغناطيس و جابجاكنندهاي فازي (Phase Shiftr) استفاده مي­شوند. از ديگر كاربردهاي فريت­هاي مايكروويو مي­توان به ايزولاتورها، سيركلاتورها، اسيلاتورها، سوئيچ­ها و *****­ها اشاره كرد. ​