فریت نوعی ماده سرامیکی است که با مخلوط کردن و پختن مقدار زیادی اکسید آهن (Fe2O3) با مقادیر کمی از یک یا چند عنصر فلزی اضافی مانند باریم، منگنز، نیکل و روی مخلوط شده است. آنها فِرّی مغناطیس (در آن ها گشتاورهای مغناطیسی اتمی هم جهت نیستند) هستند، به این معنی که می توانند مغناطیسی یا جذب آهنربا شوند. برخلاف سایر مواد فرومغناطیس، اکثر فریت ها رسانای الکتریکی نیستند و به همین دلیل از آن ها در هسته مغناطیسی ترانسفورماتورها برای متوقف کردن جریان های گردابی استفاده می کنند.
فریت ها را می توان بر اساس مقاومت در برابر مغناطیس زدایی (مقاومت در برابر دشارژ شدن) به دو گروه تقسیم کرد:
فریت های سخت: فریت های سخت مقاومت بالایی در برابر دشارژ شدن دارند ، بنابراین به سختی می توان آنها را مغناطیس زدایی کرد. از این آهنریا در ساخت آهنرباهای دائمی برای کاربردهایی مانند آهنربای یخچال ، بلندگوها و موتورهای الکتریکی کوچک استفاده می شود.
فریت های نرم: فریت های نرم مقاومت کمی در برابر دشارژ شدن دارند، بنابراین به راحتی مغناطش خود را تغییر داده و به عنوان هادی
میدان های مغناطیسی عمل می کنند. از این آهنربا در صنعت الکترونیک برای ایجاد هسته های مغناطیسی کارآمد به نام هسته فریت برای تولید سلف های فرکانس بالا، ترانسفورماتورها و آنتن ها استفاده می شود.
ترکیبات فریت بسیار ارزان هستند چرا که بیشتر از اکسید آهن ساخته می شوند. فریت ها مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند. یوگورو کاتو و تاکشی تاکی در سال 1930 از موسسه فناوری توکیو اولین نفراتی بودند که ترکیبات فریت را به وجود آوردند.
ترکیب، ساختار و خصوصیات:
فریت ها معمولاً ترکیبات سرامیکی فِرّی مغناطیسی هستند که از اکسیدهای آهن به دست می آیند. مانند اکثر سرامیک ها، فریت ها نیز سخت، شکننده و رسانای ضعیف الکتریسیته هستند. بسیاری از فریت ها ساختار اسپینل با فرمول AB2O4 دارند، A و B نشان دهنده کاتیون های مختلف فلزی است که معمولاً شامل آهن (Fe) نیز هست. بعضی فریت ها نیز ساختار بلوری شش ضلعی دارند، مانند فریت های باریم و استرانسیم، BaFe12O19 و SrFe12O19.
فریت ها از نظر ویژگی های مغناطیسی به سه دسته ی "نرم" ، "نیمه سخت" یا "سخت" طبقه بندی می شوند، که اشاره به میزان مقاومت آنها در برابر مغناطیس زدایی دارد.
فریت نرم:
این فریت در هسته های الکترومغناطیسی و ترانسفورماتورها استفاده می شود و حاوی ترکیبات نیکل ، روی و یا منگنز هست. از مقاومت پایینی در برابر دشارژ شدن برخوردار است، این به این معنی است که جهت مغناطش مواد می تواند به راحتی و بدون اتلاف انرژی زیاد معکوس گردد. به دلیل تلفات نسبتاً کم آنها در فرکانس های بالا، از آنها بطور گسترده ای در هسته ترانسفورماتورهای RF، سلف ها و آنتن های حلقه ای مورد استفاده در رادیوهای AM استفاده می شود.
متداول ترین فریت های نرم عبارتند از:
- فریت منگنز - روی (MnZn ، با فرمول MnaZn (1-a) Fe2O4): نفوذ پذیری و القای اشباع MnZn بالاتر از NiZn است.
- فریت نیکل - روی (NiZn ، با فرمول NiaZn (1-a) Fe2O4): فریت های NiZn مقاومت بالاتری نسبت به MnZn دارند، بنابراین برای کار در فرکانس های بالاتر از 1 مگاهرتز مناسب ترند. برای کاربردهای کمتر از 5 مگاهرتز، از فریت های MnZn استفاده می شود. بالاتر از آن، NiZn یک انتخاب معمول است.
فریت نیمه سخت:
فریت کبالت، CoFe2O4 ، خواصی بین فریت های نرم و سخت دارد و معمولاً به عنوان یک ماده نیمه سخت طبقه بندی می شود. به لطف فشار مغناطیسی اشباع بالا (ppm 200 ~) از این ماده در حسگرها و فعال کننده ها استفاده می شود. CoFe2O4 عناصر خاکی کمیاب ندارد، این امر آن را جایگزین خوبی برای Terfenol-D (نوعی آهنربا) می کند. علاوه بر این، خواص مغناطیسی انعطاف پذیر آن می تواند با القای ناهمسانگردی تک محوره مغناطیسی تنظیم شود. این فرآیند با آنیل کردن مغناطیسی یا واکنش تحت فشار تک محوره قابل انجام است.
ناهمسانگردی مغناطیسی فریت کبالت برای بهبود اثر مغناطیسی الکتریکی در کامپوزیتها مفید است.
فریت سخت:
آهنرباهای دائمی فریتی از فریت سخت ساخته شده اند. این آهنرباها پس از مغناطش شدن از قدرت مغناطیسی و مقاومت بالا در برابر دشارژ شدن برخوردار هستند. از اکسید آهن، کربنات باریم و کربنات استرانسیم در ساخت آهنرباهای فریت سخت استفاده می شود. این آهنربا از نفوذپذیری مغناطیسی بالایی نیز برخوردار است. این آهنرباهای سرامیکی ارزان هستند و در محصولات خانگی مانند آهنربای یخچال به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. حداکثر میدان مغناطیسی (B) حدود 0.35 تسلا و قدرت میدان مغناطیسی (H) حدود 30 تا 160 کیلو آمپر دور در متر(400 تا 2000 اورستد) و چگالی حدود 5 گرم در سانتی متر مکعب است.
شایع ترین فریت های سخت عبارتند از:
- فریت استرانسیم (SrFe12O19): مورد استفاده در موتورهای الکتریکی کوچک، دستگاه های تولیدکننده ی میکرو موج، دستگاه های ضبط صدا، دستگاه های مغناطیسی نوری ، مخابرات و صنایع الکترونیکی. هگزافریت استرانسیم (SrFe12O19) به مقاومت بالایش در برابر دشارژ شدن (به دلیل ناهمسانگردی مغناطیسی کریستالی) بسیار مشهور است. این آهنربا به طور گسترده ای در صنعت به عنوان آهنربای دائمی مورد استفاده قرار گرفته است و از آنجا که می توان آن را به راحتی پودر کرد و به شکل های مختلف در آورد، در حال یافتن کاربردهای خود در سیستم های نوع میکرو و نانو مانند نشانگرها، عیب یاب ها و حسگرهای زیستی است
- فریت باریم (BaFe12O19): ماده ای معمول برای استفاده در آهنربای دائمی است. فریت باریم سرامیک مقاومی است که به طور کلی در برابر رطوبت و خوردگی مقاوم است. از این آهنربا در بلندگوها و کارت های نوار مغناطیسی استفاده می شود.
نحوه تولید:
فریت ها با گرم کردن مخلوطی از اکسیدهای فلزات تشکیل دهنده اش در دمای بالا تولید می شوند، همانطور که در این معادله ایده آل نشان داده شده است:
Fe2O3 + ZnO → ZnFe2O4
در بعضی موارد ، مخلوط خام اولیه ی ریز پودر شده در داخل قالب فشرده می شود. برای فریتهای باریم و استرانسیم ، این فلزات معمولاً به عنوان کربنات های خود ، BaCO3 یا SrCO3 عرضه می‌شوند. در طی فرآیند گرمایش، این کربنات ها تحت عمل تکلیس (گرم کردن یک جامد تا دمای بالا در هوا یا اکسیژن برای از بین بردن ناخالصی ها یا مواد فرار) قرار می گیرند:
MCO3 → MO + CO2
بعد از این مرحله ، دو اکسید با هم ترکیب شده و فریت تشکیل می شود. مخلوط حاصل از اکسیدها تحت فرآیند سینترینگ قرار می گیرد. پس از به دست آمدن فریت، محصول خنک شده به ذرات کوچکتر از 2 میکرومتر آسیاب می شود( به اندازه ای کوچک که هر ذره، از یک حوزه مغناطیسی منفرد تشکیل شده باشد). سپس پودر به شکل مورد نظر فشرده، خشک و مجدداً سینتر می شود. برای دستیابی به جهت گیری مطلوب ذرات (ناهمسانگردی) ، فرآیند شکل دهی در یک میدان مغناطیسی خارجی انجام می شود. اشکال کوچک و ساده هندسی ممکن است با فرآیند خشک فشردن(dry pressing) تولید شوند. با این حال، در چنین فرآیندی ممکن است ذرات کوچک، جمع شده و در مقایسه با فرآیند فشار مرطوب(wet pressing) منجر به خواص مغناطیسی ضعیف تری شوند. تکلیس مستقیم و سینتر بدون آسیاب مجدد نیز امکان پذیر است اما منجر به خواص مغناطیسی ضعیفتری می‌شود.
برای جلوگیری از چسبیدن قطعات به یکدیگر در کوره در هنگام پخت و پز، بسیاری از تولیدکنندگان با استفاده از ورق های جداکننده پودر سرامیک ظروف، قطعات را جدا می کنند.
کاربردها:
هسته های فریت در سلف های الکترونیکی ، ترانسفورماتورها و آهنرباهای الکتریکی استفاده می شود. مقاومت الکتریکی بالای فریت منجر به تلفات جریان گردابی بسیار کم در آن می شود. فریت ها معمولاً به صورت یک توده در کابل های رایانهای دیده می شوند که مهره فریت نامیده می شود. مهره فریت به جلوگیری از وارد شدن یا خارج شدن نویز الکتریکی با فرکانس بالا (تداخل فرکانس رادیویی) در قطعات کامپیوتری کمک می کند. از پودرهای فریت در پوشش دهی نوارهای ضبط مغناطیسی استفاده می شود. ذرات فریت همچنین به عنوان جزئی از مواد جاذب رادار یا پوشش های مورد استفاده در هواپیماهای جاسوسی و در کاشی های جاذب امواج الکترومغناطیسی داخل اتاق هایی که برای اندازه گیری سازگاری الکترومغناطیسی ایجاد شده اند، استفاده می شود. بیشتر آهنرباهای صوتی رایج، از جمله آنهایی که در بلندگوها و دستگاه های صوتی الکترومغناطیسی استفاده می شوند،
آهنربای فریتی هستند. در زمینه‌ی ابزارهای صوتی، به جز موارد خاص، آهنربای فریت جایگزین
آهنربای آلنیکو (که بسیار گران تر است) شده است. هگزافریت های سخت امروزه بیشترین استفاده را به عنوان
آهنرباهای دائمی در واشر های درزگیر یخچال، میکروفون ها و بلندگوها، موتورهای کوچک برای وسایل بی سیم و اتومبیلها دارند.
نانوذرات فریتی دارای خواص سوپر پارامغناطیس هستند.
تاریخچه:
یوگورو کاتو و تاکشی تاکی از انستیتوی فناوری توکیو اولین ترکیبات فریت را در سال 1930 سنتز کردند. این امر منجر به تاسیس شرکت TDK در سال 1935 برای تولید این مواد شد. هگزافریت باریم در سال 1950 در آزمایشگاه فیلیپس Natuurkundig (آزمایشگاه فیزیک فیلیپس) کشف شد. این کشف تا حدودی تصادفی بود (به دلیل اشتباه از دستیاری که قرار بود نمونه ای از فریت شش ضلعی لانتانیم را برای تیم تحقیقاتی اش تهیه کند). آن ها با کشف اینکه این ماده در واقع یک ماده مغناطیسی است، ساختار آن را توسط کریستالوگرافی اشعه X تأیید کردند و آن را به گروه تحقیقاتی مغناطیسی منتقل کردند. هگزافریت باریم هم مقاومت بالاتی در برابر دشارژ شدن دارد و هم هزینه مواد اولیهی آن پایین است. این محصول به عنوان محصولی توسط صنایع فیلیپس (هلند) توسعه یافت و از سال 1952 با نام تجاری Ferroxdure به بازار عرضه شد. قیمت پایین و عملکرد خوب باعث افزایش سریع استفاده از این آهنرباهای دائمی شد. در دهه 1960 فیلیپس هگزافریت استرانسیم با خواص بهتر از هگزافریت باریم را تولید کرد. باریم و استرانسیم هگزافریت به دلیل قیمت پایین همواره مورد توجه بازار هستند. تا سال 1991 مواد دیگری با خواص بهبود یافته نیز وارد بازار شد.