metallurgydata متالورژی دیتا

به طور کلی مواد مغناطیسی به دو دسته سخت مغناطیس (نظیر آهنرباهای دائم) و نرم مغناطیس (نظیر مواد مغناطیسی با پسماند مغناطیسی کم)تقسیم بندی می شوند :
۱.آهنرباهای دائم سرامیکی
مواد مغناطیسی دائم به دسته ای از مواد اطلاق می شود که خاصیت مغناطیسی خود را پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی حفظ می کنند و کاربردهای وسیعی را به خود اختصاص داده اند. به عنوان مثال می توان از کاربرد آنها در یخچال ها، موتورهای جریان مستقیم، نگهدارنده ها، دستگاه های سنجش، بلندگوها و بسیاری موارد دیگر نام برد.
اکثر آهنرباهای دائمی تجارتی، از فریت های سخت مغناطیس سرامیکی تشکیل شده اند که حاوی اکسیدهای مختلفی می باشند. البته قیمت مواد اولیه فریت های سخت مغناطیس، در مقایسه با مواد مورد نیاز برای آهنرباهای فلزی نظیر آلیاژ AlNiCo و یا ترکیبات آلیاژهای کمیاب خاکی، کمتر می باشد. همچنین لازم به ذکر است که فریت های سخت مغناطیس سرامیکی، به لحاظ دارا بودن میدان های پسماندزدای (Hc) قوی تر در مقایسه با آهنرباهای فلزی نظیرAlNiCo، می توانند در ابعاد کوچکتری، بدون اینکه مواجه با خطر میدان های آهنربازدا باشند، تهیه شوند .

فریت های سخت مغناطیس سرامیکی از نوع هگزاگونال، یک بخش از خانواده اکسیدهای کمپلکس با فرمول عمومی MO.6Fe2O3 می باشند که MO معرف اکسیدهای: باریم، استرانسیم، سرب و یا ترکیبی از این عناصر می باشند. از مواد مهم تجارتی در این گروه می توان به فریت های باریم با فرمول BaO.6Fe2O3 و فریت استرانسیم با فرمول SrO.6Fe2O3 اشاره کرد.

در این راستا از افزودنی های مختلفی نظیر Sio2 یا AL2O3 بمنظور افزایش میدان پسماندزدای (Hc) و کمک زینتر، استفاده می گردد. سرامیک های مغناطیسی همچنین بر مبنای میزان نظم ریزساختارشان که در پروسه تولید قابل کنترل می  باشد، به دو گروه تقسیم می شوند:

نوع اول مگنت های آنیزوتروپ(جهت دار)، که دارای یک محور ترجیهی مغناطیسی می باشند و نوع دوم مگنت های ایزوتروپ (غیرجهت دار)، که دارای یک بافت ریزساختاری جهت دار نمی باشند و خواص مشابهی را در جهات مختلف از خود نشان می دهند. همچنین در مگنت های جهت دار آنیزوتروپ بخاطر وجود یک محور یکسان، انرژی مغناطیسی ماکزیمم می باشد.

کاربرد مواد مغناطیسی دائم بر پایة عملکرد ویژه مغناطیسی شان می باشد و در سیستم های فضانوردی، کامپیوتر، الکترونیک، پزشکی، صنعت خودروسازی، صنایع نظامی، وسایل انتقال اطلاعات و غیره مشاهده می شوند. در واقع فریت های سخت مغناطیس سرامیکی در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند: از اسباب بازی های ساده و قفل های کابینت گرفته تا موتورهای الکتریکی DC.
آهنرباهای بزرگ در سپراتورهای مغناطیسی برای تغلیظ مینرال ها و فیلترهای آبی و آهنرباهای کوچک در صفحات نمایشگر اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرند. در صنعت، آهنرباهای دائم سرامیکی به چندین گروه تقسیم می شوند: سرامیک های مغناطیسی مشهور به گروه 1، از مواد ارزان قیمت ساخته می شوند و کاربرد  هایی نظیر: قفل های ساده، کوپل های مغناطیسی هم محور برای کنتور های آب و یاتاقان های بدون اصطکاک در کنتورهای برق را به خود اختصاص داده اند.
سرامیک های مغناطیسی مشهور به گروه 2، در موتورهای DC مورد استفاده در خودروها، موتورهای پله-ای (Stepper Motors ) و کوپل های مغناطیسی هم محور مورد استفاده قرار می گیرند.
سرامیک های مغناطیسی مشهور به گروه 5 ، بصورت آهنرباهای حلقه ای شکل در بلندگوها و جداکنندهای مغناطیسی و دیسک های مورد استفاده در کوپل های مغناطیسی، مورد مصرف قرار می گیرند.
سرامیک های مغناطیسی مشهور به گروه 7 و 8، در موتورهای DC ، موتورهای Brushiess DC و ژنراتورها و محرک های القایی خطی استفاده می شوند .
 
۲. فریت های نرم مغناطیس
مواد نرم مغناطیس بطور کلی با اعمال میدان های ضعیف مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی از خود نشان می د-هند. وقتی نیروی اعمالی حذف می شود، خاصیت مغناطیسی باقیمانده در آن ها تضعیف می گردد. اهمیت نرم-مغناطیس ها در بسیاری از سیستم های الکتریکی و الکترونیکی مشهود است .
مواد نرم مغناطیس در سیستم های توزیع نیرو، تغییر انرژی الکتریکی به مکانیکی و ارتباطات مایکروویو مورد استفاده قرار می گیرند. آنها همچنین به عنوان مبدل های الکتریکی و مواد فعال جهت ذخیره سازی اطلاعات در بسیاری از سیستم های اطلاع رسانی عمل می کنند. بسیاری از کاربردهای جدید آنها در اثر بهبود خواص و ویژگی های این مواد بوده است.
مواد اولیة فریت های نرم مغناطیس، اکسیدهای سرامیکی هموژنی هستند که اکسید آهن به عنوان جزء اصلی آنها می باشد. فریت ها می توانند ساختار های کریستالی متفاوتی را دارا باشند.
بطور کلی 3 ساختار کریستالی برای فریت های تجاری امروزی شناخته شده است:
اولین کلاس دارای ساختار مگنتوپلامبایت هگزاگونالی است (مثل BaFe12O19) دومین کلاس دارای ساختار گارنت می باشد که به گارنت مغناطیسی یا فریت های مایکروویو نیز شهرت دارد. فرمول عمومی این گروه بصورت 3M2O3.5FeO3 یا M3Fe5O12 می باشد. یون های فلزی در این ترکیب، در مقایسه با دو کلاس دیگر سه ظرفیتی هستند. در گارنت های مغناطیسیM، معمولاً ایتریم Y+3 یا یکی از یون های کمیاب خاکی ها نظیر Gd+3 بصورت (Gd3Fe5O12) می باشد.
سومین کلاس دارای ساختار اسپینلی می باشد. در اینجا، اکسیدهای آهن یا فلزاتی نظیر: نیکل، منگنز، روی، منیزیم و کبالت بصورت منفرد یا ترکیبی وجود دارند. کلاس اسپینلی نام خود را از مینرال غیر مغناطیسی MgAl2o4 یا MgAl2o3 گرفته است و دارای ساختار مکعبی پیچیده ای می باشد. در اسپینل های مغناطیسی، یون دوظرفیتی Mg2+ می تواند توسط Cu2+، Co2+، Fe2+، Zn2+، Li2+ ، Mn2+، Ni2+، و یا در بیشتر مواقع با ترکیبی از این یون ها جایگزین گردد. یون Al3+ نیز می تواند جانشین Fe3+ گردد.

اسپینل های مغناطیسی دارای فرمول عمومی MFe2O4 یا MO.Fe2O3 می باشند .
نرم مغناطیس ها همچنین بر اساس محدوده فرکانسی نیز تقسیم بندی می شوند:
فریت های غیر مایکروویو برای فرکانس هایی از محدوده شنوایی تا 500MHz
فریت های مایکروویو برای فرکانس هایی در محدوده 100MHz-500GHz
فریت های غیر مایکروویو خود به دو بخش زیر تقسیم می شوند:
فریت ها با حلقه هیستریزیس مستطیلی شکل برای حافظه های کامپیوتری
فریت های خطی(مرکب از فریت های منگنز- روی و نیکل- روی) برای مبدل ها و سلف ها در فیلترها

فریت های مایکروویو، فراهم کننده یک محیط غیرفعال با تلفات کم می باشند که اجازه انتشار امواج را با تلفات ناچیز فراهم می کنند. در حقیقت با توجه به اینکه امواج الکترومغناطیس از دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده اند، با برهم کنش مولفه مغناطیسی موج با ممان های مغناطیسی ماده و مولفه الکتریکی موج با مولفه دی الکتریکی فریت، رفتار موج الکترومغناطیس تحت تاثیر پارامترهایی نظیر قابلیت نفوذ مغناطیسی، قابلیت نفوذ دی الکتریکی و آهنربایش ماده قرار می گیرد. با به کار بردن یک میدان مغناطیسی DC خارجی، واکنشی بین سینگال مایکروویو و محیط انتشار موج( فریت) صورت می پذیرد که امکان کنترل آن را فراهم می سازد.

بیش از 100 نوع ترکیبات فریتی به عنوان فریت های مایکروویو برای تولید تجهیزات مخابراتی معرفی شده اند. مواد فریتی نرم مغناطیس در وسایلی نظیر: مبدل ها، موتورها، ژنراتورها، سولونوئیدها، رله هایDC و حفاظ های مغناطیسی بکار برده می شوند. با وجود مقاومت الکتریکی بالا و خواص مغناطیسی خوب، از این فریت ها به عنوان یک هسته عالی برای فیلتر ها در محدوده فرکانسی 50 - 450KHz استفاده می شود.
با گسترش صنعت تولید تلویزیون در سال 1950، اهمیت صنایع تولید فریت ها بیشتر نمود پیدا کرد. هسته-های فریتی در سیستم تقارب اشعه الکترونیکی لامپ تصویر تلویزیون و ترانس  های  ولتاژ، مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین از فریت های نرم در منابع تغذیه از نوع (Switch Mode) که کاربردهای وسیعی، در کامپیوتر و مخابرات دارد، استفاده می گردد.

در سال 1970 هسته های فریتی بطور گسترده ای برای فیلتر ها در وسایل مربوط به سیستم های مخابراتی مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1980 از هسته های فریتی در منابع تغذیه فرکانس بالا استفاده گردید. اکثر فریت های اسپینلی رایج، یکی از انواع فریت های منگنز-روی و نیکل– روی می باشند که در ترانسفورماتورها، سلف ها و هدهای ضبط صوت یا ویدئو به کار می روند.
عملکرد فریت منگنز- روی ترجیحاً برای فرکانس هایی تا 1MHz می باشد. بقیه فریت های اسپینیلی نظیر منیزیم- منگنز، نیکل- روی و فریت های لیتیمی در تجهیزات مایکروویو، مورد استفاده قرار می گیرند. بقیه کاربردهای مربوط به فریت های نرم مغناطیس شامل هسته های حافظه، سنسورهای دمایی، اجزاء موتورهای الکتریکی، هسته های ترانسفورماتورها و حذف کنندهای نویز الکتریکی می باشند.
از میان فریت هایی که به آنها در این مقوله اشاره شده است، فریت های هگزاگونالی خواص ویژه ای دارند که آنها را برای استفاده در فرکانس های بالا (>100MHz) مناسب کرده است.
فریت های نیکل- روی برای فرکانس های بالاتر از فرکانس کاربردی فریت های منگنز- روی ترجیح داده می شوند، زیرا دارای هدایت الکتریکی پائین تری می باشند. از فریت ها معمولاً به عنوان آنتن های گیرنده در رادیو ها استفاده می شود و به جر‌‌أت می توان گفت تقریباً تمام گیرنده های رادیویی AM از این آنتن ها استفاده می کنند.
نکته قابل ذکر دیگر اینکه، شکل هسته های فریتی با توجه به خواص مکانیکی و مغناطیسی ویژه طراحی می-شود. به عنوان مثال اشکال مختلفی از هسته برای سلف های دارای ضریب کیفیت بالا (Q-Factor) و اتلاف پایین مورد نیاز می باشد.
توسعه بازار مربوط به فریت های مایکروویو، وابسته به توسعه سیستم ها و تجهیزات مخابراتی و نظامی نظیر رادار و غیره می باشد. فریت های مایکروویو نظیر گارنت ایتریم-آهن به عنوان هدایت کننده های امواج برای انتشار امواج الکترومغناطیس و جابجاکنندهای فازی (Phase Shiftr) استفاده می شوند. از دیگر کاربردهای فریت های مایکروویو می توان به ایزولاتورها، سیرکلاتورها، اسیلاتورها، سوئیچ ها و فیلتر ها اشاره کرد.

با تشکر مهندس مجید غفوری