Ferrite là một loại vật liệu gốm được tạo ra bằng cách trộn và nung ở nhiệt độ cao hỗn hợp oxit sắt (Fe₂O₃) với một lượng nhỏ các kim loại khác như bari, mangan, niken và kẽm. Vật liệu này không dẫn điện và có tính chất ferrimagnetic, nghĩa là chúng có thể dễ dàng bị từ hóa hoặc hút bởi nam châm.
Ferrite được chia thành hai loại chính dựa trên khả năng chống lại từ tính:
- Ferrite cứng: Có tính kháng từ cao, khó khử từ, được dùng làm nam châm vĩnh cửu trong tủ lạnh, loa, động cơ điện nhỏ.
- Ferrite mềm: Có tính kháng từ thấp, dễ thay đổi từ tính, được dùng làm lõi từ cho cuộn cảm và biến áp tần số cao, cũng như trong các thành phần vi sóng.
Ferrite có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, dễ sản xuất từ oxit sắt, chống ăn mòn tốt, ổn định và có thể tạo ra với cả lực kháng từ cao và thấp. Các hợp chất ferrite đầu tiên được tổng hợp vào năm 1930 bởi Yogoro Kato và Takeshi Takei tại Viện Công nghệ Tokyo.
Mục Lục
Cấu trúc và thành phần của Ferrite
Ferrite là các hợp chất gốm ferrimagnetic có nguồn gốc từ oxit sắt. Magnetite (Fe₃O₄) là một ví dụ điển hình. Giống như các vật liệu gốm khác, ferrite cứng, giòn và dẫn điện kém.
Nhiều ferrite có cấu trúc spinel với công thức AB₂O₄, trong đó A và B là các cation kim loại khác nhau, thường bao gồm sắt (Fe). Các ferrit spinel thường có cấu trúc tinh thể bao gồm các oxit đóng gói khối (fcc) (O²⁻) với các cation A chiếm một phần tám các lỗ tứ diện và các cation B chiếm một nửa các lỗ bát diện, tức là A²⁺B³⁺₂O²⁻₄.
Các tinh thể Ferrite có thể sử dụng cấu trúc spinel nghịch đảo: một phần tám các lỗ tứ diện bị chiếm bởi các cation B, một phần tư các vị trí bát diện bị chiếm bởi các cation A và một phần tư khác bởi cation B.
Ferrite cấu trúc spinen hỗn hợp có công thức [M²⁺₁₋δFe³⁺δ] [M²⁺δFe³⁺₂₋δ]O₄, trong đó δ là mức độ đảo ngược. Vật liệu từ tính “ZnFe” có công thức ZnFe₂O₄, với Fe³⁺ chiếm các vị trí bát diện và Zn²⁺ chiếm các vị trí tứ diện, là một ví dụ về cấu trúc spinel ferrite bình thường.
Một số ferrite có cấu trúc tinh thể lục giác, như bari và strontium ferrites BaFe₁₂O₁₉ (BaO:6Fe₂O₃) và SrFe₁₂O₁₉ (SrO:6Fe₂O₃). Về đặc tính từ tính, ferrite được phân loại là “mềm”, “nửa cứng” hoặc “cứng”, tùy thuộc vào độ cưỡng bức từ thấp hoặc cao của chúng.
Ứng dụng của Ferrite trong các thiết bị điện tử
Ferrite được sử dụng rộng rãi trong lõi của máy biến áp hoặc điện từ chứa niken, kẽm và/hoặc mangan. Chúng có độ cưỡng bức thấp và được gọi là ferrite mềm.
Độ coerc thấp có nghĩa là từ hóa của vật liệu có thể dễ dàng đảo ngược hướng mà không tiêu tốn nhiều năng lượng (tổn thất trễ), trong khi điện trở suất cao của vật liệu ngăn chặn dòng điện xoáy trong lõi, một nguồn mất năng lượng khác. Do tổn thất tương đối thấp ở tần số cao, chúng được sử dụng rộng rãi trong lõi của máy biến áp RF và cuộn cảm trong các ứng dụng như nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi và ăng ten vòng lặp được sử dụng trong radio AM. Các ferrit mềm phổ biến nhất là:
- Mangan-kẽm ferrite (MnZn, với công thức MnₐZn(1-a)Fe₂O₄): MnZn có độ thấm và cảm ứng bão hòa cao hơn NiZn.
- Niken-kẽm ferit (NiZn, với công thức NiₐZn(1-a)Fe₂O₄): Ferrite NiZn có điện trở suất cao hơn MnZn và phù hợp hơn cho các tần số trên 1 MHz.
Đối với các ứng dụng dưới 5 MHz, ferrite MnZn được sử dụng; trên đó, NiZn là lựa chọn thông thường. Ngoại lệ là với các cuộn cảm chế độ phổ biến, trong đó ngưỡng lựa chọn là 70 MHz.
Cobalt Ferrite và ứng dụng trong cảm biến
Cobalt ferrite, CoFe₂O₄ (CoO · Fe₂O₃), nằm giữa vật liệu từ mềm và cứng và thường được phân loại là vật liệu bán cứng. Nó được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng từ giảo của nó giống như cảm biến và cơ cấu chấp hành nhờ vào độ bão hòa từ giảo cao (~ 200 ppm).
CoFe₂O₄ cũng có những lợi ích là không chứa đất hiếm, điều này làm cho nó trở thành một sự thay thế tốt cho Terfenol-D. Hơn nữa, các đặc tính từ tính của nó có thể được điều chỉnh bằng cách tạo ra tính bất đẳng hướng từ tính. Điều này có thể được thực hiện bằng cách ủ từ, nén có hỗ trợ từ trường hoặc phản ứng dưới áp suất đơn hướng. Giải pháp cuối cùng này có ưu điểm là cực nhanh (20 phút) nhờ sử dụng phương pháp thiêu kết plasma tia lửa. Tính dị hướng từ cảm ứng trong coban ferrite cũng có lợi để tăng cường hiệu ứng từ điện trong composite.
Nam châm Ferrite vĩnh cửu và ứng dụng
Ngược lại, nam châm ferrite vĩnh cửu được làm bằng ferrite cứng, có độ cưỡng bức cao và độ hồi phục cao sau khi từ hóa. Ôxít sắt và bari hoặc strontium carbonate được sử dụng trong sản xuất nam châm ferrite cứng.
Độ cưỡng bức cao có nghĩa là các vật liệu có khả năng chống lại sự khử từ, một đặc tính thiết yếu đối với một nam châm vĩnh cửu. Chúng cũng có tính thấm từ cao. Những nam châm gốm này có giá rẻ và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm gia dụng như nam châm tủ lạnh. Từ trường tối đa B là khoảng 0,35 tesla và cường độ từ trường H là khoảng 30 đến 160 kiloampere mỗi mét (400 đến 2000 oersteds). Mật độ của nam châm ferrite khoảng 5 g / cm³. Các ferrite cứng phổ biến nhất là:
- Strontium ferrite, SrFe₁₂O₁₉ (SrO · 6Fe₂O₃): Được sử dụng trong động cơ điện nhỏ, thiết bị sóng vi mô, phương tiện ghi âm, phương tiện quang từ, viễn thông và công nghiệp điện tử.
- Barium ferrite, BaFe₁₂O₁₉ (BaO · 6Fe₂O₃): Một vật liệu phổ biến cho các ứng dụng nam châm vĩnh cửu. Barium ferrites là loại gốm mạnh mẽ thường ổn định với độ ẩm và chống ăn mòn. Chúng được sử dụng trong các nam châm loa và như một phương tiện để ghi từ, ví dụ như trên các thẻ sọc từ tính.
Quy trình sản xuất Ferrite
Ferrite được sản xuất bằng cách nung nóng hỗn hợp các oxit của các kim loại cấu thành ở nhiệt độ cao, như thể hiện trong phương trình lý tưởng hóa này:
Fe₂O₃ + ZnO → ZnFe₂O₄
Trong một số trường hợp, hỗn hợp tiền chất bột mịn được ép vào khuôn. Đối với ferrit bari và strontium, các kim loại này thường được cung cấp dưới dạng cacbonat, BaCO₃ hoặc SrCO₃. Trong quá trình gia nhiệt, các cacbonat này trải qua quá trình nung:
MCO₃ → MO + CO₂
Sau bước này, hai oxit kết hợp để tạo ra ferrite. Hỗn hợp oxit thu được trải qua quá trình thiêu kết.
Các ứng dụng khác của Ferrite
Lõi Ferrite được sử dụng trong cuộn cảm điện tử, máy biến thế và nam châm điện trong đó điện trở cao của ferrite dẫn đến tổn thất dòng điện rất thấp. Chúng thường được xem như một cục trong cáp máy tính, được gọi là hạt ferrite, giúp ngăn tiếng ồn điện tần số cao (nhiễu tần số vô tuyến) thoát ra hoặc đi vào thiết bị.
Bộ nhớ máy tính ban đầu lưu trữ dữ liệu trong các từ trường còn lại của lõi ferrite cứng, được tập hợp thành các mảng của bộ nhớ lõi.
Bột Ferrite được sử dụng trong các lớp phủ của băng ghi âm từ tính. Một loại vật liệu như vậy là sắt (III) oxit.
Các hạt Ferrite cũng được sử dụng như một thành phần của vật liệu hấp thụ radar hoặc lớp phủ được sử dụng trong máy bay tàng hình và trong gạch hấp thụ lót các phòng được sử dụng để đo tương thích điện từ.
Hầu hết các nam châm âm thanh phổ biến, bao gồm cả những người được sử dụng trong loa và thiết bị thu phát nhạc cụ điện từ, là nam châm ferrite. Ngoại trừ một số sản phẩm “cổ điển” nhất định, nam châm ferrite đã thay thế phần lớn nam châm Alnico đắt tiền hơn trong các ứng dụng này.
Các hạt nano Ferrite thể hiện tính chất siêu thuận từ.
Lưu ý quan trọng khi sử dụng Ferrite
Để tận dụng tối đa hiệu suất của ferrite, các lưu ý sau đây rất quan trọng:
- Ảnh hưởng của trở kháng mạch: Trở kháng của mạch càng thấp, hiệu quả lọc của hạt ferrite càng tốt.
- Ảnh hưởng của dòng điện: Khi dòng điện lớn hơn chạy qua dây ferrite, tổn thất chèn tần số thấp của bộ lọc sẽ nhỏ hơn và tổn thất chèn tần số cao sẽ không thay đổi nhiều. Để tránh điều này, khi sử dụng đường dây điện, bạn có thể truyền đường dây điện và đường hồi điện qua ferrite cùng một lúc.
- Lựa chọn vật liệu ferrite: Chọn vật liệu ferrite khác nhau có tính thấm từ khác nhau theo tần số triệt nhiễu. Độ thấm từ của vật liệu ferrite càng cao thì trở kháng ở tần số thấp càng lớn và trở kháng càng nhỏ ở tần số cao.
- Xác định kích thước của vòng ferrite: Chênh lệch giữa đường kính trong và ngoài của vòng từ càng lớn, hướng trục càng dài thì trở kháng càng lớn. Nhưng đường kính bên trong phải được bọc chặt. Do đó, để có được độ suy giảm lớn, nên sử dụng vòng từ có thể tích lớn hơn miễn là đường kính trong của vòng từ tính ferrite được quấn quanh dây.
- Số vòng quay của chế độ thông thường bị sặc: Tăng số vòng quay qua vòng từ có thể làm tăng trở kháng ở tần số thấp, nhưng do tăng điện dung ký sinh, trở kháng ở tần số cao sẽ giảm.
- Số lượng vòng ferrite trên cáp: Tăng số lượng vòng ferrite trên cáp có thể tăng trở kháng ở tần số thấp, nhưng trở kháng ở tần số cao sẽ giảm do sự gia tăng điện dung ký sinh.
- Vị trí lắp đặt vòng từ ferrite: Nói chung càng gần nguồn nhiễu càng tốt. Đối với cáp trên khung được bảo vệ, vòng từ phải càng gần càng tốt với lối vào và lối ra của cáp khung.
- Sử dụng với đầu nối bộ lọc điện dung: Vì hiệu ứng của vòng ferrite phụ thuộc vào trở kháng của mạch, trở kháng của mạch càng thấp, hiệu quả của vòng càng rõ ràng.
Kết luận
Ferrite là một vật liệu đa năng với nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử. Từ các ứng dụng cơ bản như nam châm tủ lạnh đến các ứng dụng phức tạp hơn như lõi biến áp và vật liệu hấp thụ radar, ferrite đóng vai trò không thể thiếu trong nhiều thiết bị và hệ thống hiện đại. Việc hiểu rõ về cấu trúc, tính chất và các lưu ý khi sử dụng ferrite sẽ giúp chúng ta tận dụng tối đa tiềm năng của vật liệu này trong các ứng dụng khác nhau.
Hiện nay, nhu cầu về các thiết bị điện tử ngày càng tăng cao, kéo theo đó là nhu cầu về các linh kiện chất lượng, giá cả phải chăng. Các sản phẩm lõi ferrite đã qua sử dụng nhưng vẫn đảm bảo chất lượng là một lựa chọn hợp lý giúp giảm chi phí sản xuất, đặc biệt là đối với các mặt hàng điện tử bình dân.
Tham khảo sản phẩm: