سرامیک های مغناطیسی چیستند و چه کاربردی دارند؟

مواد مغناطیسی از جمله مواد مهندسی بسیار مهمی هستند که کاربردهای مختلفی را به خود اختصاص داده­ اند. به طور مثال می­توان به کاربرد آنها در سیستم­های الکترونیکی اشاره کرد که هر روزه از آنها استفاده می­کنیم. متن زیر که از خبرنامه انجمن سرامیک ایران (شماره 10) نقل شده است، به معرفی و کاربرد مواد مغناطیسی پرداخته است:

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 می­شوند :

۱.آهنرباهای دائم سرامیکی

 
مواد مغناطیسی دائم به دسته­ای از مواد اطلاق می­شود که خاصیت مغناطیسی خود را پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی حفظ میکنند و کاربردهای وسیعی را به خود اختصاص داده ­اند. به عنوان مثال می­توان از کاربرد آنها در یخچال­ها، موتورهای جریان مستقیم، نگهدارنده ­ها، دستگاه­های سنجش، بلندگوها و بسیاری موارد دیگر نام برد.
اکثر آهنرباهای دائمی تجارتی، از فریت­های سخت­ مغناطیس سرامیکی تشکیل شده­اند که حاوی اکسیدهای مختلفی می­باشند. البته قیمت مواد اولیه فریت­های سخت­ مغناطیس، در مقایسه با مواد مورد نیاز برای آهنرباهای فلزی نظیر آلیاژ AlNiCo و یا ترکیبات آلیاژهای کمیاب خاکی، کمتر می­باشد. همچنین لازم به ذکر است که فریت­های سخت ­مغناطیس سرامیکی، به لحاظ دارا بودن میدان­های پسماندزدای (Hc) قوی­تر در مقایسه با آهنرباهای فلزی نظیر AlNiCo، می­توانند در ابعاد کوچکتری، بدون اینکه مواجه با خطر میدان­های آهنربازدا باشند، تهیه شوند.

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

در این راستا از افزودنی­های مختلفی نظیر Sio2 یا AL2O3 بمنظور افزایش میدان پسماندزدای (Hc) و کمک زینتر، استفاده می­گردد. سرامیک­های مغناطیسی همچنین بر مبنای میزان نظم ریزساختارشان که در پروسه تولید قابل کنترل می­­باشد، به دو گروه تقسیم می­شوند:

نوع اول مگنت­های آنیزوتروپ (جهت­دار)، که دارای یک محور ترجیهی مغناطیسی می­باشند و نوع دوم مگنت­های ایزوتروپ (غیرجهت­دار)، که دارای یک بافت ریزساختاری جهت­دار نمی­باشند و خواص مشابهی را در جهات مختلف از خود نشان می­دهند. همچنین در مگنت­های جهت­دار آنیزوتروپ بخاطر وجود یک محور یکسان، انرژی مغناطیسی ماکزیمم می­باشد.

کاربرد مواد مغناطیسی دائم بر پایه عملکرد ویژه مغناطیسی­ شان می­باشد و در سیستم­های فضانوردی، کامپیوتر، الکترونیک، پزشکی، صنعت خودروسازی، صنایع نظامی، وسایل انتقال اطلاعات و غیره مشاهده می­شوند. در واقع فریت­های سخت مغناطیس سرامیکی در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می­گیرند: از اسباب­ بازی­های ساده و قفل­های کابینت گرفته تا موتورهای الکتریکی DC.

آهنرباهای بزرگ در سپراتورهای مغناطیسی برای تغلیظ مینرال­ها و فیلترهای آبی و آهنرباهای کوچک در صفحات نمایشگر اطلاعات مورد استفاده قرار می­گیرند. در صنعت، آهنرباهای دائم سرامیکی به چندین گروه تقسیم می­شوند: سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 1، از مواد ارزان قیمت ساخته می­شوند و کاربرد­­هایی نظیر: قفل­های ساده، کوپل­های مغناطیسی هم­محور برای کنتور­های آب و یاتاقان­های بدون اصطکاک در کنتورهای برق را به خود اختصاص داده­اند.

سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 2، در موتورهای DC مورد استفاده در خودروها، موتورهای پله­ای (Stepper Motors ) و کوپلهای مغناطیسی هم­ محور مورد استفاده قرار می­گیرند.

سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 5، بصورت آهنرباهای حلقه­ای شکل در بلندگوها و جداکنندهای مغناطیسی و دیسک­های مورد استفاده در کوپل­های مغناطیسی، مورد مصرف قرار می­گیرند.

سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 7 و 8، در موتورهای DC ، موتورهای Brushiess DC و ژنراتورها و محرک­های القایی خطی استفاده می­شوند.

۲. فریت­های نرم­مغناطیس

مواد نرم­ مغناطیس بطور کلی با اعمال میدان­های ضعیف مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی از خود نشان می­د­هند. وقتی نیروی اعمالی حذف می­شود، خاصیت مغناطیسی باقیمانده در آن­ها تضعیف می­گردد. اهمیت نرم ­مغناطیس­ها در بسیاری از سیستم­های الکتریکی و الکترونیکی مشهود است.
مواد نرم­ مغناطیس در سیستم­های توزیع نیرو، تغییر انرژی الکتریکی به مکانیکی و ارتباطات مایکروویو مورد استفاده قرار می­گیرند. آنها همچنین به عنوان مبدل­های الکتریکی و مواد فعال جهت ذخیره­سازی اطلاعات در بسیاری از سیستم­های اطلاع­ رسانی عمل می­کنند. بسیاری از کاربردهای جدید آنها در اثر بهبود خواص و ویژگی­های این مواد بوده است.

مواد اولیه فریت­های نرم ­مغناطیس، اکسیدهای سرامیکی هموژنی هستند که اکسید آهن به عنوان جزء اصلی آنها می­باشد. فریت­ها می­توانند ساختار­های کریستالی متفاوتی را دارا باشند.

بطور کلی 3 ساختار کریستالی برای فریت­های تجاری امروزی شناخته شده است:

اولین کلاس دارای ساختار مگنتوپلامبایت هگزاگونالی است (مثل BaFe12O19) دومین کلاس دارای ساختار گارنت می­باشد که به گارنت مغناطیسی یا فریت­های مایکروویو نیز شهرت دارد. فرمول عمومی این گروه بصورت 3M2O3.5FeO3 یا M3Fe5O12 می­باشد. یون­های فلزی در این ترکیب، در مقایسه با دو کلاس دیگر سه ظرفیتی هستند. در گارنت­های مغناطیسی M، معمولاً ایتریم (Y)+3 یا یکی از یون­های کمیاب خاکی­ها نظیر Gd+3 بصورت (Gd3Fe5O12) می­باشد.

سومین کلاس دارای ساختار اسپینلی می­باشد. 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 پیچیده­ای می­باشد. در اسپینل­های مغناطیسی، یون دوظرفیتی Mg2+ می­تواند توسط Cu2+، Co2+، Fe2+، Zn2+، Li2+ ، Mn2+، Ni2+، و یا در بیشتر مواقع با ترکیبی از این یون­ها جایگزین گردد. یون Al3+ نیز می­تواند جانشین Fe3+ گردد.

اسپینل­های مغناطیسی دارای فرمول عمومی MFe2O4 یا MO.Fe2O3 می­باشند.

نرم­ مغناطیس­ها همچنین بر اساس محدوده فرکانسی نیز تقسیم بندی می­شوند:

فریت­های غیر مایکروویو برای فرکانس­هایی از محدوده شنوایی تا 500MHz

فریت­های مایکروویو برای فرکانس­هایی در محدوده 100MHz-500GHz

فریت­های غیر مایکروویو خود به دو بخش زیر تقسیم می­شوند:

فریت­ها با حلقه هیستریزیس مستطیلی شکل برای حافظه­های کامپیوتری

فریت­های خطی (مرکب از فریت­های منگنز- روی و نیکل- روی) برای مبدل­ها و سلف­ها در فیلترها

فریت­های مایکروویو، فراهم کننده یک محیط غیرفعال با تلفات کم می­باشند که اجازه انتشار امواج را با تلفات ناچیز فراهم می­کنند. در حقیقت با توجه به اینکه امواج الکترومغناطیس از دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده ­اند، با برهم­کنش مولفه مغناطیسی موج با ممان­های مغناطیسی ماده و مولفه الکتریکی موج با مولفه دی الکتریکی فریت، رفتار موج الکترومغناطیس تحت تاثیر پارامترهایی نظیر قابلیت نفوذ مغناطیسی، قابلیت نفوذ دی­الکتریکی و آهنربایش ماده قرار می­گیرد. با به کار بردن یک میدان مغناطیسی DC خارجی، واکنشی بین سینگال مایکروویو و محیط انتشار موج (فریت) صورت می­پذیرد که امکان کنترل آن را فراهم می­سازد.

بیش از 100 نوع ترکیبات فریتی به عنوان فریت­های مایکروویو برای تولید تجهیزات مخابراتی معرفی شده­ اند. مواد فریتی نرم­مغناطیس در وسایلی نظیر: مبدل­ها، موتورها، ژنراتورها، سولونوئیدها، رله­ های DC و حفاظ­های مغناطیسی بکار برده می­شوند. با وجود مقاومت الکتریکی بالا و خواص مغناطیسی خوب، از این فریت­ها به عنوان یک هسته عالی برای فیلتر­ها در محدوده فرکانسی 50 - 450KHz استفاده می­شود.

با گسترش صنعت تولید تلویزیون در سال 1950، اهمیت صنایع تولید فریت­ها بیشتر نمود پیدا کرد. هسته­های فریتی در سیستم تقارب اشعه الکترونیکی لامپ تصویر تلویزیون و ترانس­­های­ ولتاژ، مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین از فریت­های نرم در منابع تغذیه از نوع (Switch Mode) که کاربردهای وسیعی، در کامپیوتر و مخابرات دارد، استفاده می­گردد.

در سال 1970 هسته ­های فریتی بطور گسترده­ای برای فیلتر­ها در وسایل مربوط به سیستم­های مخابراتی مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1980 از هسته­ های فریتی در منابع تغذیه فرکانس بالا استفاده گردید. اکثر فریت­های اسپینلی رایج، یکی از انواع فریت­های منگنز- روی و نیکل– روی می­باشند که در ترانسفورماتورها، سلف­ها و هدهای ضبط صوت یا ویدئو به کار می­روند.

عملکرد فریت منگنز- روی ترجیحاً برای فرکانس­هایی تا 1MHz می­باشد. بقیه فریت­های اسپینیلی نظیر منیزیم- منگنز، نیکل- روی و فریت­های لیتیمی در تجهیزات مایکروویو، مورد استفاده قرار می­گیرند. بقیه کاربردهای مربوط به فریت­های نرم­مغناطیس شامل هسته­ های حافظه، سنسورهای دمایی، اجزاء موتورهای الکتریکی، هسته­های ترانسفورماتورها و حذف­ کننده های نویز الکتریکی می­باشند.

از میان فریت­هایی که به آنها در این مقوله اشاره شده است، فریت­های هگزاگونالی خواص ویژه­ای دارند که آنها را برای استفاده در فرکانسهای بالا (>100MHz) مناسب کرده است.

فریت­های نیکل- روی برای فرکانس­های بالاتر از فرکانس کاربردی فریت­های منگنز- روی ترجیح داده می­شوند، زیرا دارای هدایت الکتریکی پائینتری می­باشند. از فریت­ها معمولاً به عنوان آنتن­های گیرنده در رادیو­ها استفاده می­شود و به جر‌‌أت می­توان گفت تقریباً تمام گیرنده ­های رادیویی AM از این آنتن­ها استفاده می­کنند.

نکته قابل ذکر دیگر اینکه، شکل هسته ­های فریتی با توجه به خواص مکانیکی و مغناطیسی ویژه طراحی می­شود. به عنوان مثال اشکال مختلفی از هسته برای سلف­های دارای ضریب کیفیت بالا (Q-Factor) و اتلاف پایین مورد نیاز می­باشد.

توسعه بازار مربوط به فریت­های مایکروویو، وابسته به توسعه سیستم­ها و تجهیزات مخابراتی و نظامی نظیر رادار و غیره می­باشد. فریت­های مایکروویو نظیر گارنت ایتریم-آهن به عنوان هدایت­کننده­های امواج برای انتشار امواج الکترومغناطیس و جابجاکنندهای فازی (Phase Shiftr) استفاده می­شوند. از دیگر کاربردهای فریت­های مایکروویو می­توان به ایزولاتورها، سیرکلاتورها، اسیلاتورها، سوئیچ­ها و فیلتر­ها اشاره کرد.