مزایا و معایب آهنرباهای سرامیکی

فریت نوعی ماده سرامیکی است که با ترکیب مقدار زیادی اکسید آهن (Fe₂O₃) و مقادیر کمی از یک یا چند عنصر فلزی مانند باریم، منگنز، نیکل یا روی تولید می‌شود. این مواد دارای خاصیت مغناطیس هستند اما گشتاورهای مغناطیسی اتمی آنها کاملا هم‌جهت نیستند. برخلاف دیگر مواد فرومغناطیس، بیشتر فریت‌ها رسانای الکتریسیته نیستند و به همین دلیل از آنها در هسته‌های مغناطیسی ترانسفورماتورها استفاده می‌شود تا از تشکیل جریان‌های گردابی جلوگیری کنند. برای آشنایی با مزایا و معایب آهنرباهای سرامیکی تا انتهای مقاله همراه پارس مگنت باشید.

تاریخچه آهنربای سرامیکی (فریت) چیست؟

در سال 1930 یوگورو کاتو و تاکشی تاکی از انستیتوی فناوری توکیو اولین ترکیبات فریت را ساختند که باعث تأسیس شرکت TDK در سال 1935 برای تولید این مواد شد. در سال 1950 هگزافریت باریم به‌طور تصادفی در آزمایشگاه فیلیپس کشف شد، دقیقا زمانیکه یکی از دستیاران اشتباهی نمونه‌ای از فریت شش‌ضلعی لانتانیم را به تیم تحقیقاتی داد.

پس از اینکه خواص مغناطیسی این ماده شناسایی شد و ساختار آن با استفاده از اشعه ایکس تأیید گردید، فیلیپس آن را با نام تجاری Ferroxdure در سال 1952 به بازار عرضه کرد. هگزافریت باریم به دلیل مقاومت بالا در برابر از دست دادن مغناطیس و هزینه پایین مواد اولیه، خیلی زود در صنایع مختلف محبوب شد. در دهه 1960، فیلیپس هگزافریت استرانسیم را تولید کرد که خواص بهتری نسبت به هگزافریت باریم داشت. از سال 1991 مواد جدیدتر با ویژگی‌های بهبود یافته وارد بازار شدند.

آهنربای سرامیکی (فریت) چیست؟

آهنربای سرامیکی نوعی ماده سرامیکی است که با ترکیب و پخت مقدار زیادی اکسید آهن (Fe₂O₃) همراه با مقادیر اندکی از عناصر فلزی مانند باریم، منگنز، نیکل و روی ساخته می‌شود. این مواد فری مغناطیس هستند، به این معنا که قابلیت مغناطیسی شدن یا جذب آهنربا را دارند، هرچند گشتاورهای مغناطیسی اتمی آنها کاملا هم‌جهت نیستند.

برخلاف بسیاری از مواد فرومغناطیس، اغلب فریت‌ها رسانای الکتریکی ضعیفی هستند و همین ویژگی آنها را به انتخاب مناسبی برای استفاده در هسته‌های مغناطیسی ترانسفورماتورها تبدیل می‌کند، زیرا از ایجاد جریان‌های گردابی جلوگیری می‌کنند. فریت‌ها بر اساس مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

فریت‌های سخت: این نوع فریت‌ها مقاومت بالایی در برابر دشارژ یا مغناطیس‌زدایی دارند و به همین دلیل به سختی میدان مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. از این نوع فریت در ساخت آهنرباهای دائمی برای مواردی مانند آهنربای یخچال، بلندگوها و موتورهای الکتریکی کوچک استفاده می‌شود.

فریت‌های نرم: این نوع فریت‌ها مقاومت کمی در برابر دشارژ دارند و به راحتی مغناطیسش را تغییر میدهند. این ویژگی آنها را برای استفاده به عنوان هادی میدان‌های مغناطیسی مناسب می‌کند. از فریت‌های نرم در صنعت الکترونیک برای تولید هسته‌های مغناطیسی در سلف‌ها، ترانسفورماتورهای فرکانس بالا و آنتن‌ها استفاده می‌شود.

ترکیبات فریت به دلیل استفاده گسترده از اکسید آهن، بسیار مقرون‌به‌صرفه هستند و در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارند. اولین ترکیبات فریت توسط یوگورو کاتو و تاکشی تاکی در سال 1930 در موسسه فناوری توکیو تولید شدند.

بررسی مزایا و معایب آهنرباهای سرامیکی

هرچند آهنربای سرامیکی قدرت مغناطیسی کمتری نسبت به آهنرباهای ساخته‌شده از عناصر کمیاب خاکی دارند، اما مقاومت بالای آنها در برابر دشارژ و هزینه نسبتاً پایین، این آهنرباها را برای استفاده در موتورهای الکتریکی و کاربردهایی با دمای بالا ایده‌آل می‌سازد. آهنرباهای فریت به دلیل عایق بودن در برابر الکتریسیته، به‌خصوص در محیط‌های فرکانس بالا و کاربردهای کم‌هزینه مورد توجه هستند. این آهنرباها برای عملکرد در دماهای بالا مناسب‌ بوده، اما در شرایط بسیار سرد کارایی کمتری دارند.

مزایای آهنربای فریت

مزایای آهنربای سرامیکی موارد زیر است:

مقاومت بالا در برابر خوردگی

آهنرباهای فریت به دلیل ترکیب سرامیکی خود، در محیط‌های مرطوب مقاومت خوبی در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی دارند. این خاصیت آنها را برای کاربردهای بیرونی و محیط‌های مرطوب مناسب می‌کند. همچنین نیاز به پوشش محافظ ندارند و به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند.

• تحمل دمایی بالا

این آهنرباها در دماهای بالا تا 250 درجه سانتیگراد و حتی در شرایط خاص تا 300 درجه سانتیگراد می‌توانند عملکرد مطلوبی داشته باشند. پس برای کارهایی که نیاز به تحمل حرارت دارند، مناسب است. به همین دلیل در صنایع خودروسازی و الکترونیک دمای بالا به کار می‌روند.

• مقاومت در برابر دشارژ شدن

آهنربای سرامیکی حتی در دماهای بالا، مقاومت خوبی در برابر کاهش خاصیت مغناطیسی دارند. این مقاومت با افزایش دمای محیط بهبود یافته و باعث افزایش طول عمر و کارایی مغناطیسی آنها می‌شود. این ویژگی در کاربردهای پایدار مغناطیسی اهمیت زیادی دارد.

• عایق الکتریکی

آهنرباهای فریت رسانای الکتریسیته نیستند و به عنوان عایق عمل می‌کنند و از ایجاد جریان‌های گردابی جلوگیری می‌کند. برای کاربردهای فرکانس بالا و در تجهیزات الکترونیکی ایده‌آل است. در ترانسفورماتورها و سلف‌ها این ویژگی کاربرد دارد.

• قیمت پایین

آهنربای سرامیکی نسبت به آهنرباهای کمیاب خاکی ارزان‌تر هستند. هزینه تولید پایین آنها را به گزینه‌ای اقتصادی برای کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند. از این رو، برای کاربردهای صنعتی کم‌هزینه و انبوه بسیار محبوب هستند.

معایب آهنربای فریت

معایب آهنربای سرامیکی موارد زیر است:

• قدرت مغناطیسی کمتر

آهنربای سرامیکی نسبت به آهنرباهای نئودیمیوم با اندازه مشابه قدرت کششی به‌مراتب کمتری دارند. به طور متوسط، قدرت مغناطیسی آنها حدود هفت برابر کمتر از آهنرباهای کمیاب خاکی است. این موضوع کاربرد آنها را در مواردی که نیاز به نیروی بالاست محدود می‌کند.

• محدودیت در شکل‌های پیچیده

فرآیند تولید آهنربای سرامیکی در شکل‌های پیچیده و دقیق هزینه‌بر و زمان‌بر است. این محدودیت در طراحی، کاربرد آنها را در صنایع با نیازهای خاص پیچیده‌تر می‌سازد. از این رو، برای اشکال ساده‌تر و هندسی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• کاهش خاصیت مغناطیسی در دماهای بسیار پایین

در دماهای کمتر از منفی 20 درجه سانتیگراد، آهنربای سرامیکی به‌طور محسوسی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. این کاهش مغناطیس به اندازه و شکل هندسی آهنربا نیز وابسته است. بنابراین در محیط‌های بسیار سرد استفاده از آنها توصیه نمی‌شود.

ترکیب، ساختار و خصوصیات آهنربای سرامیکی (فریت)

فریت‌ها ترکیبات سرامیکی مغناطیسی هستند و از اکسیدهای آهن ساخته می‌شوند. فریت مانند بیشتر سرامیک‌ها این مواد سخت و شکننده هستند و هدایت الکتریکی ضعیفی دارند. بسیاری از فریت‌ها ساختار اسپینلی با فرمول AB2O4 دارند و در آن A و B نمایانگر کاتیون‌های فلزی مختلف هستند. برخی فریت‌ها نیز ساختار بلوری شش‌ضلعی دارند، مانند فریت‌های باریم و استرانسیم  BaFe12O19 و SrFe12O19. فریت‌ها به سه دسته نرم، نیمه‌سخت و سخت طبقه‌بندی می‌شوند که تفاوت اصلی آن‌ها در میزان مقاومتشان در برابر مغناطیس‌زدایی است.

فریت‌های نرم

این فریت‌ها برای استفاده در هسته‌های الکترومغناطیسی و ترانسفورماتورها مناسب هستند و حاوی ترکیباتی مانند نیکل، روی و منگنز هستند. آن‌ها مقاومت کمی در برابر دشارژ شدن دارند و جهت مغناطش خود را به راحتی تغییر میدهند. به دلیل تلفات کم در فرکانس‌های بالا، از این فریت‌ها در ترانسفورماتورهای RF و آنتن‌های رادیویی استفاده می‌شود.

فریت‌های نیمه‌سخت

فریت کبالت (CoFe2O4) ویژگی‌هایی بین فریت‌های نرم و سخت دارد و در حسگرها و فعال‌کننده‌ها به کار می‌رود. این ماده دارای فشار مغناطیسی اشباع بالا است و با استفاده از فرآیندهای خاصی مانند آنیل کردن یا فشار تک‌محوره، خواص مغناطیسی خود را تنظیم میکند. این فریت‌ها در بهبود اثر مغناطیسی الکتریکی در کامپوزیت‌ها مؤثرند.

فریت‌های سخت

آهنرباهای دائمی از فریت‌های سخت ساخته می‌شوند و پس از مغناطیسی شدن، دارای قدرت مغناطیسی بالا و مقاومت بالا در برابر دشارژ هستند. این فریت‌ها از اکسید آهن، کربنات باریم یا استرانسیم ساخته می‌شوند و برای استفاده در محصولات خانگی مانند آهنربای یخچال‌ها و در موتورهای الکتریکی و دستگاه‌های میکروویو به کار می‌روند. این فریت‌ها ارزان قیمت و مقاوم در برابر خوردگی و رطوبت هستند.

کاربردهای معمول آهن ربای فریت

هسته‌های فریت در سلف‌های الکترونیکی، ترانسفورماتورها و آهنرباهای الکتریکی کاربرد دارند. مقاومت بالای فریت باعث شده که جریان گردابی در آن‌ها به حداقل برسد و تلفات انرژی به مقدار بسیار کمی صورت گیرد. در سیستم‌های کامپیوتری، مهره‌های فریت به عنوان اجزای کوچک در کابل‌ها استفاده می‌شوند تا از ورود یا خروج نویز الکتریکی با فرکانس بالا جلوگیری کنند و تداخل فرکانس رادیویی (RFI) را کاهش دهند.

پودرهای فریت نیز در پوشش‌دهی نوارهای ضبط مغناطیسی به کار می‌روند. همچنین، ذرات فریت در مواد جاذب رادار و پوشش‌هایی و در هواپیماهای جاسوسی یا در کاشی‌های جاذب امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند. در دستگاه‌های صوتی مانند بلندگوها و میکروفن‌ها، بیشتر آهنرباهای صوتی از نوع فریت هستند و در بسیاری از موارد، آهنربای فریت جایگزین ارزان‌تری برای آهنربای آلنیکو هستند.

هگزافریت‌های سخت به عنوان آهنرباهای دائمی در دستگاه‌هایی مانند واشرهای درزگیر یخچال، میکروفن‌ها، بلندگوها و موتورهای کوچک در وسایل بی‌سیم و اتومبیل‌ها استفاده می‌شوند. همچنین، نانوذرات فریتی به دلیل خواص سوپر پارامغناطیسی خود، در زمینه‌های پیشرفته‌ای مانند فناوری‌های نانو و کاربردهای مغناطیسی خاص کاربرد دارد.

سخن پایانی

آهنربای سرامیکی به دلیل هزینه پایین، مقاومت بالا در برابر خوردگی و قابلیت استفاده در دماهای بالا، گزینه‌ای مناسب برای بسیاری از کاربردهای صنعتی و الکترونیکی هستند. این آهنرباها در ترانسفورماتورها، سلف‌ها، بلندگوها و موتورهای کوچک به‌کار می‌روند و به دلیل ویژگی‌های مغناطیسی پایدار و طول عمر بالا در صنعت بکار میرود.

از آن‌جا که قدرت مغناطیسی آنها نسبت به دیگر انواع آهنرباها مانند آهنرباهای نئودیمیوم ضعیف‌تر است، برای کارهایی که نیاز به قدرت مغناطیسی بالا دارند، ممکن است مناسب نباشند. ساخت آن‌ها در اشکال پیچیده هزینه‌بر است و در دماهای خیلی پایین خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند.