Ферромагнетики и ферриты: A potentially dangerous Request.Path value was detected from the client (?).

Содержание

ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРРИТОВ, ОБЛАДАЮЩИХ НИЗКОЙ ТОЧКОЙ МАГНИТО

УДК 541.18:536.7

 

ПОЛУЧЕНИЕ  ФЕРРИТОВ,  ОБЛАДАЮЩИХ  НИЗКОЙ  ТОЧКОЙ

МАГНИТО — ФАЗОВОГО  ПЕРЕХОДА  (ТОЧКОЙ  КЮРИ)

 

Байбуртский Ф. С. 1 , Налётова В. А. 2 , Турков В. А. 2

              

               1. Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН,

                   Российская Федерация,  г. Москва, 119991, ГСП – 1, улица Косыгина, дом 4.

                   Телефон: 8 – (095) – 936 – 17 – 45.   E – mail: [email protected] 

               2. Институт Механики МГУ имени М. В. Ломоносова,

                   Российская Федерация, г. Москва, 119899, Мичуринский проспект, дом 1.

                   Телефон: 8 – (095) – 59 – 74. E – mail: [email protected]

 

Широко известно, что все вещества по отношению к магнитному полю можно разделить на три большие группы: диа-, пара- и ферромагнетики.

Последние характеризуются способ­ностью к самопроизвольной намагниченности, причём относительная магнитная восприим­чивость (коэффициент пропорциональности между намагниченностью вещества и напря­жённостью внешнего магнитного поля) достигает значения около 105. По природе магне­тизма выделяют две группы — собственно ферромагнетики и антиферромагнетики. Ферро­магнетики характеризуются однонаправленным упорядоченным расположением магнитных моментов не спаренных электронов, принадлежащих взаимодействующим атомам, а анти­ферромагнетики имеют две или более магнитные подрешётки,  каждая из которых образо­вана ионами, занимающими одни и те же кристаллографические позиции. Широко распро­странёнными антиферрромагнетиками являются ферриты. У наиболее типичных ферритов со структурой шпинели ионы в тетраэдрических и окаэдрических узлах образуют отдельные подрешётки, а суммарный магнитный момент равен разности магнитных моментов этих под­решёток. Ферриты, как и магнитные сплавы, имеют доменную структуру, высокую магнит­ную проницаемость и типичную гистерезисную кривую намагничивания.
Вместе с тем в от­личие от магнитных сплавов ферритам, как правило, свойственно высокое электрическое со­противление и, как следствие, малые потери энергии при перемагничивании, что делает их незаменимыми в технике высоких и сверхвысоких частот.

Под точкой Кюри обычно понимают точку на кривой фазовых переходов 2-го рода, свя­занных с возникновением (или разрушением) упорядоченного состояния в твёрдых телах при изменении температуры. Чаще всего этот термин употребляют только к переходам в магни­тоупорядоченное (ферро- и ферримагнитное) состояния и в сегнетоэлектрическое состояния.

 

Технология  получения  ферритов   методами  спекания  и  горячего  прессования 

 

Экспериментальные исследования изменения намагниченности насыщения от температуры и состава ферритов содержат важную информацию, необходимую для понимания их физико-химической природы и выяснения возможностей практического применения.

 

I . Получение и исследование свойств феррита состава:

     NiO . Fe2O3 – MgO . Fe2O3 – Al2O3. Fe2O3  [1]

 

Изучение структуры и магнитных свойств ферритов, в состав которых входят немагнит­ные ионы трёхвалентного алюминия, играет важную роль как для развития теории ферро­магнетизма, так и для улучшения параметров ферритовых сверхвысокочастотных устройств.

Известно, что при частичном или полном замещении ионов железа Fe 3 + в никелевом или магниевом феррите ионами Al 3 +

образуются ферриты-алюминаты со структурой шпинели. Однако в подобных соединениях остаются постоянными общее количество трёхвалентных ионов (Fe 3 + + Al 3 +), приходящихся на структурную единицу, и их отношение к числу двух­валентных ионов. Исследование структуры и области существования однофазных растворов ферритов при изменении в их составе общего числа трёхвалентных и двухвалентных ионов значительно расширяет возможности изыскания ферритов с необходимыми свойствами.

В этом отношении изучение системы NiO .Fe2O3– MgO . Fe2O3– Al2O3.Fe2O3 представ­ляет значительный интерес.

Для исследования структуры и физических свойств выше приведённой системы коллекти­вом авторов [1 – 4] были изготовлены из окислов по керамической технологии 66 составов ферритов, равномерно распределённых по концентрационному треугольнику через 10 мо­лярных %. В качестве исходных материалов использовали Fe

2O3, Al2O3, NiO, и MgO, кото­рые предварительно прокаливали при 600°С. После трёхчасового помола на вибромельнице шихту в брикетах обжигали при 900°С, растирали в фарфоровой ступке, просеивали и вновь подвергали помолу. Повторный обжиг в брикетах производили при 950°С в течение одного часа. Спечённые брикеты размалывали вновь на вибромельнице. Из полученного порошка, к которому добавляли связку (10 % от общего веса 10%-ного водного раствора поливинило­вого спирта), формовались образцы под давлением 2,5 Т/см2. Спекание образцов произво­дили в воздушной атмосфере при 1370°С в течение 4 часов с охлаждением до 110°С со ско­ростью 50°C/час и последующим охлаждением до комнатной температуры вместе с печью. Усадка линейных размеров образцов после спекания составляла 8 – 15 %.  Измерение маг­нитного насыщения при различных температурах (от азотной до точки Кюри) производилось по методу выталкивания [2].

Анализ полученных значений зависимости намагниченности насыщения образцов ферри­тов от температуры эксперимента показал, что увеличение в исследованных ферритах со­держания феррита-алюмината Al2O3. Fe2O3 понижает магнитное насыщение, за исключе­нием составов, в которых обнаруживается присутствие MgO . Fe2O3 – Al2O3. Fe2O3, для кото­рых величина намагниченности остаётся практически постоянной. При составе феррита   NiO . Fe2O3 – MgO . Fe2O3 уменьшение намагниченности насыщения происходит примерно про­порционально содержанию Al

2O3. Fe2O3.

Замещение в магниевом феррите немагнитных ионов магния немагнитными же ионами алюминия не должно изменять молекулярного магнитного момента, если не происходит пе­рераспределения ионов железа. Феррит никеля имеет структуру обращённой шпинели Fe[NiFe]O4. Замещение магнитных ионов Ni 2 + немагнитными ионами Al 3 + приводит к на­блюдаемому  уменьшению магнитного насыщения ферритов.

Из проведённого эксперимента следует, что для ферритов состава (1 – X ) .NiO . Fe2O3 –         X Al2O3.Fe2O3 температурный коэффициент магнитного насыщения (dJ/dT) по модулю уменьшается с увеличением X, а для ферритов с содержанием более 30 молярных %        Al2O3.

Fe2O3 при низких температурах принимал положительные значения.

Из анализа приведённых кривых следует, что при низких температурах у ферритов с со­держанием Al2O3. Fe2O3 более 30 % изменение соотношения NiO . Fe2O3 и MgO . Fe2O3 при­водит к изменению температурного коэффициента намагниченности от отрицательных зна­чений к положительным.

Вид кривой температурной зависимости намагниченности ферритов зависит от парамет­ров обменного взаимодействия и парциальных намагниченностей магнитных подрешёток. По Неелю, для ферритов с положительным (при низких температурах) температурным ко­эффициентом намагниченности взаимодействие ионов, расположенных в тетраэдрических промежутках, должно быть слабее, чем в октаэдрических промежутках. При этом намагни­ченность октаэдрической подрешётки при абсолютном нуле должна быть больше намагни­ченности подрешётки тетраэдрической А.

Наличие в системе NiO .Fe2O3 – MgO . Fe2O3 – Al2O3.Fe2O3 ферритов с изменяющимся по знаку температурным коэффициентом магнитного насыщения представляет и практический интерес для применений в ферритовых устройствах, требующих в некотором интервале тем­пературной стабильности величины dJ/dT. Например, у феррита, соответствующего составу 0,5 NiO . Fe2O3 – 0,5 Al2O3 . Fe2O3, намагниченность в интервале от – 40 до 100°С изменяется не более, чем на 5%.

По кривым зависимости магнитного насыщения ферритов от температуры была опреде­лена точка Кюри. В двойной системе никелевого феррита и феррита-алюмината                             (1 – Х) NiO

.Fe2O3 – Х Al2O3.Fe2O3 температура Кюри понижалась почти линейно с ростом Х. В исследованной системе ферритов точка Кюри изменялась в зависимости от состава от 380 до 600°С.

Ферриты, составы которых соответствовали двухфазной области системы NiO .Fe2O3 –   MgO . Fe2O3 – Al2O3.Fe2O3, обладали в основном низкой удельной намагниченностью насы­щения (2 Гс . см3 / г) и точкой Кюри 300 – 400°С. Однако для ферритов состава                      (1 – Х) MgO .Fe2O3 – Х Al2O3.Fe2O3 при Х = 0,8 и Х = 0,9 удельная намагниченность насыщения имела порядок 25 Гс

. см3/г, тока Кюри составила 550°С.

 

II . Получение и исследование свойств феррита состава:

       MgO . Fe2O3 – MnO . Fe2O3 – ZnO . Fe2O3. [3]

 

Настоящее исследование было посвящено систематическому изучению изменения темпе­ратур Кюри и температурной зависимости магнитного насыщения в функции состава маг­ний-марганец-цинковых ферритов.

Исследование свойств ферритов тройной системы MgO .Fe2O3 – MnO . Fe2O3 – ZnO .Fe2O3 стехиометрического состава представляет значительный интерес. В изучаемой тройной сис­теме имеет место изменение степени обращённости в широких пределах – от почти нормаль­ных феррита цинка и феррита марганца до практически обращённого феррита магния.

Многие составы исследованной системы лежат в основе промышленных композиций.

Температуры Кюри, магнитное насыщение и его температурная зависимость являются важными характеристиками ферритов как ферромагнитных материалов и как величины, имеющие фундаментальное значение для познания их физико-химической природы. В част­ности, представляет большой интерес установление корреляций между величинами темпера­тур Кюри и температурным ходом кривых магнитного насыщения.

Для измерений магнитного насыщения были изготовлены образцы в виде цилиндров диа­метром 9 и длиной 25 мм по обычной керамической технологии, описанной в предыдущем примере.

Измерения магнитного насыщения производились путём выталкивания образцов из меж­полюсного зазора электромагнита или путём их вталкивания по методу Штеблейна – Шре­тера [4]. Измерение магнитного насыщения каждого из исследуемых составов ферритов при всех температурах производилось на одном и том же образце. Точность измерения состав­ляла 2 % при комнатной температуре и 5 % при температурах выше 373 К. Измерения, как правило, контролировали с помощью эталона, изготовленного из электролитического ни­келя.

Были исследованы кривые изменения магнитного насыщения в зависимости от темпера­туры для лучевого сечения с постоянным отношением 1:1  феррита магния к ферриту мар­ганца и бинарных систем MgO . Fe2O3, MnO . Fe2O4, ZnO .Fe2O4.

Анализ температурной зависимости магнитного насыщения исследованных ферритов свидетельствует о том, что эта зависимость, как правило, отличается от закона Кюри — Вейсса.

Как видно из приведённого эксперимента, с увеличением содержания феррита цинка воз­растает отклонение температурного хода магнитного насыщения от теоретического, описы­ваемого законом Кюри — Вейсса. В двойной системе MgO . Fe2O3 – ZnO . Fe2O3 отклонение температурного хода магнитного насыщения от теоретической кривой сначала возрастает с увеличением содержания феррита цинка, а затем уменьшается.

В свою очередь отклонение температурного хода кривых магнитного насыщения от тео­ретической кривой для составов MnO . Fe2O3 – ZnO . Fe2O4 с увеличением содержания фер­рита цинка до 30 молярных % уменьшается, а затем увеличивается.

Общий характер изменения  магнитного насыщения в зависисмости от состава в иссле­дуемой тройной системе был исследован при температурах 77, 293 и 373 К. Область наи­больших значений магнитного насыщения 6400 (Гс) расположена ближе к марганец-цинко­вой стороне с изменением содержания феррита цинка от 32 до 52 молярных %.

Область наибольших значений магнитного насыщения при комнатной температуре распо­ложена почти параллельно магний-марганцевой стороне, снижаясь по абсолютному значе­нию по мере возрастания содержания феррита магния.

С повышением температуры ход изолиний магнитного насыщения остаётся почти неиз­менным, однако область наибольших значений смещается к магний-марганцевой стороне, преимущественно к ферриту марганца.

По кривым температурной зависимости магнитного насыщения были определены темпе­ратуры Кюри ферритов исследуемой системы. Область наибольших значений температур Кюри, превышающих 643 К, расположена почти параллельно стороне магний-марганцевых ферритов в пределах концентраций 0,15 MnO . Fe2O3, 0,55 MgO . Fe2O3,          0,15 ZnO . Fe2O3. С увеличением содержания цинка линии равных температур Кюри проходят почти парал­лельно магний-марганцевых ферритов к ферриту цинка. Ферриты, концентрация которых лежит в области 15 молярных % феррита магния, 30 молярных % феррита марганца и 57 мо­лярных % феррита цинка, имеют температуру Кюри 373 К. По-видимому, их повышенные температуры Кюри связаны с отклонением ферритов от стехиометрического состава, обу­словленного режимом спекания и охлаждения.

 

Библиографический список:

 

1. Сирота Н. Н., Дробь И. М. Сборник «Ферриты», Наука и техника, Минск, 1968, C.122 — 132.

2. Сирота Н. Н., Павлов В. И. Сборник «Ферриты и бесконтактные элементы», издательство

    АН БССР, Минск, 1963, С.127 — 128.

3. Сирота Н. Н., Павлов В. И., Смолякова Л. Е. Сборник «Ферриты», Наука и техника, Минск,

    1968, C.204 — 208.

4. Сирота Н. Н., Павлов В. И., Смолякова Л. Е. Сборник «Физические и физико-химические

     свойства ферритов», издательство АН БССР, Минск, 1963, С. 150 – 152.

 

Технология получения ферритов методом химического соосаждения.

 

I. Основы получения ферритов методом химического соосаждения.

 

Получение магнитных частиц с предполагаемой низкой точкой температурно-фазового перехода (точкой Кюри-Нееля) осуществляли методом соосаждения солей металлов в ще­лочной среде в виде их окисей с последующим высушиванием в эксикаторе или специальном сушильном шкафу.

В настоящем исследовании нами были получены частицы сложных ферритов на основе магнетита, где ионы двухвалентного железа были полностью или частично замещены на ионы металлов (магнитных или немагнитных), введение которых существенно влияло на  поведение в магнитном поле при различных температурах.

Широко известно получение магнетита из растворов солей двух- и трёхвалентного железа (например, FeCl2 и FeCl3) их соосаждением в щелочной среде. Эта реакция позволяет полу­чать достаточно высокодисперсные частицы магнетита (Fe3O4) с диаметром от 10 до 20 на­нометров. Она была описана немецким учёным В. Элмором [1] и позволяет использовать в качестве осадителей как концентрированные растворы щелочей (например, NaOH или KOH), так и водный раствор аммиака (NH4OH, 25 массовых %). Так называемый низкотемператур­ный синтез ферромагнитных (точнее — ферримагнитных) частиц может быть описан уравне­ниями:                       

2FeCl3 + FeCl2 + 8NaOH = Fe3O4  + 8NaCl + 4H2O.

или

2FeCl

3 + FeCl2 + 8NH4OH = Fe3O4 + 8NH4Cl  + 4H2O

Процесс получения магнетита совершенно не требует дополнительных затрат энергии, то есть он протекает при обычной температуре (20 – 25°С). При получении ферритов такого класса необходимо лишь соблюдать соотношение двух- и трёхвалентного железа. Он должно быть Fe 3 + / Fe 2 + = 2 / 1. Очень важным условием проведения реакции является избыток применяемого осадителя (примерно, десятикратный, по объёму или концентрации) и интен­сивное перемешивание реакционной смеси.

В случаях получения сложных ферритов [2, 3, 4] ионы двухвалентного железа Fe2+ могут быть полностью или частично замещены ионами других металлов, но с непременным со­блюдением  того же соотношения Fe 3 + / (Fe 2 + + Me 2 +) = 2 / 1 или Fe 3 + / Me 2 + = 2 / 1. В та­ких случаях мы применяли соли цинка (ZnCl2), никеля (NiCl2), кобальта (CoCl2) или мар­ганца (MnCl2), а в качестве осадителей использовали концентрированные растворы щелочей NaOH или KOH для достижения наиболее полной сокристаллизации оксидов разных метал­лов. Было отмечено, что наиболее качественные осадки ферритов получаются при дополни­тельном прогревании реакционной массы на водяной бане при температуре  80 – 90°С в те­чение двух часов и интенсивном перемешивании. В ходе реакции осаждения происходило так называемое «созревание» осадков, что отмечалось постепенным переходом его окраски от тёмно-коричневой до чёрной (как у магнетита). В результате нами были получены фер­риты следующих составов: ZnXFe1-XFe2O4 и ZnFe2O4, NiXFe1-XFe2O4 и NiFe2O4, CoXFe1-XFe2O4 и CoFe2O4, MnXFe1-XFe2O4 и MnFe2O4, что можно выразить уравнениями реакций: 

 

2FeCl3 + xZnCl2 + (1 – x) FeCl2 + 8NaOH ® ZnXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O.

2FeCl3. 6H2O + ZnCl2 +  8NaOH ® ZnFe2O4¯ + 8NaCl  + 16H2O

 

2FeCl3 + xNiCl2 + (1– x) FeCl2 + 8NaOH ® ZnXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 20H2O.

2FeCl3 + NiCl2  +  8NaOH ® ZnFe2O4¯ + 8NaCl  + 20H2O

 

2FeCl3 + xCoCl2 + (1– x) FeCl2 + 8NaOH ® CoXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O.

2FeCl3 + CoCl2 +  8NaOH ® CoFe2O4¯ + 8NaCl  + 4H2O

2FeCl3 + xMnCl2 + (1– x) FeCl2 + 8NaOH ® MnXFe1-XFe2O4¯ + 8NaCl + 4H2O.

2FeCl3 + MnCl2 +  8NaOH ® MnFe2O4¯ + 8NaCl  + 4H2O

 

II. Методика получения дисперсных частиц сложных ферритов:

1.     Для получения необходимых дисперсных частиц сложных ферритов методом химиче­ского соосаждения солей из их водных растворов совершенно не требуется сложного до­рогостоящего химического оборудования.

2.     Приготовили водные растворы солей FeCl3.6H2O, FeCl2. 4H2O, NiCl2. 6H2O, CoCl2. 6H2O и MnCl2.4H2O с концентрацией 0,5 М.

3.     Приготовили водный раствор щёлочи NaOH с концентрацией 10 M.

4.     Все растворы были отфильтрованы через бумажные фильтры на воронках Бюхнера от механических примесей.

5.     Аликвоту 0,5 M водного раствора FeCl3. 6H2O объёмом 20 мл отбирали пипеткой и вно­сили в колбу ёмкостью 250 – 300 мл.

6.     Аликвоту 0,5 М водного раствора одной из солей металлов МеCl2. nH2O объёмом 10 мл отбирали пипеткой и вносили в ту же колбу (когда планировали получение ферритов со­става MeFe2O4). В другом случае отбирали аликвоту того же раствора объёмом 5 мл и до­бавляли аликвоту водного раствора FeCl2. 4H2O объёмом 5 мл (когда планировали полу­чение ферритов состава MeXFe1-XFe2O4).  В обоих случаях соотношение Fe 3 + / Me 2 + или Fe 3 + /   (Fe 3 + + Me 2 + ) выдерживалось равным 2 / 1 по объёму или концентрации.

7.     Смесь растворов титровали избытком водного щелочного раствора NaOH (объёмом 30 мл) с концентрацией 10 М. Титрование проводили при спокойном перемешивании реак­ционной смеси. Образующиеся осадки имели тёмно-коричневую окраску.

8.     По окончании титрования сильно-щелочные осадки вместе с надосадочной жидкостью в переливали фарфоровый стакан ёмкостью около 200 мл и при спокойном перемешивании прогревали на водяной бане при температуре 80 – 90°С в течение двух часов. По мере прогревания тёмно-коричневые осадки постепенно приобретали чёрный цвет.

9.      «Созревшие» магнитные осадки после охлаждения многократно промывали сначала обычной, а затем дистиллированной водой, с непременной магнитной декантацией (оса­ждением массы частиц магнитного осадка в поле постоянного керамического магнита с магнитной индукцией 200 мТл).

10.  Отмытый до рН = 7,5 – 8,0  (устанавливали по светло-зеленоватой окраске индикаторной бумаги, смоченной маточным раствором или по показаниям рН-метра) ферритовый оса­док отделяли от жидкой фазы с помощью бумажного фильтрования на воронке Бюхнера.

11.  Осадок вместе с бумажным фильтром осторожно отделяли от воронки Бюхнера и перено­сили в специальные фарфоровые чашки для выпаривания. Влага из осадков удалялась её постепенным выпариванием в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение двух часов.

12.  Высушенные осадки  полученных ферритов размалывались в фарфоровой ступке до по­рошкообразного состояния и предавались на дальнейшие исследования (рентгенофазо­вый анализ, мёссбауэровскую спектроскопию, магнитометрию и дериватографию).

 

Библиографический список:

 

1.     Elmore W. C. On preparation of the magnetite high dispersed // Phys. Rev., 1938, V.54, P. 309.

2.     Atarashi T., Imai T., Shimoiizaka I.. On preparation of the colored water-based magnetic fluids // J. Mag. Mag. Mat., 1990, V.85, P. 3 – 6.

3.     Upadhyay T., Upadhyay R.V., Mehta R.V., Goyal P.S., Aswal V.K. Preparation of ferrite particles with a small point of Curi — Neel. // Phys. Rev.,1997, V. B 55, P. 5585.

4.     Upadhyay R.V., Mehta R.V., Kinnari Parekh, Srinivas D., Pant R.P. Gd-substituted ferrite ferrofluid: a possible candidate to enhance pyromagnetic coefficient // J. Mag. Mag. Mat. 1999, V.201, P.129 – 132.

 

Технология получения ферритов криохимическим методом.

 

Криохимическая технология твёрдофазных материалов уникальная в том смысле, что она применима к самым разнообразным многокомпонентным однофазным и многофазным мате­риалам с высокой химической, гранулометрической и структурной однородностью, включая металлы и сплавы, керамику и композиты. Вместе с тем эта технология обладает специфиче­скими особенностями, обусловленными функциональным характером материала. Поэтому наряду с особенностями технологии можно рассматривать и специфику конкретных мате­риалов [1 – 7].

Многие магнитные свойства ферритов (например, коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость) являются структурно-чувствительными, то есть су­щественно зависят от керамической структуры материала включая размер и форму кристал­литов, размер форму и распределение пор. Поэтому  проблема получения ферритов с необ­ходимыми и хорошо воспроизводимыми свойствами сводится в значительной мере к полу­чению материалов с определённым химическим составом и определённой керамической структурой. С этой точки зрения криохимическая технология обладает огромными преиму­ществами, поскольку позволяет смешивать компоненты (на стадии приготовления раствора) с высокой точностью, исключая потери их при синтезе (особенно при использовании субли­мационной сушки) и стабилизирует физико-химическую предысторию материала, так как за­рождение кристаллических фаз в микрообъёмах вещества происходит в идентичных усло­виях (стадия сокристаллизации). Благодаря этому значительно возрастает воспроизводи­мость свойств получаемых материалов, увеличивается выход годных изделий, повышаются их эксплуатационные характеристики, отпадает необходимость вводить коррективы в техно­логический процесс и так далее. Последнее наиболее важно, так как  открывает возможности к автоматизации как отдельных технологических стадий, так и всего процесса получения ферритовых (а в равной мере и других) материалов, делает его гибким, способным к выпуску быстро изменяющегося ассортимента продукции [1, 2].

Наиболее распространённым сырьём в криохимической  технологии ферритов являются сульфаты, причём с одинаковым успехом могут быть использованы как сульфаты, образую­щиеся между собой твёрдые растворы, так и дающие после криокристаллизации механиче­ские смеси. Водные растворы практически всех сульфатов имеют высокие значения эвтекти­ческих температур, что облегчает применение сублимационной сушки. Кроме того, боль­шинство сульфатов практически не растворяется в органических экстрагентах, что даёт воз­можность использовать криоэкстрагирование в технологических процессах [3, 4].

Промышленная технология получения ферритовых материалов включает следующие про­цессы:

1)    Приготовление растворов индивидуальных сульфатов путём растворения их в воде,

      подкисленной серной кислотой до рН  1,5. ..2,0. С практической точки зрения удобнее

      использовать растворы, близкие к насыщенным, при комнатной температуре.

2)    Приготовление смешанного раствора путём строгого дозирования индивидуальных

      растворов, предварительно подвергнутых анализу на содержание основного вещества.

3)   Диспергирование раствора с помощью пневматической форсунки при избыточном

      давлении воздуха » 2 . 105 Па c с получением полидисперсных капель размером от 50

      до 150 мкм. 

4)  Замораживание диспергированного раствора в жидком азоте, помещаемом в специальный

      реактор с теплоизолирующими экранами.

5)  Загрузка рабочего камеры сублимационной установки суспензией, состоящей из

      криогранулята и жидкого азота. Для сублимационного обезвоживания чаще всего

      используют сублиматоры типа ТГ — 15, ТГ — 50 или им подобные с производительностью

     от 15 до 50 кг и более в расчёте на массу сублимируемого льда.

6)  Сублимационное  обезвоживание криогранул при давлении Р ( 1,5 Па и температуре от

       230 К (начало процесса) до 350 К (в конце сушки). Изменение температурного режима

       достигается за счёт теплоподвода на рабочие плиты по заданной прогамме, позволяющей

       избежать макроплавление криогранулята.

7)  Выгрузка солевого продукта из сублиматора и упаковка его в герметичные

      полиэтиленовые пакеты.

8) Термическое разложение солевой массы в электропечах конвейерного типа, обеспеченных

     системой поглощения и утилизации выходящих газов. Процесс протекает при

     температурах 1120…1220 К в течение 20…60 минут.

9) Удаление водорастворимых примесей (в частности, сульфатов и хлоридов щелочных и

     щелочно-земельных металлов) путём обработки ферритового порошка дистиллированной

     водой при 3 — 4 — кратном её избытке и температуре, близкой к кипению.

10) Ультразвуковая обработка водной суспензии ферритового порошка с целью дезагрегации

      агломератов частиц, образующихся на предыдущих стадиях. Продолжительность

      процесса не превышает 15 минут при частоте ультразвукового воздействия 15…20 кГц.

11) Сушка ферритового порошка при температурах 353…373 К до остаточной влажности не

      больше 2 массовых %.

12) Формование деталей заданной геометрической конфигурации из приготовленного пресс-

      порошка с добавлением поливинилового спирта при давлениях, не превышающих 8 . 10 8

      Па / см 2.

13) Спекание ферритовых заготовок при температурах 1420…1520 К, определяемых

      химическим составом керамики и требуемым размером кристаллитов.

Иногда процесс спекания заменяют горячим прессованием, позволяющим получить мел­кокристаллическую керамику с повышенной плотностью.

Данная технология была использована для получения Mg — Mn — ферритов с прямоуголь­ной петлёй гистерезиса и Ni — Zn — ферритов, предназначенных для изготовления магнитных головок, применяемых в устройствах магнитной звуко- и видеозаписи.

Сульфаты как исходный материал в  криохимической технологии магнитной керамики использовались также для получения литий- и барийсодержащих ферритов. В первом случае значительные трудности возникали из-за термической стабильности сульфата лития, плавя­щегося без разложения, а во втором — исключительно низкой растворимости сульфата бария. Эти трудности удалось обойти, используя так называемую смешанную технологию, в кото­рой все компоненты ферритовой композиции, кроме оксидов лития или бария, синтезируют криохимическим способом, а полученную оксидную матрицу смешивают с карбонатом ли­тия или бария и проводят ферритизацию при повышенных температурах. Таким образом, были получены ферритовые материалы состава: Li0,464Na0,036Fe2,5O4,                                Li0,467Na 0,036Co0,002Ti0,007Fe2,488O4, Li0,503Na0,034Ti0,075Fe2,388O4 и гексаферрит бария BaFe12O19.   

Литийсодержащие ферриты могут быть также получены с использованием либо комплекс­ных водорастворимых оксалатов в виде твёрдых растворов                                                 (NH4)3 – ХLiХFe(C2O4)3. 3H2O, либо с помощью эффективного приёма «криопропитки»: оксидную матрицу смешивают с раствором оксалата лития, получая суспензию, которую быстро замо­раживают и подвергают сублимационной сушке. Этот способ весьма перспективен для син­теза материалов, содержащих легирующие добавки. Например, для снижения температур спекания и получения высокоплотных ферритов иногда применяют легкоплавкие добавки типа Bi2O3, V2O5, которые вводят в однофазный ферритовый порошок. Количество добавки играет существенную роль, поскольку она является немагнитной и может существенно сни­жать электромагнитные характеристики ферритов. Поэтому приём криопропитки, позво­ляющий уменьшить содержание вводимой добавки благодаря более однородному распреде­лению её по поверхности частиц порошка, улучшает магнитные характеристики материала.

Иногда предпочтительней использовать не сульфатные или оксалатные растворы, а рас­творы нитратов. Дело в том, что растворимость нитратов намного выше, чем других солей, что и позволяет повысить производительность процесса в целом. Однако низкие значения эвтектических температур плавления замороженных растворов нитратов требуют снижения температур при сублимации льда, чтобы избежать плавления криогранул. Использование приёма криоэкстрагирования также ограничено ввиду более высокой растворимости нитра­тов в органических экстрагентах. Поэтому, если невозможно использовать другие соли, то следует прибегнуть к методу криоосаждения. Так, при синтезе иттрий-железного граната в качестве исходных солей использовали нитраты и водный раствор аммиака, охлаждённый до 243 К. Полученные осадки гидроксидов отмывали от нитрат-ионов и подвергали термообра­ботке. При этом удалось добиться снижения температуры получения однофазного феррогра­ната с 293 К (осаждение при комнатной температуре) до 273 К. Однако, часто присушке осадков на воздухе происходило их интенсивное комкование, что требовало дополнитель­ного помола в измельчающих аппаратах. Это являлось крайне нежелательным, так как ис­пользование помольногооборудования приводило к неконтролируемому загрязнению синте­зируемых материалов. Явления комкования избегали, проводя сушку в вакууме. Для этого после промывания осадка готовили водную суспензию и замораживали её, приливая жидкий азот. Полученную массу помещали в сублиматов и проводили сублимационную сушку при достаточно интенсивном энергоподводе, на что уходило 2…4 час. Высушенный продукт об­ладал высокой дисперсностью и не слёживался при длительном хранении [5, 6, 7].

 

Библиографический список:

 

1. Третьяков Ю. Д. Твёрдофазные реакции. — М.: Химия, 1978.

2. Левин Б. Е., Третьяков Ю. Д., Летюк Л. Ф. Физико-химические основы получения,

    свойства и применение ферритов. — М.: Металлургия, 1979.

3. Криохимия (под редакцией М. Московица и Г. Озина). — М.: Мир, 1979.

4. Осипов К. А. Аморфные и ультрадисперсные кристаллические материалы.

    М.: Наука, 1972.

5. Беляков В. П. Криогенная техника и технология. — М.: Энергоиздат, 1982.

6. Сергеев Г. Б., Батюк В. А. Криохимия. — М.: Химия, 1978.  

7. Третьяков Ю. Д., Олейников Н. Н., Можаев А. П. Основы криохимической технологии.

    М.: Высшая школа, 1987.

 

Ферримагнетики — Энциклопедия по машиностроению XXL

Большинство ферримагнетиков относятся к ионным кристаллам и поэтому обладают низкой электропроводностью. В сочетании с хорошими магнитными свойствами (высокая магнитная проницаемость, большая намагниченность насыщения и т. д.) — это важное преимущество по сравнению с обычными ферромагнетиками. Именно это качество позволило использовать ферриты в технике сверхвысоких частот, где они произвели -целый переворот. Обычные ферромагнитные материалы, обладающие высокой проводимостью,  [c. 342]
В заключение отметим, что обменное взаимодействие в анти-ферро- и ферримагнетиках является косвенным. В обменном взаимодействии принимают участие электроны магнитно нейтральных ионов кислорода, серы и т. п., расположенных между магнитными ионами.  [c.343]

I. Магнитотвердые ферримагнетики 1) с большой коэрцитивной силой — исполнительные двигатели, поляризованные реле, аппаратура сигнализации, магнитные линзы 2) эластичные (резиновые) композиции — магнитные линзы, стопоры, герметизаторы, фиксаторы, подвижные магниты измерительных приборов.  [c.179]

II. Магнитомягкие ферримагнетики 1) с малой коэрцитивной силой — магнитные уси-  [c.179]

Классификация веществ по магнитным свойствам. По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диа-магнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).[c.14]

Ферримагнетики — это кристаллические вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля,  [c.8]

М. э, играет определяющую роль при образовании доменной структуры см. Магнитная доменная структура), а также магнитостатических волн в ферро-II ферримагнетиках. Она существенно влияет и на формирование структуры доменных стенок в тонких магнитных плёнках (см., напр., Нееля стенка).  [c.6]

I. Кривая первого (первоначального) и а-магничивания (КПН) получается при Н. ферро- или ферримагнетика из полностью размагниченного состояния монотонно возрастающим от нуля магн. полем, причём направление последнего относительно намагничиваемого тела остаётся неизменным. На КПН можно выделить пять участков, на каждом из к-рых преобладает определ. механизм Н. Участок 1 (рис.)  [c.242]

О К до некоторой критической 0n, называемой температурой Нееля. Если при антипараллельной ориентации локализованных магнитных моментов результирующая намагниченность кристалла равна нулю, то имеет место антиферромагнетизм. Если при этом полной компенсации магнитного момента нет, то говорят о ферримагие-тизме. Различные типы магнитного упорядочения иллюстрируются рис. 10.13. Наиболее типичными ферримагнетиками являются ферриты— двойные окислы металлов состава МО-РеаОз, где М — двухвалэнтный металл (Mg=+, Zn +, u +, Ni»+, Fe +, Mn +).  [c.341]


Если В антиферромагнетике магнитные моменты атомов, направленные на встречу друг другу, неполностью взаимно компенсируются, то о данном явлении говорят как о веско мпенсированном антиферромагнетизме (ферри-магнетизме). Степень нескомпенсированности у различных ферримагнитных веществ неодинакова. Так, например, ферримагнетики типа Ее20з-Ы10 и ЕегОз-МпО, относящиеся к классу ферритов, обладают Сильным ферромагнетизмом.  [c.152]

Магнитные свойства. Среди магнитоупорядоченных материалов в особую группу выделяют ферримагнетики, или, иначе, ферриты. В отличие от простых ферромагнетиков, или антиферромагнетиков, характерной особенностью которых является расположение магнитных атомов в трансляционно-эквивалентных узлах, к ферримагнети-кам относят материалы, в которых имеются неэквивалентные в кристаллографическом и (или) в магнитном отношении подрешетки. При таком определении ферри-магнетизма ферромагнетик представляет собой частный Jiy4afl ферримагнетика с одной магнитной подрешеткой, а простой антиферромагнетик — частный случай ферримагнетика с двумя эквивалентными подрешетками. Наличие неэквивалентных подрешеток определяет богатство магнитных свойств ферримагнетиков, отличающихся от свойств ферро- и антиферромагнетиков, хотя при определенных условиях можно найти общие черты среди этих различных групп магнетиков.[c.707]

Магнитные свойства ферримагнетиков были впервые объяснены Неелем fl] на основе двухподрешеточной модели, предложенной им для ферритов со структурой шпинели (см. ниже), в которой магнитные ионы занимают тетраэдрические позиции (узлы Л) и октаэдрические позиции (узлы В), Основным взаимодействием является антиферромагнитное (отрицательное) взаимодействие между ионами из различных подрешеток, что вызывает  [c.707]

Поведение величины Ms в зависимости от температуры и поля может носить более сложный характер, чем в ферромагнетиках, так как характер изменения Мл и. Иа с температурой и с полем может быть различным. Так, при повышении температуры может быть монотонное уменьшение Ms и обращение A Is в нуль в точке Кюри Тс, выше которой вещество парамагнитно, хотя па-рамашитная восприимчивость изменяется с температурой по закону, отличающемуся от закона Кюри для простых парамагнетиков. При повышении температуры в области ниже Тс возможно также увеличение спонтанной намагниченности в определенном температурном интервале, Для некоторых ферритов, в частности для многих редкоземельных ферритов — гранатов (см. табл. 29.15 и рис, 29.22), существует температура компенсации Гкомп. при которой намагниченности подрешеток становятся одинаковыми и результирующая намагниченность обращается в нуль. Появление точки компенсации возможно также при изменении состава ферримагнетика. например в иттрий-железо-галлиевых гранатах.  [c.707]

Перейдем теперь к описанию проблем, составляющих основу магнитоупругости. Исследование взаимодействия магнитного поля с упруго-деформируемыми электропроводящими телами составляет предмет магнитоупругости. Укажем лишь некоторые из них магнитострикционная деформация кристаллических тел пьезомагнетизм магнитоупругость тел, обладающих свойством магнитной поляризуемости задачи индукционного нагрева тел задачи разрушения тел под действием импульсных электромагнитных полей и др. Перечисленные проблемы возникают, в частности, при создании импульсных соленоидальных катушек, магнитогидродинамических ускорителей, различных типов магнитокумулятивных генераторов при управлении движением плазмы и во многих других прикладных задачах, где влияние магнитного поля существенно сказывается на деформации твердого тела. Более сложными задачами магнитоупругости являются задачи взаимодействия с электромагнитным полем материалов, обладающих свойством магнитной поляризуемости (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики). Это объясняется, прежде всего, отсутствием простых фундаментальных з -  [c.239]

Таким образом, ферримагнитные материалы внешне проявляют ферромагнетизм. Выше точек Кюри и Нееля антиферромагнетики, ферромагнетики и ферримагнетики становятся парамагнетиками. При низких температурах ферримагнетики так же, как и ферромагнетики, имеют большую самопроизвольную намагниченность. С повышением температуры намагниченность ферримагнетиков может изменяться не монотонно. Примером ферримагнит-ного материала является магнетит (магнитный железняк) или двойная окись железа (класс веществ — окислов, называемых ферритами).  [c.68]


К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипарал-лельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т. е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри.  [c.87]

Ферримагнетик — кристаллическое вещество, магнитную структуру которого можно представить в виде двух или более подреше-ток, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.  [c.267]

Допустим, что соотношения между ординатами кривых fi au i и макс 2 при различных температурах для какого-то феррита такие, как это показано на рис. 9-11, а. Тогда при некоторой температуре ниже точки Кюри получится компенсация, и результирующая индукция насыщения В акс образца станет равной нулю. Эту точку называют точкой компенсации /коып- За точкой компенсации индукция в образце ферримагнетика меняет знак и затем становится равной напряженности внешнего поля (которое мало и в масштабе чертежа близко к нулю) в точке Кюри. У различных ферримагне-тнков точка компенсации может быть, а может и отсутствовать, как это видно, например, из рис. 9-11, б.  [c.274]

Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала. Как видно из рис. 9- 9, высокие значения р..(, достигаются на довольно узком участке тронной диаграммы. Применяющиеся в технике ферриты называют оксиферами, желая подчеркнуть, что они представляют собой сло.жные оксидные ферримагнетики, что, конечно, более правильно, однако первое название нолучилэ большее распространение. За рубежом для некоторых типов ферритов употребляется название феррокскуб , подчеркивающее кубическое строение решетки этим материалов.  [c.284]

Плоскополяриаованное колебание Е можно представить в виде двух круговых противоположно направленных колебаний (рис. 11.21, а) Е,, поляризованного по кругу вправо, и Еа, поляризованного по кругу влево. В каждый момент времени эти составляющие образуют с плоскостью колебаний АА равные углы и в сумме дают вектор Е, лежащий в этой плоскости. Если такие колебания попадают в среду, в которой скорость распространения право-и левополяризованной составляющих оказывается неодинаковой, например е, плоскостью колебаний ВВ, повернутой относительно начального положения этой плоскости АА на угол 6/2 в направлении вращения более быстро распространяющегося колебания Ej (рис. 11.21, б). Такое явление поворота (вращения) плоскости колебаний или соответственно плоскости поляризации плоскополяризованной электромагнитной волны происходит при прохождении ее через намагниченный ферро- и ферримагнетик в направлении приложенного намагничивающего поля Н (в продольном магнитном поле). Это явление было открыто Фарадеем и называется эффектом Фарадея В металлических ферромагнетиках, сильно поглощающих электромагнитные волны, явление Фарадея можно наблюдать лишь в тонких пленках. В ферритах с высоким удельным электрическим сопротивлением, слабо поглощающим энергию электромагнитной волны, эффект Фарадея может быть реализован в образцах длиной в  [c.307]

ВОЛНА бегущая—распространение возмущения в среде ВОЛНА (световая — электромагнитное излучение, содержащее в своем составе синусоидальные электромагнитные волны с длинами волн в диапазоне 0,4…0,76 мкм синусоидальная—распространение в среде гармонических колебаний какой-либо физической величины, происходящих со строго определенной частотой спиновая — волна нарушений спинового порядка в магнитоупорядоченной среде (ферромагнетике, ферримагнетике и антиферромагнетике) ударная — распространение в среде области, внутри которой давление резко повышено по сравнению с давлением в соседних областях уединенная — волна с устойчивым профилем в нелинейной диспергирующей среде, ведущая себя подобно частице цилиндрическая— волна, имеющая цилиндрический волновой фронт) ВОЛНЫ [вторичные — волны электромагнитные, излучаемые молекулами в процессе вынужденных колебаний той же частоты, что и падающий свет гравитационные — поверхностные волны, в которых основную роль играет сила тяжести или свободное гравитационное поле, излучаемое ускоренно движущимися массами де Бройля — волны, связанные с любой движущейся частицей и отражающие ее квантовую природу инфразнуковые — волны звуковые с частотой у[c. 227]

Большое число АФМ прозрачно в видимой области эл.-магн. спектра. В одноосных прозрачных АФхМ обнаружено значит, изменение линейного двойного лу-чег реломлепия света (см, Коттона — Мутона эффект), пропорциональное L . Величина двойного лучепреломления сравнима с круговым двойным лучепреломлением Фарадея эффектом) в ферримагнетиках. Магн. двойное лучепреломление в АФМ определяется зависимостью тензора диэлектрич. проницаемости е от величины ко.мпонентов вектора L.  [c.112]

БЛОХА СТЁПКА (блоховская степка, блоховская доменная граница) в широком смысле — область (сло11) внутри магнитоупорядоченного вещества (ферромагнетика, ферримагнетика или слабого ферромагнетика), разделяющая смежные домены.. Внутри этой области происходит поворот вектора намагниченности М от его направления в одном домене к направлению в соседнем домене (см. Магнитная доменная структура).  [c.214]


ГИСТЕРЕЗИС МАГНИТНЫЙ — неоднозначная (необратимая) зависимость намагниченности М магнитоупорядоченного вещества (магнетика, напр. ферро-или ферримагнетика) от виеш. магн. поля Н при его циклич. изменении (увеличении и уменьгоении). Общей причиной существования Г. м. является наличие в оп-редел. интервале изменения Л среди состояний магне тика, отвечающих минимуму термодинамического потенциала, метастабильных состояний (наряду со ста-Сильными) к необратимых переходов между ними. Г. м, можно также рассматривать как проявление магн. ориентационных фазовых переходов первого рода, для  [c.492]

ПАРАПРОЦЁСС истинное намагничивание) — возрастание во внеш. магн. поле Н абс. величины намагниченности М на завершающем этапе намагничивания ферро- и ферримагнетиков после процессов смещения и вращения ), П. обусловлен ориентацией в поле Н. элементарных носителей магнетизма спиновых и орбитальных магн, моментов атомов или ионов), остававшихся неупорядоченными вследствие дезорганизующего действия теплового движения. На этапе П. намагниченность М под действием внеш. поля стремится приблизиться к величине абс. насыщения Мд, т. е. к намагниченности, к-рую имел бы ферри- или ферромагнетик при Т— ОК. П. в большинстве случаев даёт малый прирост намагниченности, поэтому практически процесс намагничивания считают законченным при достижении техн. насыщения. Вблизи точки Кюри, где роль процессов смещения и вращения уменьшается, а П., наоборот, увеличивается вследствие увеличения числа магн. моментов атомов, разупорядоченных возрастающим тепловым движением), он почти полностью определяет характер намагничивания ферро- и ферримагнетиков.  [c.545]

Р. м. в ферримагнетиках и антиферромагнетиках обусловлена в общем теми же механизмами, что и в ферромагнетиках, однако её проявления осложнены наличием неск. магн. подрешёток. Особый случай представляют спиновые стёкла, характеризующиеся широким спектром времён Р. м. и длительной релаксацией ыетастабильных магн. состояний.  [c.322]


Электроника НТБ — научно-технический журнал — Электроника НТБ

Ф

ерриты представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других металлов, которые в условиях ниже температуры Кюри обладают таким свойством, как спонтанная намагниченность. Ферромагнитное упорядочение в таких материалах обусловлено обменным взаимодействием спинов электронов. В отличие от ферромагнетиков ферриты не имеют свободных электронов, поэтому проявляют диэлектрические или полупроводниковые свойства. В зависимости от метода получения ферритовые материалы могут иметь поликристаллическую или монокристаллическую структуру. Для производства тех или иных приборов могут применяться объемные или пленочные образцы. В соответствии с типом кристаллической структуры ферриты делятся на три класса: гранаты, шпинели и гексаферриты. Каждый из них имеет свои преимущества, определяющие области их применения.

При выборе ферритового материала для разработки СВЧ-устройств важны как магнитные, так и диэлектрические его свойства. К магнитным параметрам относятся намагниченность насыщения, ее температурный коэффициент, температура Кюри, ширина линии ферромагнитного резонанса, порог развития нелинейных процессов. Диэлектрические свойства определяются диэлектрической прони­цаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Остановимся вначале на кратком описании этих параметров.

Основные параметры
ферритовых материалов

Намагниченность – это магнитный момент единицы объема вещества. Намагниченность насыщения (4πMS) экспериментально определяется как точка, в которой намагниченность ферритового образца перестает нарастать при увеличении внешнего магнитного поля [3]. В зависимости от материала ее значение находится в диапазоне 200–5000 Гс.

Магнитная кристаллографическая анизотропия – зависимость магнитных свойств ферромагнетика от направления его намагничивания относительно осей кристаллической решетки [4, 5]. Причиной ее возникновения является квантовое спин-орбитальное взаи­модействие. Существуют три типа магнитной кристаллографической анизотропии: кубическая, «легкая ось» и «легкая плоскость». От типа магнитной кристаллографической анизотропии в значительной мере зависит эффективное поле анизотропии НА. Заметим, что в тонких ферритовых пленках может также существовать поверхностная анизотропия, которая модифицирует спектр спиновых волн. Так, при ограничении подвижности спинов на поверхностях пленки, иными словами, при «закреплении поверхностных спинов», в спектре спиновых волн наблюдаются так называемые «дипольные щели» [6]. Кроме того, собственные частоты мод спектра смещаются вверх по частоте. В зависимости от толщины пленки они могут достигать частот субтерагерцового диапазона.

Термическое изменение значения намагниченности характеризуется температурным коэффициентом намагниченности насыщения (αF). Этот параметр обычно приводится для диапазона температур –60…85°C. В зависимости от потенциальной области применения данный диапазон может быть уже. На температурную стабильность ферритов влия­ет температура Кюри (Tc), при которой происходит фазовый переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) 2ΔН физически характеризует диссипацию энергии магнитных колебаний в феррите. С практической точки зрения ΔН определяет полосу пропускания резонансных СВЧ-приборов и вносимые потери спин-волновых приборов. Ширина линии ФМР определяется как разность между двумя значениями напряженности магнитного поля, при которых мощность, поглощаемая ферритовым образцом, составляет половину от максимального поглощения [4, 5] (рис.1). В зависимости от типа феррита значение ΔН может значительно меняться. Необходимо отметить, что при экспериментальном определении величины ΔН на результаты измерений влияет класс обработки поверхности образца: чем качественнее выполнена полировка, тем уже линия ФМР.

Предельный уровень СВЧ-мощности, при котором начинается резкий рост потерь в ферритовом материале за счет развития нелинейных процессов, характеризует ширина линии спин-волновой релаксации (ΔНк). Пороговый уровень мощности прямо пропорционален квадрату ΔНк и обратно пропорционален значению 4πMS.

Рабочий частотный диапазон СВЧ-прибора может лежать как в области ферромагнитного резонанса, так и ниже или выше частоты ФМР. При заданной напряженности внешнего магнитного поля частота ФМР зависит от значений 4πMS и НА, а также от формы образца [4, 5]. Поэтому рабочая частота для того или иного материала будет находиться ниже или выше частоты ФМР. Заметим, что следует различать рабочий диапазон прибора по частоте и по магнитному полю. Так, рабочей точке по магнитному полю ниже ФМР соответствует рабочая точка по частоте выше ФМР и наоборот. Ферритовые СВЧ-приборы разде­ляются на резонансные, дорезонансные и зарезонансные в соответствии с магнитной рабочей точкой (см. рис.1).

Для того чтобы избежать высоких потерь в резонансном и дорезонансном режимах работы ферритовых СВЧ-приборов, намагниченность насыщения необходимо выбирать таким образом, чтобы ферритовый образец был намагничен до насыщения. Кроме того, для резонансных вентилей обычно выбирают ферриты с большими значениями намагниченности насыщения, чтобы минимизировать поле подмагничивания. Для дорезонансных устройств понижение значения 4πMS увеличивает их максимальную рабочую мощность. Однако это также сужает полосу согласования импеданса. Таким образом, полоса рабочих частот и динамический диапазон являются конкурирующими параметрами. Для зарезонансных устройств величина намагниченности насыщения не играет большой роли. По мере роста 4πMS увеличивается полоса пропускания устройств.

Ширина кривой ферромагнитного резонанса 2ΔН для нерезонансных ферритовых устройств должна быть как можно меньше. Ее увеличение ведет к росту вносимых потерь. Для резонансных устройств, например вентиля, величина 2ΔН должна быть сравнительно большой для того, чтобы обеспечить его работу в широкой полосе частот.

В спецификации материала указывают относительную диэлектрическую проницаемость (εr), а также значение тангенса угла диэлектрических потерь (tan δ). Последний параметр необходимо выбирать минимально возможным. Что касается диэлектрической проницаемости, то ферриты одного и того же типа имеют примерно одинаковые значения εr в диапазоне от 12 до 18.

Классы ферритовых материалов

В настоящее время массовое распространение получили материалы с поликристаллической структурой, производимые на основе керамической технологии [7]. По функциональному назначению они делятся на ферриты для приборов резонансного и нерезонансного типов. На первом этапе исходные ферритообразующие материалы, точный состав и пропорции которых, как правило, держатся производителями в секрете, смешивают в необходимом количестве с применением воды или денатурата. На данном этапе особенно важен выбор зернистости исходного материала. Например, для циркуляторов, работающих на частотах ниже ферромагнитного резонанса, уменьшение размеров зерна феррита повышает уровень пороговой мощности на порядок. Но по мере уменьшения размера зерна увеличивается стоимость производства. Типовое значение зернистости составляет 10–20 мкм.

Получившуюся массу прессуют в изделия нужной формы (рис.2) с последующим спеканием при температурах от 900 до 1500°C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. Форма феррита также влияет на параметры устройства, в котором он будет использоваться (например, треугольная пластина снижает уровень вносимых потерь в сочлененном циркуляторе по сравнению с ферритовым диском). Размеры и форма образца также зависят от рабочей частоты, термостабильности, уровня мощности и других параметров [8].

Точность температуры спекания – критически важный параметр. Например, отклонение температуры всего на 10°C существенно меняет ширину линии ФМР иттриевых гранатов [9]. После обжига поверхность шлифуют и полируют. Требования к точности толщины феррита или его диаметра варьируются в зависимости от области применения. Как правило, точность для толщины составляет ±0,01 мм, а для диаметра диска – ±0,1 мм. При применении ферритов в устройствах миллиметрового диапазона волн эти значения могут быть еще меньше. Поскольку ферриты яв­ляются хрупкими материалами с низкой теплопроводностью, для обработки поверхности и корректировки формы феррита лучше всего использовать алмазные диски. Механическая обработка поверхности влияет на магнитные свойства материалов, следовательно, при использовании феррита в устройствах с жесткими требованиями к отклонениям параметров после шлифовки и полировки обязательно применение термического отжига. СВЧ-компоненты меньших размеров, требующие более высокой точности изготовления, можно получить, применяя ферритовые подложки и печатную технологию производства [10].

Исторически сложилось, что первыми в СВЧ-технике были применены феррошпинели – ферриты с кристаллической структурой шпинели [11] (табл.1). Общая химическая формула таких материалов MeFe2O4, где Mе – один из двухвалентных ионов переходных металлов Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, а также ионы Mg и Cd. В диапазоне 7–15 ГГц успешно применяются магниево-марганцевые (Mg-Mn), никелевые (Ni) и литиевые (Li) ферриты [12]. Mg-Mn-ферриты обладают значением температуры Кюри около 300°C, поэтому их не рекомендуется применять в устройствах, предназначенных для широкого диапазона рабочих температур. Для Ni-феррошпинелей характерны большие значения потерь, но температура Кюри составляет около 570°C. Этот класс ферритов используют для высокомощных устройств – фазовращателей, циркуляторов, вентилей, антенн. Для увеличения значения намагниченности насыщения в Ni-шпинели добавляют цинк, что позволяет применять эти материалы для устройств миллиметрового диапазона. Однако такие ферриты не обладают прямоугольной петлей гистерезиса (рис.3), в отличие от Mg-Mn-ферритов.

Для литиевых ферритов свойственны температура Кюри Тс около 645°C, низкие СВЧ-потери, прямоугольная петля гистерезиса. Для уменьшения намагниченности насыщения в нижней части СВЧ-диапазона в литиевые ферриты добавляют титан. Такие ферриты используются в керамических магнитах и устройствах, работающих в СВЧ- и миллиметровом диапазонах.

Хотя феррошпинели и были первыми магнитодиэлектриками, применяемыми в СВЧ-технике, разработчики многих устройств отдают предпочтение ферритам-гранатам – ферритам иттрия и лантаноидам (табл.2), что обусловлено их более низкими магнитными потерями. У гранатов сложная структура [11]. Общую химическую формулу можно записать в виде R3Fe5O12, где R – один из трехвалентных ионов редкоземельных элементов (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Sm или Eu).

Температура Кюри Тс таких материалов составляет примерно 286°C. Они обладают большей температурной стабильностью по сравнению со шпинелями. Низкие потери, большое значение намагниченности насыщения и узкая линия ферромагнитного резонанса делает более предпочтительным применение данного класса ферритов в СВЧ-технике. Для улучшения некоторых характеристик иттриевых ферритов, в частности, для повышения его термостабильности и увеличения уровня пороговой мощности, в его структуру часто вводят ионы кобальта (Co), а также ионы редкоземельных металлов диспрозия (Dy), гадолиния (Gd) и др.

Гексаферриты – ферриты с гексагональной кристаллической структурой. Наиболее распространены гексаферриты с формулой (МО) (Fe2О3)6, где М – Ва, Sr или Pb [11] (табл.3). Гексаферриты используются в устройствах, работающих в миллиметровом диапазоне как с применением внешнего подмагничивания, так и без него. В последнем случае роль поля подмагничивания играет поле одноосной магнитокристаллографической анизотропии НА, величина которого может достигать 33 кЭ [20].

Наряду с применением поликристаллических материалов определенные успехи достигнуты и в использовании ферритовых монокристаллов. Благодаря узкой линии ФМР (составляющей доли или единицы эрстед), оптической прозрачности, высокой добротности и износостойкости, такие материалы применяют при создании как твердотельных СВЧ-приборов, так и устройств оптоэлектроники.

Монокристаллы ферритов выращивают на основе методов Бриджмена, Вернейля, Чохральского, высокотемпературного выращивания из растворов в расплаве и др. [11]. Для получения монокристаллических пленок используется метод жидкофазной эпитаксии.

Наиболее широкое применение в электронике СВЧ нашли монокристаллы ферритов железо-иттриевого граната (ЖИГ), у которых рекордно узкая ширина линии ферромагнитного резонанса 0,2–0,5 Э. На их основе производят СВЧ-фильтры на сферах ЖИГ [14, 21] и фильтры на магнитостатических волнах (МСВ) [14, 22], которые различаются как конструкцией, так и принципом работы. Действие фильтра на сфере ЖИГ основано на эффекте ферромагнитного резонанса. ЖИГ-резонаторы (табл.4) изготавливают в виде сфер диаметром 0,25–1,1 мм, закрепленных на керамическом стержне.

Принцип работы фильтров на МСВ заключается в возбуждении, распространении и приеме спиновой волны в монокристаллической пленке ЖИГ [6]. Пленки ЖИГ эпитаксиально выращиваются на подложках галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) и имеют следующие типовые параметры: толщина 1–100 мкм и намагниченность насыщения 400–1900 Гс (в зависимости от количества и типа замещающей примеси) [23, 24]. На сравнительно низких частотах 1–4 ГГц целесообразно использовать пленки с пониженной намагниченностью, поскольку ею определяется граничная частота существования трехволновых параметрических процессов, ограничивающих динамический диапазон линейных спин-волновых приборов. Уменьшение намагниченности насыщения снижает эту граничную частоту.

Кроме СВЧ-фильтров, на основе монокристаллических пленок ЖИГ возможно изготовление электронно-перестраиваемых фазовращателей, линий задержки, генераторов и других СВЧ-компонентов [6, 25, 26]. Их главными достоинствами являются миниатюрность, планарность конструкции и возможность изготовления по интегральной технологии (рис. 4).

ЛИТЕРАТУРА

1. Цzgьr Ь., Alivov Y., Morkoз H. Microwave ferrites, part 1: fundamental properties // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2009. Т. 20. № 9. С. 789–834.

2. Harris V.G. Modern microwave ferrites. – IEEE Trans. Mag., 2012, vol. 48, pp. 1075–1104

3. Проектирование полосковых устройств СВЧ. – Ульяновск, 2001, 129 с.

4. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. – М.: Мир, 1965, 676 с.

5. Гуревич А., Мелков Г. Магнитные колебания и волны. – М.: Физматлит, 1994, 464 с.

6. Калиникос Б., Устинов А., Баруздин С. Спин-волновые устройства и эхо-процессоры. Монография под ред. Ушакова В. – М.: Радиотехника, 2013, 216 с.

7. Baden Fuller A. Ferrites at Microwave Frequencies. – Peter Peregrinus Ltd., 1987.

8. Helszajn J., James D. Planar triangular resonators with Magnetic Walls. – IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1978, February, pp. 95–100.

9. Linkhart D. Microwave circulator design. – Artech House, 2014, 364 p.

10. Ferrimagnetic Substrates for Microwave Integrated Circuits. – www.trans-techinc.com.

11. Яковлев Ю., Генеделев С. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике. – М.: Советское радио, 1975, 360 с.

12. Cruickshank D. Microwave materials for wireless applications. – Artech House, 2011, 221 p.

13. http://www.domen.ru/catalog/mmm/files/materials%20vc.pdf.

14. http://www.magneton.ru/cat.php?id=134

15. http://www.rusgates.ru.

16. http://www.oaokb1.ru/dejatelnost/ferrit-proizvodstvo/katalog.

17. http://www.trans-techinc.com/products_detail.asp? ID=3&Name=Ferrites-&-Magnetic-Materials.

18. http://www.temex-ceramics.com/site.

19. http://www.magneticsgroup.com/m_garn.htm.

20. Ustinov A., Tatarenko A., Srinivasan G., Balbashov A. Al substituted Ba-hexaferrite single-crystal films for millimeter-wave devices. – J. Appl. Phys., 2009, 105, 023908.

21. Белов Л. Корпорация Micro Lambda Wireless. СВЧ-приборы с ЖИГ-перестройкой. – Электроника: НТБ. 2010. № 8. С. 60–66.

22. http://www.faza-don.ru/popina/popina/home.html

23. http://www.niimv.ru/products/opticheskie-i-lazernye-monokristally.html.

24. http://www.mtixtl.com/yig-ggg-1010.aspx

25. Вапнэ Г. СВЧ-устройства на магнитостатических волнах // Обзоры по электронной технике. 1984. Сер. 1. 78 c.

26. СВЧ-ферриты (малый тематический выпуск). – ТИИЭР, 1988. Т. 76. № 2. С. 29–116.

Магнитные материалы — Магнитомягкие материалы для работы в высокочастотных полях

В высокочастотных полях резко возрастают потери на вихревые токи. Поэтому в высокочастотных полях используют материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением – магнитодиэлектрики, ферромагнетики с аморфной структурой и ферриты.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики получают, смешивая порошкообразные ферромагнетики и органическую или неорганическую связку. В качестве ферромагнетика используют карбонильное железо, альсифер или молибденовый пермаллой, дополнительно легированный серой. Серу в пермаллой вводят для придания хрупкости. В качестве связки используют фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекла. Связка должна образовывать тонкую сплошную пленку между частицами ферромагнетика. Частицы ферромагнетика должны быть достаточно малыми, для снижения вихревых токов. Однако у малых частиц не происходит разбиения на домены, поэтому снижается магнитная проницаемость магнитодиэлектриков.

Ферромагнетики с аморфной структуройи

Ферромагнетики с аморфной структурой получают сверхбыстрым охлаждением расплава, при этом скорости охлаждения достигают 106 – 108 градуса за секунду. При столь быстром охлаждении кристаллическая решетка не успевает формироваться, и материал представляет собой переохлажденную жидкость. Отсутствие кристаллической решетки приводит к полной изотропии магнитных свойств, а при отсутствии магнитной анизотропии подвижность границ доменов становится высокой. Таким образом, материалы с аморфной структурой являются магнитомягкими. Кроме того, отсутствие кристаллической решетки приводит к росту удельного электрического сопротивления, поэтому потери на вихревые токи в материалах с аморфной структурой очень малы.

Ферриты

Ферритами называют ионные соединения типа MeOFe2O3, которые по химической природе являются солями железноватистой кислоты MeFe2O4, где Ме — катион любого двухвалентного металла, либо два катиона одновалентного металла. Большинство ферритов имеют симметричную кубическую кристаллическую решетку типа шпинели или граната. Однако некоторые ферриты (феррит бария) имеет несимметричную гексагональную решетку. Иногда, для того чтобы подчеркнуть тип решетки ферриты называют феррокскубами или гексаферритами.

Впервые объяснение магнитных свойств ферритов было дано Л. Неелем. В соответствии с предложенной им теорией ферримагнетизма в оксидных ферромагнетиках происходит косвенное обменное взаимодействие ионов металлов при участии ионов кислорода. Рассмотрим принципы косвенного обменного взаимодействия на примере никелевого феррита. Внешняя электронная оболочка иона кислорода O2- полностью заполнена электронами, причем спиновые моменты попарно скомпенсированы. Электронные оболочки никеля и железа имеют соответственно два и пять нескомпенсированных электронных спинов. Диамагнитный ион кислорода может возбуждаться и передавать один из валентных электронов катиону никеля. Отдавая электрон, ион кислорода приобретает спиновый магнитный момент и взаимодействует с ионом железа. Благодаря сильному перекрытию электронных оболочек (а/r

В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые литий-цинковые и марганец-цинковые ферриты.

По электрическим свойствам ферриты относятся к полупроводникам или к диэлектрикам, поэтому потери на вихревые токи в ферритах ничтожно малы. Кроме того, они обладают высокой диэлектрической проницаемостью, что приводит к снижению скорости распространения электромагнитных волн в ферритах. Это обстоятельство позволяет изготавливать на базе ферритов линии задержки, фазовращатели, магнитные вентили и др. Монокристаллы магнитомягких ферритов применяются для изготовления магнитных головок записи и воспроизведения сигналов звукового и видеодиапазона в магнитофонах. Поскольку кристаллическая решетка ферритов упакована неплотно, то такие головки обладают повышенной износостойкостью.

Магнитомягкие ферриты

μн (начальная магнитная проницаемость) — значение магнитной проницаемости по начальной или основной кривой намагничивания по индукции при стремлении напряженности магнитного поля к нулю, деленное на магнитную постоянную.

μmax (максимальная магнитная проницаемость) — максимальное значение магнитной проницаемости как функции напряженности магнитного поля на основе намагничивания кривой по индукции.

μи (импульсная магнитная проницаемость) — отношение приращения индукции к приращению напряженности магнитного поля в материале при намагничивании импульсом тока определенной формы, амплитуды и длительности, деленное на магнитную постоянную.

АL (коэффициент индуктивности, нГн) — отношение индуктивности катушки к квадрату числа витков.

В (магнитная индукция, Тл (Гс)) — векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Вr (остаточная магнитная индукция, Тл(Гс)) — индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до технического насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля.

Нс (коэрцитивная сила, А/м (Э)) — величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля.

Фm (магнитный поток, Вб(Мкс)) — поток магнитной индукции.

Фr (остаточный магнитный поток) — магнитный поток в образце из магнитного материала с остаточной намагниченностью.

Нm (напряженность магнитного поля , А/м (Э)) — векторная величина, равная геометрической разности магнитной индукции, деленной на магнитную постоянную и намагниченность.

На (амплитудное значение переменного магнитного поля , А/м (Э)) — амплитудное значение напряженности магнитного поля, вызванное переменным током.

Нт (поле трогания, А/м (Э)) — значение напряженности магнитного поля, при котором магнитный поток на восходящей ветви статической петли гистерезиса равен 0,9 Фr.

НИопт (величина импульсного намагничивающего поля, при котором минимальные уходы μи при изменении температуры окружающей среды)

Ir (ток считывания , А) — ток обратного направления току записи, обеспечивающий переключения сердечника из первоначально установленного состояние в состояние минус Фm на статической петле гистерезиса.

Iт (ток трогания, А) — ток, при котором магнитный поток на восходящей ветви статической петли гистерезиса равен минус 0,9 Фr.

Нтс (коэффициент квадратности) — определяется отношением тока трогания к току считывания.

αНс (температурный коэффициент коэрцитивной силы, %/оС) — относительное изменение коэрцитивной силы при изменении температуры на 1оС в заданном диапазоне температур.

tgδμ (тангенс угла магнитных потерь) — отношение мнимой части к действительной части комплексной магнитной проницаемости.

tgδμн (относительный тангенс угла магнитных потерь) — отношение тангенса угла магнитных потерь к начальной магнитной проницаемости.

Lкс, (индуктивность измерительной катушки с сердечником, мкГн)

Q (магнитная добротность) — величина, обратная тангенсу угла магнитных потерь.

αrμн (относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости, 1/оС) — отношение температурного коэффициента магнитной проницаемости к значению начальной магнитной проницаемости при нормальной температуре.

Р (удельные объемные магнитные потери, кВт/м3,мкВт/см3Гц) — мощность, поглощаемая в единице объема магнитного материала и рассеиваемая в виде тепла при воздействии на материал меняющегося во времени магнитного поля.

fкр (частота критическая, МГц) — частота, при которой тангенс угла магнитных потерь материала равен 0,1.

ρ (удельное электрическое сопротивление, Ом•м) — величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля к модулю плотности тока, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного.

θ (точка Кюри, оС) — критическая температура, выше которой ферромагнетик (ферримагнетик) становится парамагнетиком.

Гт (сердечники гантельные)

К (сердечники кольцевые)

КВ (сердечники квадратные)

П (сердечники пластинчатые)

ПТ (сердечники подстроечные трубчатые)

Т (сердечники трубчатые)

Тр (сердечники многоотверстные)

Ш (сердечники Ш-образные)

ЭЗУ (элементы запоминающих устройств)

ЭМИ (электромагнитное излучение)

ВИП (вторичные источники питания)

Примечание: Термины и определения приведены в соответствии ГОСТ 19693-74, ГОСТ 19880-74.

Магнитные материалы. Магнитное поле в веществе презентация, доклад

Текст слайда:

Характеристики ферритов

1. Ферриты общего применения. К этой группе ферритов относятся Ni-Zn ферриты марок 100НН, 400НН, 600НН, 1000НН, 2000НН и др. с предельными (критическими) частотами применения fкр, составляющими 30…0,1 МГц. Mn-Zn ферриты марок 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ рассчитаны для работы в диапазоне частот от 0,6 до 0,1 МГц. Видно, что значение критической частоты снижается с ростом магнитной проницаемости феррита.
2. Термостабильные ферриты характеризуются низким значением температурного коэффициента начальной магнитной проницаемости , не превышающим (1…10)×10-6 1/К. К ним относятся Ni-Zn ферриты марок 7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН, рассчитанные на предельные частоты применения 200..25 МГц. Марганец-цинковые ферриты марок 700НМ, 1000НМ3, 1500НМ1, 2000НМ1 применяются на более низких частотах 5…0,5 МГц.
3. Высокопроницаемые ферриты представляют Mn-Zn ферриты марок 4000НМ, 6000НМ, 10000НМ, 20000НМ, рассчитанные для работы в сравнительно низкочастотном диапазоне 0,05…0,1 МГц.
4. Ферриты для телевизионной техники используются в качестве стержневых и броневых магнитопроводов трансформаторов строчной развертки (ТВС) телевизоров. К ним относятся Mn-Zn ферриты марок 2500НМС1, 3000НМС, рассчитанные для применения на частотах 0,36…0,4 МГц.
5. Ферриты для импульсных трансформаторов — это, как правило, Ni-Zn ферриты, которые служат в качестве магнитопроводов мощных импульсных трансформаторов для работы при частотах 2…0.3 МГц. Выпускаются ферриты марок 300ННИ, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ.
6. Ферриты для ферровариометров предназначены для применения в катушках индуктивности с перестраиваемой индуктивностью в диапазоне частот от 250 до 6 МГц. К этой группе относятся ферриты из ряда 10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП.
7. Ферриты для широкополосных трансформаторов применяются в высокочастотных трансформаторах радиочастотного диапазона 80…8 МГц. Ферриты марок 50ВНС…300ВНС характеризуются значением tgδμ= (6,7…33)×10-3.
8. Ферриты для магнитных головок выпускаются в виде дисков. Для их изготовления используются Ni-Zn ферриты марок 500НТ, 1000НТ, 2000НТ и Mn-Zn ферриты марок 500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ.
9. Ферриты для индуктивных бесконтактных датчиков марок 800НН и 1200НН характеризую- тся резким уменьшением магнитной проницаемости вблизи температур Кюри 70 0С и 195 0С.
10. Ферриты для магнитного экранирования представляют Ni-Zn ферриты марок 200ВНРП и 800ВНРП, отличающиеся большим значением tgδμ, достигающим 10-2.

Ферромагнетизм.

Химия Ферромагнетизм.

просмотров — 371

Ферромагнетики – вещества, способные намагничиваться очень сильно (их внутреннее поле может в 10 2 – 10 6 раз превышать внешнее поле) . К ним относятся Fe, Co, Ni, ферриты (ферромагнитные полупроводники).

Ферромагнетики в 10 10 раз превосходят намагничивание диа- и парамагнетиков. Намагничивание от зависит сложным образом (см. рис.3).

Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что зависимость от определяется предысторией намагничивания ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса (запаздывания), рис.4.

противоположное направление. принято называть коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении поля, ферромагнетик перемагничивается. Под действием переменного магнитного поля намагниченность изменяется в соответствии с кривой 1-2-3-4-5-6-1, которая принято называть петлей гистерезиса. Одному и тому же соответствует несколько значений .

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с коэрцитивной силой = 1А/см с узкой петлей гистерезиса называются мягкими ферромагнетиками, с большой — от нескольких 10 до 1000 А/см, называются жесткими.

Величины определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных целœей.

Жесткие ферромагнетики (углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов. Мягкие: мягкое желœезо, сплав желœеза с никилем, – для изготовления сердечников трансформаторов.

Для каждого ферромагнетика существует температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

Процесс намагничивания ферромагнетика сопровождается изменением его линœейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции.

Ферромагнетик имеет доменную структуру(рис.5).

Выше температуры Кюри доменная структура разрушается. В последнее время приобрели большое значение полупроводниковые ферромагнетики – ферриты. Химические соединœения типа MeO Fe2O3, где MeO – ион двухвалентного металла (Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Οʜᴎ отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электросопротивлением ( в 10 9 раз больше, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных
Рис.5.  

магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофонах, элементов оперативной памяти ЭВМ.


Читайте также


  • — Природа ферромагнетизма.

    Описательная теория ферромагнетизма была предложена французским физиком П. Вейссом в 1907 году, а последовательная количественная теория на основе квантовой механики разработана советским физиком Я. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом (1928 год). Согласно… [читать подробенее]


  • — Ферромагнетики. Домены и спиновая природа ферромагнетизма. Кривая намагничивания и магнитный гистерезис. Точка Кюри.

    Ферромагнетики явились исторически первыми изученными представителями сильных магнетиков. К ним относят железо, кобальт, никель, гадолиний. Магнитная проницаемость у этих веществ составляет сотни и тысячи, то есть в них под действием внешнего магнитного поля возни­кает… [читать подробенее]


  • — Элементы теории ферромагнетизма. Представление об обменных силах и доменной структуре ферромагнетиков. Закон Кюри — Вейсса.

    Как уже отмечалось ранее (Лекция 11), ферромагнетики характеризуются высокой степенью намагничивания и нелинейной зависимостью от . Основная кривая намагничивания ферромагнетика (магнитный момент которого первоначально был равен нулю) показана на рис.12.2. При достижении… [читать подробенее]


  • — Ферромагнетизм

    У ферромагнетиков также происходит прецессия Лармора, но намагничивание в результате прецессии слабее, чем намагничивание, обусловленное магнитным моментом атома. Для ферромагнетика . Явление ферромагнетизма объясняется наличием у электрона собственного магнитного… [читать подробенее]


  • — Природа ферромагнетизма

    Рассматривая магнитные свойства ферромагнетиков, мы не вскрыли физи­ческую природу этого явления. Описательная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П.Вейсом. Последовательная количественная теория на основе квантовой механики развита… [читать подробенее]


  • — Практическое применение ферромагнетизма.

    Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса применяют при конструировании магнитных запоминающих устройств, магнитных усилителей, линий задержки и т. д. Одним из основных параметров, характеризующих пригодность ферритов для этих целей, используется коэффициент… [читать подробенее]


  • — Ферромагнетизм.

    Ферромагнетики – вещества, способные намагничиваться очень сильно (их внутреннее поле может в 10 2 – 10 6 раз превышать внешнее поле) . К ним относятся Fe, Co, Ni, ферриты (ферромагнитные полупроводники). Ферромагнетики в 10 10 раз превосходят намагничивание диа- и парамагнетиков…. [читать подробенее]


  • — Ферромагнетизм.

    Ферромагнетики – вещества, способные намагничиваться очень сильно (их внутреннее поле может в 102 — 106 раз превышать внешнее поле) . К ним относятся Fe, Co, Ni. Ферромагнитные полупроводники называются ферритами. Ферромагнетики в 1010 раз превосходят намагничивание диа- и… [читать подробенее]


  • — Ферромагнетизм.

    Определение. Зависимость индукции магнитного поля магнетика, намагниченности и магнитной проницаемости от напряженности внешнего магнитного поля. Петля гистерезиса. Остаточная намагниченность и коэрцитивная сила. Домены. Точка Кюри. Ферромагнетизм— появление… [читать подробенее]


  • — Антиферромагнетизм.

    При „-” знаке j энергетически выгодной является перпендикулярная ориентация спинов соседних атомов. В этом случае расположение спинов может быть упорядоченным, но спонтанная намагниченность не возникает, так как спиновых моментов атомов направлены перпендикулярно и… [читать подробенее]


  • Руководство по выбору ферритовой керамики и ферромагнитных материалов

    : типы, характеристики, области применения

    Ферритовая керамика и ферромагнитные материалы представляют собой ряд кристаллических материалов, проявляющих ферромагнетизм (или ферримагнетизм). Ферромагнетизм — это явление, при котором материал может проявлять спонтанную намагниченность. Это одна из самых сильных форм магнетизма.

    Материалы

    Каждый ферромагнитный материал имеет определенную температуру, выше которой они перестают проявлять спонтанную намагниченность, называемую температурой Кюри. Некоторыми из наиболее часто используемых ферромагнитных материалов являются кобальт, железо и никель. Ферриты представляют собой ферромагнитные керамические материалы, соединения железа, бора и бария или стронция и молибдена. Ферритовый материал обладает высокой магнитной проницаемостью, что позволяет ему сохранять более сильные магнитные поля, чем железо, и известен как керамический магнит. Ферритовая керамика и ферромагнитные материалы имеют много неспаренных электронов, и они выравниваются, создавая измеримое макроскопическое поле.

    Характеристики

    Ферритовая керамика и ферромагнитные материалы, как правило, представляют собой кристаллические сплавы, но аморфные (некристаллические) ферромагнитные металлические сплавы также могут быть получены путем быстрого охлаждения жидкого сплава.Ферритовая керамика и ферромагнитные материалы имеют то преимущество, что их свойства почти изотропны (не выровнены вдоль оси кристалла). В результате получается:

    • низкая коэрцитивность
    • низкие потери на гистерезис
    • высокая проницаемость
    • высокое электрическое сопротивление

    Присоединение радиочастотного феррита к кабелю или прокладывание кабеля через феррит может уменьшить нежелательные высокочастотные помехи. ВЧ-феррит стабильно стабилен во времени и в широком диапазоне температур и обеспечивает подавление ВЧ-излучения без высоких потерь на вихревые токи.ВЧ-керамика, такая как ВЧ-феррит, также используется для снижения нежелательной частоты образца, к которому она прикреплена. Микроволновой феррит и микроволновая керамика используются в самых передовых микроволновых системах для приготовления пищи, сушки, стерилизации упаковки и пастеризации.

    Приложения

    Ферритовая керамика и ферромагнитные материалы используются во многих областях. Ферритовая керамика и ферромагнитные материалы часто производятся в виде порошка, который можно спекать в твердые сердечники.Ферритовые сердечники используются в электронных индукторах, трансформаторах и электромагнитах, где высокое электрическое сопротивление феррита приводит к очень низким потерям на вихревые токи. Ранние компьютерные памяти хранили данные в остаточных магнитных полях ферритовых сердечников, которые были собраны в массивы памяти сердечника. Их порошки используются в покрытиях магнитных записывающих лент. Одним из таких материалов является оксид железа (III). Частицы феррита также используются в качестве компонента радиопоглощающих материалов, используемых в самолетах-невидимках, и в дорогих поглощающих плитах, облицовывающих помещения, используемые для измерений электромагнитной совместимости.Наиболее распространенными радиомагнитами, в том числе используемыми в громкоговорителях, являются ферритовая керамика и ферромагнитные материалы.

    Связанная информация

    Сообщество CR4 — редкоземельные магниты (эффект загрузки и размагничивания)

    Сообщество

    CR4 — ферритовый сердечник

    IEEE Spectrum — В поисках спинового транзистора

    Изображение предоставлено:

    Омегатрон / CC BY-SA 3.0


    Ферриты — обзор | ScienceDirect Topics

    1 Введение

    Ферриты в основном представляют собой ферромагнитные оксидные материалы, обладающие высоким удельным сопротивлением и магнитной проницаемостью. Хотя намагниченность насыщения феррита в два раза меньше, чем у ферромагнитных сплавов, но они имеют такие преимущества, как применимость на более высокой частоте, высокое удельное сопротивление, более низкая цена, большая термостойкость и более высокая коррозионная стойкость. Коммерческое применение ферритов увеличилось после 1950 года в радио, телевидении, операторской телефонной связи, компьютерных схемах и микроволновых устройствах. Несмотря на его широкое применение в качестве объемного материала, происхождение магнетизма представляет собой наномасштабное явление (Beringer and Heald, 1954).Разработка магнитных нанокристаллических материалов вызывает озабоченность как с точки зрения научной ценности понимания уникальных функциональных свойств материалов, так и с точки зрения технологической значимости для улучшения характеристик существующих материалов (Aricò et al., 2005; Banerjee and Tyagi, 2011). ). Чтобы удовлетворить спрос на высокопроизводительные устройства, важным шагом является синтез ферритов в наноразмерной форме. Ниже критического размера эти нанокристаллы существуют в однодоменном состоянии, что позволяет избежать резонанса доменных стенок и материал может работать на более высоких частотах (Rao et al., 2006). Растущий интерес обусловлен их химической стабильностью, биологической совместимостью, относительной простотой получения и многочисленными приложениями, связанными с ними. Они варьируются от тепловых и механических применений в качестве герметиков, смазочных материалов, охлаждающих жидкостей, микроволновых поглотителей и магнитных накопителей данных. Недавние разработки биоконъюгированных магнитных наночастиц были продемонстрированы во множестве биомедицинских приложений. Например, суперпарамагнитные наночастицы оксида железа покрыты полимером в качестве агентов, усиливающих контраст крови (Lee et al., 2006). Другой распространенный подход к биомодификации наночастиц суперпарамагнитного оксида железа заключается в покрытии наночастиц декстраном для увеличения поглощения клетками (эндоцитоза) наночастиц и, следовательно, улучшения визуализации клеток (Moore et al. , 1997).

    Недавно сообщалось о замечательном результате применения наночастиц оксида железа в диагностике рака, при котором размер рака предстательной железы размером всего 2 мм может быть четко идентифицирован при МРТ-сканировании с использованием суперпарамагнитных оксидов железа в качестве усилителей контраста по сравнению с обычной МРТ. (Харисингхани и др., 2003). Кроме того, сообщалось о различных других методах диагностики рака и опухолей, экспрессии генов, миграции Т-клеток, очистки и сортировки ДНК и клеток (Berry and Curtis, 2003; Chatterjee et al., 2001; Dodd et al., 2001; Гупта и Котнала, 2012; Hoegemann et al., 2002; Pankhurst et al., 2003). Дальнейшее применение магнитных наночастиц основано на гипертермии, лечение которой зависит от локального нагрева ткани выше 42 °C в течение короткого периода времени для разрушения тканей, особенно опухолей.В гипертермии тепло производится за счет гистерезиса магнитных материалов. Для суперпарамагнитных частиц гистерезис обычно отстает от временной шкалы магнитных измерений. Однако в относительно высокочастотном переменном магнитном поле намагниченность отстает от магнитного поля, что приводит к сложной восприимчивости. Таким образом, магнитная энергия будет рассеиваться в виде тепла в результате рассогласования по фазе и восприимчивости к потерям (Rosensweig, 2002). Суперпарамагнитные частицы с более высокой намагниченностью насыщения и более низкой анизотропией были бы идеальной системой гипертермии, если учесть ограничения дозы инъекции и напряженности переменного магнитного поля, которые можно применять при лечении гипертермией (Che et al., 2004; Деннис и др., 2009 г.; Хашимото и Хисано, 2011 г.; Ли и др., 2007 г.; Лю и др., 2008 г.; Мозер и др., 2002; Начев и др., 2011). В частности, для этих целей используются наночастицы магнетита и маггемита ( γ -Fe 2 O 3 ), поскольку они более биосовместимы и более податливы буферному водному раствору, присутствующему в биологических системах (Rastogi et al., 2011).

    Основной причиной применимости ферритов является простота их обнаружения и управления ими при приложении внешнего магнитного поля. Время магнитного отклика сильно зависит от размера, что дает возможность синтезировать частицы для получения времени отклика, адаптированного к конкретным приложениям. Существует множество применений твердого феррита как на радио, так и на микроволновых частотах. Благодаря высокой начальной магнитной проницаемости в сочетании с высокой намагниченностью насыщения феррит находит широкое применение в радиосвязи и телеиндустрии в радиодиапазоне. Эти ферриты использовались в сердечнике отклоняющего ярма в кинескопе ЭЛТ, сердечниках антенн, а также в качестве катушек индуктивности, памяти, переключающих устройств, трансформаторов и так далее.На микроволновых частотах они широко используются в качестве изоляторов, циркуляторов, гираторов и фазовращателей. Гранаты, такие как Gd 3 Fe 5 O 12 , железо-иттрий-гранат и кубические ферриты, феррит MnZn, феррит NiZn, используются в микроволновых и других высокочастотных устройствах (Gairola et al., 2010a,b).

    Сейчас эра многофункциональных материалов набирает обороты. Намагниченность, контролируемая электрическим полем, которая одновременно проявляет ферромагнитные и сегнетоэлектрические свойства, называется мультиферроидными материалами.Назначение мультиферроиков зависит от наноразмерных эффектов, вызывающих переключаемые домены. Мультиферроики являются важной темой текущих исследований, поскольку устройства из мультиферроиков могут быть использованы в будущих запоминающих устройствах с произвольным доступом, которые сочетают в себе преимущества магнитных и ферроэлектрических запоминающих устройств с произвольным доступом. Единственным сегнетоэлектрическим и антиферромагнитным соединением, существующим при комнатной температуре, является феррит висмута. Однако он демонстрирует высокий ток утечки, который был подавлен путем формирования его композита с другим сегнетоэлектрическим соединением (Bhattacharjee et al., 2009; Сингх и др., 2008a, c; Верма и Котнала, 2011). Его гомогенное смешение на атомном уровне с сегнетоэлектрическим соединением путем химического синтеза приводит к атомному происхождению магнитоэлектрической связи в нанокомпозите (Gupta et al. , 2013; Singh et al., 2008b, 2011). В композитном мультиферроике с сегнетоэлектрическим соединением феррит-шпинель был единодушным выбором. С технологической точки зрения электрические поля легко реализовать даже на очень малых масштабах, они энергоэффективны и полностью переключаемы.Таким образом, способность обратимо переключать ориентацию намагниченности с помощью электрического поля считается вехой на пути к новым функциональным устройствам спинтроники.

    Недавний интерес исследователей к объемному ферриту уменьшается в сценарии футуристических перспективных разработок материалов. В последнее время традиционный магнетизм феррита-шпинели в конечном итоге приводит к пограничной области спинтроники. Ферриты, такие как MnFe 2 O 4 , CoFe 2 O 4 , были исследованы в качестве спинового фильтра (Лукашев и др., 2013; Матцен и др., 2013). Даже сложные магнитные структуры феррита-граната обладают огромным потенциалом для применения в устройствах на основе вращения (Uchida et al. , 2013). Помимо магнитных свойств феррита, его нанопористая и микропористая микроструктура играет ключевую роль в газо- и влагочувствительных свойствах. Микропористость увеличивает площадь поверхности и реактивность частиц с молекулами пара/газа. MgFe 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 , Fe 3 O 4 обычно используются для обнаружения газа.Недавно наблюдалось колоссальное изменение в восприятии влажности тонкой пленкой MgFe 2 O 4 (Kotnala et al., 2013).

    Важнейшими ферромагнитными веществами, кроме металлов, железа, кобальта, никеля и их сплавов, являются металлические оксиды ферритов типа шпинели. Основная формула ферритов-шпинелей: M 2+ Fe23+O42-, где M — ион двухвалентного металла, такой как Mn 2+ , Cd 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ и так далее.Также возможно, что M представляет два типа неравных чисел: одно трехвалентное, другое одновалентное; или он может быть представлен смесью трехвалентных ионов и вакантных мест (дефектная структура), например, феррит лития (Li 1+ Fe 3+ ) 1/2 (Fe23+)O42-. Путем смешивания двух или более видов ионов M 2+ можно получить смешанные ферриты, чтобы изменить их физические свойства в соответствии с желаемыми приложениями. Феррит лития представляет собой магнитный материал, представляющий огромный научный и технологический интерес из-за его относительно высокой температуры Кюри ( T c ), высокой намагниченности насыщения ( M s ) и низких магнитных потерь при более высоких температурах. частоты, помимо его превосходной химической стабильности и высокого удельного сопротивления.В частности, смешанные ферриты лития представляют большой интерес из-за их применения в СВЧ-устройствах, таких как изоляторы, циркуляторы, гираторы и фазовращатели. Для широкого технологического применения, если требуется дальнейшее улучшение диэлектрической проницаемости, магнитных потерь, удельного сопротивления, плотности и т. д. Магнитные и электрические свойства ферритов сильно зависят от этапов обработки материала. Небольшое количество добавок резко влияет на свойства ферритов (Гончар и др., 2000).Магнитные свойства ферритов в целом определяются химическим составом, пористостью и размером зерна. Некоторые примеси могут влиять на энергию границ зерен и, следовательно, действовать как движущая сила роста зерен, что, в свою очередь, улучшает микроструктуру. Среди различных измерений микроструктуры размер зерна является одним из наиболее важных параметров, влияющих на магнитные свойства ферритов (Ян и др., 2007). Ферриты можно разделить на два класса на основе их магнитной коэрцитивной силы: мягкие ферриты и твердые ферриты.

    1.1 Мягкие ферриты

    Ферриты с низкой коэрцитивной силой и низкими потерями на гистерезис называются мягкими ферритами, и типичная кривая гистерезиса показана на рисунке 4.1(a). Из-за их сравнительно низких потерь на высоких частотах и ​​высокой намагниченности они широко используются в сердечниках импульсных источников питания, ВЧ-трансформаторов и катушек индуктивности (Беллад, 1999; Беллад и др. , 1998; Радха и Равиндер, 1995). . Марганец феррит (MNFE 2 O 4 ), цинковый феррит (ZNFE 2 O 4 ), никель феррит (Nife 2 O 4 ), медный феррит (CUFE 2 O 4 ), литиевый феррит (Li 0.5 Fe 2,5 O 4 ) являются некоторыми примерами мягкого феррита.

    Рисунок 4.1. Типичные кривые М-Н для (а) мягкого феррита и (б) твердого феррита.

    1.2 Твердые ферриты

    Ферриты, имеющие сравнительно высокую коэрцитивную силу (2 кЭ или выше), называются твердыми ферритами. Они используются в громкоговорителях, автомобильных системах и т. д. в качестве постоянных магнитов (Charanjeet et al., 2008; Yang et al., 2009). На рисунке 4.1(b) показаны репрезентативные петли M-H из мягких и твердых ферритов.Феррит бария (BaFe 12 O 19 ) и феррит кобальта (CoFe 2 O 4 ) являются некоторыми типичными примерами твердого феррита.

    феррит | соединение оксида железа

    феррит , похожий на керамику материал с магнитными свойствами, которые используются во многих типах электронных устройств. Ферриты твердые, хрупкие, железосодержащие, обычно серого или черного цвета, поликристаллические — , т. е. , состоящие из большого количества мелких кристаллов.Они состоят из оксида железа и одного или нескольких других металлов в химической комбинации.

    Феррит образуется в результате реакции оксида железа (оксида железа или ржавчины) с любым из ряда других металлов, включая магний, алюминий, барий, марганец, медь, никель, кобальт или даже само железо.

    Подробнее по этой теме

    Магнит

    : Ферриты бария

    Барий феррит , в основном BaO:6Fe2O3, представляет собой разновидность основного магнитного магнетита на основе оксида железа…

    Феррит обычно описывается формулой M(Fe x O y ), где M представляет собой любой металл, который образует двухвалентные связи, такой как любой из элементов, упомянутых ранее. Например, феррит никеля — это NiFe 2 O 4 , а феррит марганца — MnFe 2 O 4 ; оба являются минералами шпинели. Минерал граната, известный как YIG, содержащий редкоземельный элемент иттрий, имеет формулу Y 3 Fe 5 O 1 2 ; он используется в СВЧ-схемах.Наиболее привычный феррит, известный с библейских времен, — это магнетит (магнитный магнит, или железистый феррит), Fe(Fe 2 O 4 ). Ферриты проявляют форму магнетизма, называемую ферримагнетизмом ( qv. ), которая отличается от ферромагнетизма таких материалов, как железо, кобальт и никель. В ферритах магнитные моменты составляющих атомов выстраиваются в двух или трех разных направлениях. В результате происходит частичное подавление магнитного поля, и общее магнитное поле феррита остается менее сильным, чем у ферромагнитного материала.Эта асимметрия со стороны атомных ориентаций может быть связана с присутствием двух или более различных типов магнитных ионов, со своеобразной кристаллической структурой или с тем и другим. Термин ферримагнетизм был введен французским физиком Луи Неэлем, который впервые систематически изучал ферриты на атомном уровне. Существует несколько типов ферримагнетизма. В коллинеарном ферримагнетизме поля ориентированы в противоположных направлениях; в треугольном ферримагнетизме ориентации поля могут быть под разными углами друг к другу.Ферриты могут иметь несколько различных типов кристаллической структуры, включая шпинель, гранат, перовскит и гексагональную структуру.

    К наиболее важным свойствам ферритов относятся высокая магнитная проницаемость и высокое электрическое сопротивление. Высокая проницаемость для магнитных полей особенно желательна для таких устройств, как антенны. В сердечниках трансформаторов желательно высокое сопротивление электричеству для уменьшения вихревых токов. Ферриты типа, известного как ферриты с прямоугольной петлей, могут быть намагничены в любом из двух направлений электрическим током.Это свойство делает их полезными в ядрах памяти цифровых компьютеров, поскольку позволяет крошечному ферритовому кольцу хранить двоичные биты информации. Другой тип компьютерной памяти может быть изготовлен из определенных монокристаллических ферритов, в которых можно индивидуально манипулировать крошечными магнитными доменами, называемыми пузырьками. Некоторые ферриты поглощают микроволновую энергию только в одном направлении или ориентации; по этой причине они используются в микроволновых волноводах.

    Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Эми Тикканен.

    Ferrimagnetism — Engineering LibreTexts

    Магнитные свойства материалов часто используются в передовых технологических устройствах, таких как сверхпроводящие поезда Maglev, сканирующая электронная микроскопия, электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы, а также внутренние и внешние компьютерные жесткие диски. Существует пять типов магнетизма:

    1. диамагнетизм,
    2. парамагнетизм,
    3. ферромагнетизм,
    4. антиферромагнетизм и
    5. ферримагнетизм.

    Каждый тип магнетизма отличается от других из-за различий в составе и кристаллической структуре материалов, а также из-за того, как электроны внутри этих материалов реагируют на магнитное поле.

    Введение

    Ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за большого сходства между ними, но он также имеет важные различия. Подобно ферромагнетикам, ферримагнетики обладают спонтанным магнитным моментом (т.е., магнитный момент даже в отсутствие магнитного поля) и гистерезис ниже их температуры Кюри, \(T_c\), и ведут себя парамагнитно выше температуры Кюри. С другой стороны, как и у антиферромагнетиков, магнитные моменты ферримагнетиков ориентированы антипараллельно друг другу, с той разницей, что суммарный магнитный момент отличен от нуля. Таким образом, ферримагнитные материалы отличаются от ферромагнитных и антиферромагнитных материалов расположением их магнитных моментов и зависимостью результирующих магнитных свойств от температуры, которые зависят от типов элементов в материале, его кристаллической структуры и микроструктурной обработки.

    Ферримагнитные материалы широко используются в устройствах энергонезависимой памяти, таких как жесткие диски, в которых используется их способность легко переключать спины электронов и намагничиваться. Когда ферримагнит внутри катушки проводящего провода вращается, генерируется ток, поэтому они также широко используются в силовых двигателях и генераторах. Поскольку ферримагнетики являются электроизоляционными, они также широко используются в высокочастотных устройствах, поскольку в полях переменного тока не индуцируются вихревые токи.

    Ферримагнитные материалы

    В отличие от ферромагнитных материалов, которыми обычно являются металлы, ферримагнитные материалы представляют собой керамику, в частности оксиды керамики.Наиболее широко используемыми ферримагнетиками в технологических устройствах являются материалы, известные как ферриты. Ферриты представляют собой электроизолирующие оксиды переходных металлов с общей химической формулой MO·Fe 2 · O 3 , где M представляет собой двухвалентный ион, такой как Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , или Ni 2+ .

    Ферриты

    часто получают стандартными методами обработки керамики. В случае NiO.Fe 2 ·O 3 порошки NiO и Fe 2 O 3 смешивают вместе и прессуют в желаемую форму перед спеканием (обжигом) при высокой температуре с образованием плотной керамики из нужный состав.Этот метод обеспечивает надежный способ формирования ферримагнитных материалов самых разнообразных форм и размеров для встраивания в технологические устройства.

    Намагничивание ферримагнитных материалов

    Ферримагнитные материалы содержат магнитные моменты, ориентированные антипараллельно друг другу, как показано на рисунке ниже, подобно антиферромагнитным материалам. Однако вместо нулевого суммарного магнитного момента различное количество неспаренных электронов в составных переходных металлах не компенсирует друг друга, что приводит к спонтанной намагниченности.

    На рисунке ниже показано упорядочение магнитных ионов в ферримагнитной решетке, причем стрелки, направленные вниз, длиннее, чем стрелки, направленные вверх, что указывает на относительный размер моментов со спином вверх и вниз. Результатом является чистый магнитный момент в направлении вращения вниз.

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Магнитное упорядочение в ферримагнитном материале.

    Антипараллельные магнитные моменты как в ферримагнитных, так и в антиферромагнитных материалах можно объяснить сверхобменным поведением, которое происходит в оксидных материалах.Например, на примере оксида марганца MnO в его кристалле ионы кислорода O 2- расположены между ионами марганца Mn 2+ , как схематически показано на рисунке ниже. Из-за разных энергетических уровней орбиталей Mn и O для образования связи между двумя ионами направление вращения одного электрона в Mn 2+ переворачивается, чтобы соответствовать направлению вращения электрона в ионе кислорода, таким образом заставляя магнитные моменты по обе стороны молекулы быть антипараллельными друг другу.

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): начальный переход сверхобменного поведения в MnO, когда магнитный момент одного электрона левой стороны Mn 3+ переворачивается из-за обратного вращения электрона на крайней левой орбитали. иона O 2-, с которым он связан. -сторона Mn 3+ , так что обе совпадают со спинами связывающих орбиталей иона O 2-.

    Спонтанная намагниченность ферримагнетиков возникает из-за ненулевых суммарных магнитных моментов при заполнении орбиталей d ионов переходных металлов в соответствии с правилом Хунда. В случае ферритов, которые имеют структуру, известную как инверсная шпинель , кристаллическую структуру можно рассматривать как состоящую из двух подрешеток. Ионы подрешетки А координированы тетраэдрически с соседними оксидными ионами, а ионы подрешетки В координированы октаэдрически (рис. 4).Ионы в каждой подрешетке имеют спины, выровненные в одном направлении друг с другом. Магнитные моменты ионов Fe 3+ компенсируют друг друга, потому что в подрешетках A и B имеется одинаковое количество ионов, но их моменты ориентированы в противоположных направлениях.

    Для того чтобы в материале была намагниченность, количество магнитных ионов в каждой из подрешеток должно быть разным, так что не все магнитные моменты компенсируются. В частности, чтобы создать особенности ферримагнетизма из узлов A и B, необходимо учитывать взаимодействия, затрагивающие обе подрешетки: взаимодействия узлов AA, BB и AB.Поскольку узлы А и В в структуре инверсной шпинели имеют разное окружение, намагниченность и молекулярные поля Вейсса также неодинаковы по величине. Полную намагниченность кристалла можно выразить как сумму намагниченности на подрешетках А и В:

    \[M_{всего} = M_A+M_B \метка{1}\]

    где

    \[M_A = \alpha n \mu_A \label{2a}\]

    и

    \[M_B = \alpha n \mu_B \label{2b}\]

    Здесь n — количество магнитных ионов в единице объема, α — доля ионов A, бета — доля ионов B, а µ A и µ B средний магнитный момент иона А и иона В соответственно в направлении поля при температуре Тл .

    Точно так же молекулярное поле Вейса, которое представляет собой внутреннее взаимодействие между локализованными моментами, может быть выражено в терминах напряженности молекулярного поля от ионов позиции А и ионов позиции В в соответствии с

    \[H_{W-total} = H_{W-A}+H_{W-B} \метка{3}\]

    где

    \[H_{W-A} = −\gamma_BM_B + γ_{AA}M_A \label{4a}\]

    и

    \[H_{WB} = −\gamma_{AB}M_A + \gamma_{BB}M_B \label{4b}\]

    где γ – постоянная молекулярного поля, которую можно рассчитать, используя температуру Кюри T c , магнитный момент µ m , намагниченность каждой подрешетки M

    µ 9048 9 0 048 9 0 , а постоянная Больцмана k B :

    \[\gamma = \dfrac{3k_BT_C}{\mu_m\mu_0M} \label{5}\]

    Рисунок \(\PageIndex{4}\): (а) тетраэдрически координированный атом и (б) октаэдрически координированный атом.В обеих структурах черная точка представляет собой ион переходного металла, а белые кружки представляют собой ионы кислорода в феррите.

    Примером ферримагнитного материала является феррит никеля, NiO·Fe 2 O 3 . Ионы Fe 3+ равномерно распределены как по подрешеткам A, так и по B, и, таким образом, их магнитные моменты компенсируются, в то время как ионы Ni 2+ располагаются только на позициях B. Электронная конфигурация никеля 3 d 8 4 s 2 (рис. 5), из которой два электрона берутся из 4 s 2 с образованием Ni 2+ , что дает электрон 2+ . конфигурация 3 d 8. Электронные спины иона расположены по правилу Хунда. Во-первых, все пять состояний заполнены одним электроном со спином вверх, и остается добавить три электрона со спином вниз. Добавление этих электронов в соответствии с правилом Хунда приводит к двум неспаренным электронам со спином вверх.{3+}\)

    Расположение магнитных моментов в структуре обратной шпинели феррита можно резюмировать, как показано на рисунке 6, все катионы металлов на узле A имеют магнитные моменты, направленные вверх, а катионы на узле B все имеют моменты вращения вниз.Пять из стрелок, указывающих вверх, отменяются стрелкой, указывающей вниз, оставляя две оставшиеся стрелки, соответствующие чистому магнитному моменту, равному двум.

    Рисунок \(\PageIndex{6}\): Разделение магнитных моментов на те, что находятся в позициях A и в позициях B: все атомы в позициях A имеют неспаренные электроны со спином вверх, а атомы в позициях B имеют неспаренные электроны со спином вниз. Разница в количестве стрелок вверх и вниз представляет чистый магнитный момент материала.

    Температурная зависимость

    Температурная зависимость ферримагнитных материалов аналогична зависимости ферромагнитных материалов.Существует температура Кюри, при которой магнитные моменты становятся случайными, в результате чего ферримагнетики начинают вести себя парамагнитно. До достижения температуры Кюри намагниченность насыщения ферримагнетика уменьшается с увеличением температуры, пока полностью не исчезнет при температуре Кюри, как показано на рис. 7. Выше температуры Кюри существует связь 1/χ с температурой, что также указывает на дальнейшее уменьшение намагниченности.

    Рисунок \(\PageIndex{7}\): Зависимость намагниченности ферримагнитных материалов от температуры.В области ниже температуры Кюри намагниченность уменьшается с ростом температуры. Выше температуры Кюри ферримагнетик становится парамагнетиком.

    вопросов

    1. Покажите, как электроны заполняют доступные 3 d орбиталей в Co 3+ в его высокоспиновом состоянии.
    2. Каковы основные сходства и различия между ферримагнетизмом и антиферромагнетизмом?
    3. Каков чистый магнитный момент в оксиде железа FeO·Fe 2 O 3 ?

    Ответы

    1. Основное сходство между ферри- и антиферромагнетизмом заключается в том, что они оба испытывают сверхобменное поведение между ионами, которое делает их магнитные моменты антипараллельными.Основное различие между ними состоит в том, что чистый магнитный момент первого отличен от нуля, а у второго он равен нулю. Таким образом, антиферромагнитные материалы не проявляют спонтанной намагниченности, в отличие от ферримагнетиков.
    2. Fe 2 O 3 состоит из Fe 3+ и O 2- и имеет нулевой суммарный магнитный момент. FeO состоит из ионов Fe 2+ и O 2- ; убирая два электрона с орбитали 4 s Fe, остается Fe 2+ с 6 электронами на его орбитали 3 d , и, согласно правилу Хунда, каждый ион Fe 2+ будет иметь 4 неспаренных электрона (в его высокоспиновое состояние).

    Каталожные номера

    1. Хаммель, Рольф Э. (2005). Электронные свойства материалов, четвертое издание. Глава 15, страницы 347-371. Спрингер
    2. Спалдин, Никола А. (2003) Магнитные материалы: основы и приложения, второе издание . Глава 9, страницы 113-129. Издательство Кембриджского университета

    Авторы и авторство

    Изготовление и исследование ферромагнитного резонанса эпитаксиальных шпинельных ферритовых пленок для применения в микроволновых устройствах

    Реферат:

    Тонкие пленки монокристаллического феррита никеля и феррита лития в последнее время привлекли большое внимание исследователей из-за их уникальных физических свойств для практического применения в технологиях следующего поколения, таких как монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC) и мультиферроидные гетероструктуры.Свойства этих материалов тесно связаны с конкретным методом выращивания и могут быть адаптированы с учетом таких факторов, как морфология поверхности, микроструктура и химический состав. За последние несколько десятилетий были исследованы различные методы выращивания тонких пленок для изготовления монокристаллических тонких пленок обоих этих ферритов-шпинелей. Однако сложность получения высококачественных однородных эпитаксиальных пленок с ограниченным количеством поверхностных и объемных дефектов и низкими микроволновыми потерями по-прежнему остается сложной задачей.Кроме того, было очень мало сообщений о детальных исследованиях ферромагнитного резонанса (FMR) этих монокристаллических тонких пленок никеля и феррита лития, что является важным аспектом для понимания релаксации в прецессии намагниченности (затухание микроволнового излучения) в этих материалах. В этой диссертационной работе подробно изучено изготовление и исследование структурных, магнитных и ФМР свойств пленок монокристаллического феррита лития (LiFe5O8) и феррита никеля (NiFe2O4) методом химического осаждения из паровой фазы с прямым впрыском жидкости (DLI-CVD).Условия роста, которые играют решающую роль в достижении желаемой морфологии и стехиометрии пленки, оптимизируются для получения эпитаксиальных монокристаллических пленок феррита лития, имеющих низкую ширину линии ферромагнитного резонанса в сочетании с превосходными магнитными свойствами. Детальное исследование ферромагнитного резонанса (FMR) было проведено для идентификации, а также для количественной оценки механизмов магнитной релаксации в пленках феррита никеля, выращенных «в том виде, в каком они были выращены». Широкополосные измерения, зависящие от частоты, угла и температуры, показывают существование двухмагнонного рассеяния как активного механизма релаксации для пленок.

    ферритов | ResearchGate

    Целью этого обзора является подведение итогов более чем 100-летнего исследования соединений шпинели, основное внимание в котором уделяется прогрессу в понимании их магнитных, электронных и полярных свойств за последние два десятилетия. За прошедшие годы было идентифицировано или синтезировано более 200 различных шпинелей с общей формулой AB2 X4 в поликристаллической или монокристаллической форме. Многие соединения шпинели являются магнитными изоляторами или полупроводниками; однако существует ряд металлов типа шпинели, включая сверхпроводники и некоторые редкие примеры соединений тяжелых фермионов, производных d.В первые дни они приобрели значение как ферримагнитные или даже ферромагнитные изоляторы с относительно высокой намагниченностью насыщения и высокими температурами упорядочения, причем магнетит был первым магнитным минералом, известным человечеству. С технологической точки зрения ферриты типа шпинели с сочетанием высокого электрического сопротивления, большой намагниченности и высокой температуры магнитного упорядочения сделали их перспективными кандидатами для многих приложений. Тем не менее, шпинели также известны как красивые драгоценные камни со знаменитым «Рубином Черного принца» в центре передней части короны Императорского государства.Кроме того, шпинели важны для тектоники Земли, а обнаружение магнетита в марсианском метеорите даже привело к предположениям о жизни на Марсе. Однако, что наиболее важно с точки зрения этого обзора, шпинели сыграли выдающуюся роль в развитии концепций магнетизма, в проверке и проверке основ магнитного обмена, в понимании явлений орбитального упорядочения и упорядочения заряда, включая металл-изолятор. переходов, в развитии представлений о магнитной фрустрации, в установлении важности спин-решеточной связи и во многих других аспектах.Все еще загадочный переход Вервея в магнетите был одним из самых первых ярких примеров этой сложности, которая является результатом того факта, что некоторые ионы могут существовать в различных валентных состояниях в шпинелях даже в данной подрешетке. Кроме того, катионы A-позиции, а также B-позиции в структуре шпинели образуют решетки, подверженные сильным эффектам фрустрации, что приводит к экзотическим свойствам основного состояния. Ионы A-позиции расположены в алмазной решетке. Эта двудольная решетка демонстрирует весьма необычные основные состояния из-за нарушения порядка связи, сила которых зависит от соотношения обменных взаимодействий между подрешетками и внутри подрешеток двух взаимопроникающих гранецентрированных кубических решеток.Наглядным примером является возникновение состояния спиральной спиновой жидкости в некоторых шпинелях. Совсем недавно в MnSc 2S4 была идентифицирована даже меронная (полускирмионная) спиновая структура при умеренных внешних магнитных полях. В случае ян-теллеровской активности катиона A-позиции появляются дополнительные запутывания спиновых и орбитальных степеней свободы, которые могут привести к спин-орбитальной жидкости или состоянию орбитального стекла. В системах с такой сильной запутанностью сообщается о появлении нового класса возбуждений — спин-орбитонов.Катионы B-позиции образуют решетку пирохлора, одного из сильнейших претендентов на фрустрацию в трех измерениях. Сильно вырожденное основное состояние с остаточной нулевой энтропией и ближним упорядочением спинов в соответствии с правилами льда — одно из захватывающих следствий, известное уже более 50 лет. При низких температурах в шпинелях с B-позицией сообщалось о появлении спиновых молекул, сильно связанных спиновых образований, например, гексамеров, с сопутствующими экзотическими возбуждениями.Эффект Яна-Теллера, управляемый вращением, — это еще одна возможность избавиться от магнитной фрустрации. Это явление было подробно проверено на различных соединениях шпинели. Кроме того, в шпинелях с обеими катионными решетками, несущими магнитные моменты, становятся важными конкурирующие магнитные обменные взаимодействия, приводящие к основным состояниям, таким как освященная веками треугольная структура Яфета-Киттеля. Совсем недавно было обнаружено, что под действием внешних магнитных полей эта треугольная структура эволюционирует в очень сложные спиновые порядки, которые могут быть отображены на спиновые сверхжидкие и спиновые сверхтвердые фазы.Кроме того, из-за магнитной фрустрации, конкурирующих взаимодействий и связи с решеткой в ​​различных соединениях шпинели появляются очень устойчивые плато намагниченности в зависимости от внешнего магнитного поля. Кроме того, шпинели приобрели большое значение для объяснения сложной физики, обусловленной взаимодействием спиновых, зарядовых, орбитальных и решеточных степеней свободы в материалах с частично заполненными d-оболочками. Эта путаница внутренних степеней свободы поддерживает исключительно богатое разнообразие фазовых переходов и сложных основных состояний, во многих случаях с новыми функциями.Это также делает эти материалы чрезвычайно чувствительными к температуре, давлению или внешним магнитным и электрическим полям, что является важной предпосылкой для реализации технологических приложений. Наконец, что важно, существует давний спор о возможности полярного основного состояния в шпинелях, несмотря на их общую кубическую симметрию. Действительно, недавно был идентифицирован ряд мультиферроидных шпинелей, в том числе мультиферроидные спиновые сверхжидкие и спиновые сверхтвердые фазы. Шпинели также относятся к редким примерам мультиферроиков, где только векторная хиральность определяет дальний сегнетоэлектрический порядок.Кроме того, различные соединения шпинели были исследованы до очень высоких давлений до 40 ГПа и в сильных магнитных полях до 100 Тл, обнаруживая сложные (p, T) и (H, T)-фазовые диаграммы.

    Анализ наночастиц феррита в потоке ферромагнитной наножидкости

    Abstract

    Теоретический анализ был проведен для установления явления переноса тепла шести различных ферромагнетиков MnZnFe 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 (марганцево-цинковое железо). Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 o 2 (никель цинковый ферритовый-этиленгликоль), Fe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 (магнетитовый феррит-этиленгликоль), NiZnFe 2 O 4 —H 2 O (никель-цинковый феррит-вода), MnZnFe 2 O 4 —H 1 O —H 2 900 вода) и наножидкости Fe 2 O 4 —H 2 O (магнетитовый феррит-вода), содержащие наночастицы марганцево-цинкового феррита, никель-цинкового феррита и магнетит-ферритного феррита, диспергированные в базовой жидкости смеси этиленгликоля и воды.Эффективность конвективного теплообмена повышается в области течения пограничного слоя через наночастицы. Магнитный диполь в присутствии наночастиц ферритов играет жизненно важную роль в управлении тепловым и импульсным пограничными слоями. С этой точки зрения в настоящей работе анализируется влияние магнитного диполя на нанопограничный слой, стационарное и ламинарное течение несжимаемой ферромагнитной наножидкости. Течение вызвано линейным растяжением поверхности. Для оценки теплового потока используется закон теплопроводности Фурье.Влияние возникающих параметров на магнито-термомеханическую связь анализируется численно. Кроме того, очевидно, что ньютоновский нагрев оказывает возрастающее влияние на скорость теплопередачи в пограничном слое. Сравнение с имеющимися результатами для конкретных случаев показывает отличное совпадение.

    Образец цитирования: Мухаммед Н., Надим С., Мустафа М.Т. (2018) Анализ наночастиц феррита в потоке ферромагнитной наножидкости. ПЛОС ОДИН 13(1): e0188460. https://дои.org/10.1371/journal.pone.0188460

    Редактор: Бинг Сюй, Университет Брандейса, США

    Поступила в редакцию: 26.04.2017; Принято: 7 ноября 2017 г .; Опубликовано: 10 января 2018 г.

    Авторские права: © 2018 Мухаммад и др. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.

    Финансирование: Авторы хотели бы поблагодарить Катарский университет Доха 2713, Катар за финансовую поддержку публикации этой статьи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    1 Введение

    Повышение теплопередачи в двухфазном потоке жидкости изучается на протяжении многих лет.В качестве теплоносителя в теплообменном оборудовании часто используются жидкости. Исследования потока наножидкости показывают, что путем добавления в жидкость наночастиц феррита можно повысить коэффициент теплопередачи. Полученное в результате увеличение теплопередачи, в дополнение к возможному повышению теплопроводности, произошло в основном из-за уменьшения толщины теплового пограничного слоя. Весьма вероятно, что движение наночастиц феррита в жидкости будет усиливать теплопроводность и теплообмен.Примеры важных применений жидких теплоносителей включают водяные и охлаждающие системы отопления в зданиях, автомобильные и авиационные системы охлаждения в промышленности, химической, пищевой и других перерабатывающих установках. Во всех упомянутых приложениях теплопроводность жидких теплоносителей играет жизненно важную роль при создании энергоэффективного оборудования для передачи тепла. Предполагается, что нанометровые металлические частицы могут быть взвешены в теплоносителях, таких как этиленгликоль, вода или моторное масло, в новый класс жидкости с высокой теплопроводностью, полученная жидкость называется наножидкостью [1].Наножидкость демонстрирует лучшее качество по сравнению с жидкостями, содержащими частицы микрометрового размера, и обычными жидкостями-теплоносителями. Поскольку теплообмен происходит на поверхности частицы, необходимо использовать наночастицу с большой площадью поверхности. Наночастицы имеют достаточно большую площадь поверхности по сравнению с частицами микронного размера, поэтому наножидкости имеют большой потенциал для применения [2–10] в теплообмене.

    Феррожидкости представляют собой коллоидные жидкости, состоящие из ферримагнитных или ферромагнитных наночастиц феррита, помещенных в электрически непроводящую несущую жидкость.В настоящей работе рассматриваемыми наночастицами феррита являются MnZnFe 2 O 4 (феррит марганца цинка), Fe 2 O 4 (феррит магнетита) и NiZnFe 2 O O 4 900 феррит цинка. [11, 12] кристаллизуется в нормальной структуре позвоночника. В качестве жидкости-носителя приняты вода (H 2 O) и этиленгликоль (C 2 H 6 O 2 ). При гипертермии ферромагнитных наножидкостей наночастицы ферритов различных типов, такие как MnZnFe 2 O 4 , Fe 2 O 4 и NiZnFe 2 O 4 , вливаются даже после гематита или подвергаются недостаточному слиянию с опухолью. высокочастотное магнитное поле.Эти наночастицы феррита выделяют тепло, которое регулярно повышает температуру опухоли, что может убить раковую клетку [13]. Таким образом, хорошо закаленные из этих ферритов характеризуются содержанием атомов железа, расположенных в началах октаэдров атомов кислорода, и атомов цинка, происходящих в тетраэдры атомов кислорода. Характерно, что нормальные шпинели парамагнитны, а инвертированные шпинели ферромагнитны при комнатной температуре. Кроме того, при низких температурах ферриты цинка ведут себя как антиферромагнетики.Феррожидкости не удерживают намагниченность в отсутствие магнитного диполя и классифицируются как суперпарамагнетики. Замечательной особенностью ферромагнитных наножидкостей является зависимость намагниченности от температуры, и эта связь термонамагничивания делает ферромагнитные наножидкости более применимыми в различных практических приложениях [14–17]. Феррожидкости можно использовать для захвата структур магнитных доменов на поверхности феррожидкостей в присутствии магнитного диполя с использованием процедуры, введенной Ми [18].Течение феррожидкости под действием магнитного поля и температурных градиентов исследовано Нойрингером [19]. Надим и и . В работе [20] показано влияние магнитного диполя с пористой средой в потоке феррожидкости. Андерсон и Валнес [21] проанализировали влияние магнитного поля, создаваемого магнитным диполем на натянутый лист (движение, вызванное сдвигом), и пришли к выводу, что магнитное поле ответственно за замедление движения жидкости. Zeeshan и Majeed продемонстрировали влияние магнитного диполя и всасывания/инжекции в потоке жидкости Джеффри по растяжимой поверхности [22].Анализ теплопередачи в потоке ферромагнитной жидкости по поверхности растяжения представлен Majeed et al . [23]. Некоторые приложения, относящиеся к течению жидкостей, можно найти в [24–35].

    Цель статьи — теоретически показать осуществимость концепции ферромагнитных наночастиц с Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит) и MnZnFe O 4 (марганцево-цинковый феррит) в качестве наночастиц ферритов и C 2 H 6 O 2 (этиленгликоль) и H 2 O (вода) в качестве базовой жидкости.Настоящий анализ сосредоточен на изображении явления переноса тепла в потоке ферромагнитных наножидкостей. Было проведено сравнение различных наночастиц ферритов при анализе осевой скорости, температурного поля, напряжения сдвига стенки и скорости теплопередачи. Определяющие уравнения для скорости и температуры взяты в предположениях пограничного слоя. После использования соответствующих переменных подобия окончательная форма краевой задачи уточняется численно с помощью метода средней точки BVPh3 и аналитически с помощью метода оптимального гомотопического анализа.Физические возникающие параметры изображаются в виде таблиц и графиков.

    2 Уравнения феррогидродинамики и тепловой энергии

    2.1 Анализ потока

    Рассмотрим электрически непроводящее, стационарное, несжимаемое и ламинарное течение вязкого пограничного слоя ферромагнетика MnZnFe 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 (марганцево-этиленгликоферрит цинка) , Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 (никель цинковый ферритовый-этиленгликоль), Fe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 (магнетит феррит-этиленгликоль), NiZnFe 2 O 4 —H 2 O (никель-цинк-феррит-вода), MnZnFe 2 O 4 —H —H 2 -вода) и наножидкости Fe 2 O 4 —H 2 O (магнетит феррит-вода) вдоль непрерывно растягивающейся поверхности.Воздействие магнитного диполя принимается таким образом, что его центр точно лежит на оси х . Течение наножидкости обусловлено растяжением листа. Скорость растягивающего листа составляет U W = SX ( SX ( S — безразмерная константа) и T = T W и T = T символизирует соответствующую температуру на растягивающемся листе и окружающей жидкости.Точки магнитного поля магнитного диполя приложены в положительном направлении x . Чтобы заставить феррожидкость насыщаться, магнитный диполь усиливает магнитное поле значительной силы. Геометрия для оценки потока показана на рис. 1. Жидкость с температурой Кюри выше T c не способна намагничиваться. Предполагается, что температура Кюри больше температуры при растяжении листа, вместо этого предполагается, что температура T = T является температурой жидкости вдали от поверхности, где T w < T < T c .Предполагается, что наночастицы и базовые жидкости находятся в тепловом равновесии и между ними не происходит проскальзывания. Термофизические свойства NanoFluids MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , и Fe 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 взяты из табл. o ( o ) = o (1) и o ( o ( o ) = o ( δ ), Уравнения пограничного слоя в феррогидродинамике а уравнения тепловой энергии имеют вид (1) (2) (3) Где ( U , u ) Определите соответствующие компоненты скорости вдоль ( x , μ ) Направления, μ 0 обозначают магнитную проницаемость, P Назначение давления, μ NF Примерная динамическая вязкость нанофлюида, ρ NF указывает нанофлюидную плотность, υ NF NF Укажите кинематическую вязкость нанофлуида, K 1 и ε являются соответствующими Проницаемость и пористость пористой среды, ( ρc P ) NF Отображение удельного тепла, T Делегирование температуры, K NF Определение теплопроводности NanoFluid, H сообщают о магнитном поле, а M иллюстрируют намагниченность.

    Предполагается, что допустимые граничные условия для краевой задачи имеют вид (4) В приведенном выше уравнении 4 U w иллюстрируют скорость растяжения, температурный режим, рекомендуемый при y = 0, говорит о ньютоновских тепловых эффектах, h c означает коэффициент теплопередачи. y → ∞ описывает температуру Кюри T c на границах, T обозначают температуру окружающей жидкости.

    2.2 Термофи физические свойства MNZNFE

    2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Fe 2 O 4 -C 4 H 6 O 2 , Mnznfe 2 O 4 -H 2 O, Niznfe 2 O 4 -H 2 и Fe 2 O 4 -H 2 O наножидкости

    Динамическая вязкость μ NF , эффективная динамическая плотность ρ NF , удельная температура тепла или теплотворчества ( ρc P ) NF , а также теплопроводность k nf наножидкости определяются выражением (5) EQ 5 — общие отношения, используемые для расчета плотности ρ ρ NF , динамическая вязкость μ NF , удельный огонь ( ρc P ) NF и теплопроводностью k nf для наножидкостей.Где K S S S и k и k и k и ρ f — соответствующие плотности наночастиц и базовой жидкости. Теплофизические свойства настоящего анализа приведены в таблице 1.

    3 Процедура решения

    Здесь мы вводим безразмерные переменные, представленные Андерссоном [9] (13) В котором μ F представляет динамическую вязкость, θ 1 ( η , ξ ) и θ 2 ( η , ξ ) Отображает безразмерную температуру , соответствующие безразмерные координаты равны (14) Функция тока очерчена таким образом, что уравнение неразрывности выполняется непосредственно, сравнимые компоненты скорости u и v определяются следующим образом (15) здесь штрих означает дифференцирование по ξ .С использованием безразмерных переменных, определенных в уравнениях (16–18), уравнения (2) и (3) вместе с допустимыми граничными условиями, приведенными в уравнении (4), сводятся к следующему виду связанных уравнений и соответствующих граничных условий (16) (17) (18) (19) (20) В приведенной системе нелинейных уравнений параметры λ (вязкая диссипация), λ 1 (сопряженный параметр ньютоновского нагрева), β (феррогидродинамическое взаимодействие), P m (параметр пористости), ε (температура Кюри) и Pr (число Прандтля) определяются как (21) Коэффициент трения кожи и местное число Нуссельта выражаются как (22) Безразмерные уравнения для коэффициента поверхностного трения и числа Нуссельта (отношения коэффициентов конвективного и кондуктивного теплообмена) i.е. локальный поверхностный тепловой поток (23) Местное коэффициент трения кожи и номер NUSTELT, в котором Re x = XU W ( x ) / υ F = SX 2 / υ f — локальное число Рейнольдса (т.е. отношение сил инерции к силам вязкости) зависит от скорости растяжения U w ( x ).

    BVPh3 — метод средней точки (Maple) и метод оптимального гомотопического анализа (Mathematica 9.0) реализованы в настоящем анализе для решения нелинейного обычного уравнения импульса 16 и тепловой энергии (17 и 18) при допустимых граничных условиях в уравнениях 19 и 20. Эти методы используются для получения решений сильно нелинейных уравнений. Оптимальный HAM [36, 37] дает лучшие результаты по сравнению с методами возмущения и другими традиционными методами исследования.Универсальность оптимального HAM часто обеспечивает хорошую сходимость решения в более широких областях пространства и параметров. Во-первых, оптимальный HAM дает нам замечательную гибкость в выборе типа уравнения для линейных подзадач. Во-вторых, оптимальный ГАМ работает вне зависимости от возможности отсутствия малых/больших физических параметров в определяющих уравнениях и граничных/начальных условиях. В частности, в отличие от метода возмущений и других аналитических методов, оптимальный HAM дает нам выгодный подход к обеспечению сходимости решения в виде ряда путем представления предполагаемого управляющего параметра сходимости в решение в виде ряда.Более того, в оптимальном МАМ гомотопический/вспомогательный параметр используется только на теоретическом уровне, чтобы показать, что нелинейная система дифференциальных уравнений может быть разделена на набор линейных систем дифференциальных уравнений, которые решаются аналитически, в то время как методы продолжения требуют решения дискретной системы дифференциальных уравнений. линейной системы, поскольку параметр гомотопии варьируется для решения нелинейной системы. Соответствующие линейные операторы и связанные с ними начальные предположения для краевой задачи равны (24) (25) (26) Где L F F ( F ), L θ 1 1 1 ( θ 1 ), и L θ 2 ( θ 2 ) символизирует линейные операторы, с другой стороны F 0 ( ξ ), θ 1 0 ( ξ ), и θ 2 0 ( ξ ) иллюстрируют соответствующие начальные предположения f , θ 1 и θ 2 .

    4 Анализ конвергенции для оптимального раствора ветчины

    вспомогательные параметры ℏ F F , ℏ θ 1 и ℏ θ 2 имеют ведущую цель контроля сходимости гомотопных решения. Чтобы получить сходящиеся решения, мы берем предлагаемые значения этих параметров. По этой причине остаточные ошибки отмечаются для импульса и уравнений тепловой энергии, инициируя выражения, приведенные ниже, (27) (28) (29) Сходимость параметрических значений отображается с помощью OHAM, перечисленных в следующих таблицах 2 и 3, с использованием значений параметров β = 1.2, λ = 0,01, λ 1 = 0,5, Pr = 204, φ = 0,1, γ = 0,1.

    Графическое представление для аппроксимации порядка 10 th показывает уменьшение ошибки на следующем рисунке 2.

    Здесь указывается полная дискретная квадратичная остаточная ошибка.

    (30)

    Здесь используется для получения оптимальных параметров управления сходимостью.

    5 Результаты и обсуждение

    Этот раздел содержит физическую интерпретацию различных параметров поля течения.Влияние безразмерных возникающих параметров β (феррогидродинамическое взаимодействие), P m (параметр пористости), φ (твердая объемная доля наножидкости), λ 1 (сопряженный параметр ньютоновского нагрева) , и Pr (число Прандтля). При этом остальные параметры материализации в задаче потока считаются фиксированными. За фиксированные значения этих параметров приняты λ = 0,01, ε = 2,0, γ 1 = 1.0. Краевая задача решается численно и аналитически методами BVPh3-Midpoint и методом оптимального гомотопического анализа (OHAM) соответственно. Точность настоящего оптимального метода HAM и BVPh3-средняя точка проверяется путем сравнения значений со значениями Рашиди [38] для чистой жидкости, приведенной в таблице 4. Для частного случая настоящей задачи обнаружено отличное совпадение результатов. Поток пограничного слоя ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O исследованы наножидкости с наночастицами.Чтобы получить очевидное представление о существующей проблеме потока, результаты для осевой скорости, температурного поля, коэффициента поверхностного трения и числа Нуссельта представлены графически. Анализ проводится в присутствии магнитного диполя.

    Влияние параметра φ (твердая объемная доля нанофлюида) ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Mnznfe 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 Наножидкости —C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O изображены на рис. 3 и 4 на безразмерном поле осевой скорости и температуры.Из рис. 3 видно, что осевая скорость соответствующих наножидкостей уменьшается с увеличением параметра φ (твердая объемная доля наножидкости). Осевая скорость уменьшается по мере удаления от поверхности. Фактически, увеличение параметра φ (твердая объемная доля наножидкости) приводит к концентрации ферромагнитной жидкости, которая, следовательно, создает сопротивление движению жидкости и, как следствие, осевая скорость уменьшается для обеих базовых жидкостей, т.е.д., (вода и этиленгликоль). Наличие магнитного диполя обеспечивает притяжение к наночастицам ферритов, за счет чего замедляется осевая скорость ферромагнитных наножидкостей. Это означает, что магнитный диполь играет жизненно важную роль в уменьшении движения частиц жидкости. Далее на рис. 3 показано, что наночастицы Fe 2 O 4 (феррит магнетита) более намагничены по сравнению с NiZnFe 2 O 4 (феррит никеля цинка) и MnZnFe 2 O 4 5 цинка феррит) наночастицы.Чем больше намагниченность, тем больше будет сопротивление, создаваемое магнитным диполем частицам жидкости, в результате изображено, что Fe 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 -H 4 -H 2 o Ферромагнитные нанофлюиды имеют низкую скорость по сравнению с ферромагнитным Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и MNZNFE 2 O 4 -H 2 O NanoFluids.Характеристики параметра Φ (твердая объемная фракция нанофлюида) на температурное поле ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O На рис.Иллюстрировано, что температурное поле Fe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 -H 2 O выше, чем Niznfe 2 O 4 -C 2 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и MnZnFe 2 O 4 —H 2 O наножидкости в присутствии магнитного диполя.Это связано с тем, что теплопроводность наночастиц Fe 2 O 4 (феррит магнетита) выше, чем теплопроводность NiZnFe 2 O 4 (феррит никеля цинка) и MnZnFe 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) наночастицы. Более того, наличие магнитного диполя увеличивает температурное поле до тех пор, пока температура жидкости не достигнет температуры Кюри T c жидкости.Это связано с тем, что магнитный диполь оказывает большее сопротивление наночастицам Fe 2 O 4 (феррит магнетита) по сравнению с NiZnFe 2 O 4 (феррит никеля цинка) и MnZnFe 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит), что приводит к усилению температурного поля. Если температура наночастиц феррита выше температуры Кюри T c , то эти наночастицы феррита теряют свою намагниченность и не будет притяжения для наночастиц феррита, температура которых выше температуры Кюри T с .

    Влияние параметра β (феррогидродинамическое взаимодействие) показано на рис. 5 и 6. Наличие параметров γ 1 (безразмерное расстояние от начала координат до центра магнитного диполя), ε (температура Кюри), и β (феррогидродинамическое взаимодействие) необходимо для удержания влияния ферромагнитного эффекта на течение в пограничном слое. Присутствие Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит) и MnZnFe 2 O 4 (марганцевый наночастиц флюид-носитель в цинковом феррите) к ферромагнитной наножидкости, из-за чего вязкость жидкости увеличивается и, как следствие, осевая скорость уменьшается при увеличении значений параметра β (феррогидродинамическое взаимодействие), как показано на рис. 5.Влияние β (серрогидродинамическое взаимодействие) на осевой скорости осуществляется для ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 — H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкости.Замечено, что присутствие магнитного диполя приводит к быстрому снижению осевой скорости ферромагнитных наножидкостей, когда в качестве базовой жидкости используется вода. Физическая интерпретация заключается в том, что магнитный диполь притягивает феррит Fe 2 O 4 (феррит магнетита), NiZnFe 2 O 4 (феррит никеля цинка) и MnZnFe 2 O 4 9 9 ) наночастиц, что приводит к увеличению вязкости наножидкости внутри пограничного слоя и, как следствие, к замедлению осевой скорости.Наибольшая скорость наблюдается для C 2 H 6 O 2 (этиленгликоль, когда φ = 0) и H 2 O (вода, когда φ = 0), тогда как наименьшая Осевая скорость наблюдается для Fe 2 O 4 -C 2 H 6 o 2 (магнетитовый ферритовый-этиленгликоль, когда Φ = 0,15) и Fe 2 O 4 -H 2 O (магнетит феррит-вода, когда φ = 0.15) наножидкости, как видно на рис. 5. Рис. 6 характеризует влияние параметра β (феррогидродинамическое взаимодействие) на температурное поле. Показано, что большие значения параметра β (феррогидродинамическое взаимодействие) приводят к повышению температуры наножидкости в присутствии магнитного диполя. Это происходит из-за взаимодействия между действием магнитного поля и движениями Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит) и MnZnFe 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) наночастицы.Взаимодействие действия магнитного поля с Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит) и MnZnFe 2 O 4 наночастицы цинка феррита (марганец) осевая скорость, тем самым усиливая фрикционный нагрев между слоями жидкости, что приводит к повышению теплового пограничного слоя, т. е. уменьшению перемещений Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит) и наночастиц MnZnFe 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) приводит к усилению температурного поля.

    Эффект параметров P M (пористость) в потоке ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, Mnznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O На рис.Существование параметров P M M (пористость) в присутствии Fe 2 O 4 (магнетитовый ферритовый), Niznfe 2 O 4 (никель цинковый феррит) и MNZNFE 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) наночастицы в вязкой несущей ферромагнитной наножидкости замедляют осевую скорость, и в результате осевая скорость уменьшается при увеличении значения параметра P m (пористость), как показано на рис. 7 .Показано, что для ферромагнитной наножидкости на основе ферритов-воды в присутствии магнитного диполя осевая скорость быстро уменьшается. Физическая интерпретация заключается в том, что увеличение P m (пористость) вызывает большее сопротивление частицам жидкости, и магнитный диполь притягивает феррит Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), MnZnFe 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) и NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит), которые приводят к повышению вязкости наножидкости внутри нанопограничного слоя и, как следствие, к осевому скорость замедляется.Наибольшая скорость наблюдается для C 2 H 6 O 2 (этиленгликоль, когда φ = 0) и H 2 O (вода, когда φ = 0), тогда как наименьшая Осевая скорость наблюдается для Fe 2 O 4 -C 2 H 6 o 2 (магнетитовый ферритовый-этиленгликоль, когда Φ = 0,15) и Fe 2 O 4 -H 2 O (магнетит феррит-вода, когда φ = 0.15) наножидкости, как показано на рис. 7.

    Влияние сопряженного параметра λ 1 ньютоновского нагрева на профиль осевой скорости и температуры показано на рис. 8 и 9. Из рис. 8 видно, что увеличение λ 1 (сопряженный параметр) приводит к изменению Осевая скорость ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкости, следствие показывает, что осевая скорость и относительный нанопограничный слой являются убывающими функциями λ 1 (сопряженный параметр), т.е.е., осевая скорость уменьшается. Проверено, что скорость отклика уменьшается с ростом (увеличением значений λ 1 ) силы упругости рабочей жидкости. Влияние λ 1 (сопряженный параметр) на температурное поле представлено на рис. 9. Выявлено, что увеличение λ 1 (сопряженный параметр) увеличивает коэффициент теплопередачи, что улучшает температуру ферромагнетика NiZnFe 2 O 4 -C 2 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкости.Далее толщина теплового пограничного слоя увеличивается. Также замечено, что температура у поверхности выше при больших значениях λ 1 (сопряженный параметр).

    Параметр Pr (число Прандтля) в уравнении тепловой энергии влияет на соответствующую толщину теплового пограничного слоя. На рис. 10 показано, что более высокие значения параметра Pr (числа Прандтля) увеличивают осевую скорость. Рис. 11 проявляют влияние параметра PR (номер Prandtl) температурное поле ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 — C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкости.Исследовано, что температурное поле по толщине теплового пограничного слоя уменьшается при более высоких значениях параметра Pr (числа Прандтля) в присутствии магнитного диполя. Более высокая глубина проникновения температурного поля отмечается при Pr = 1,0 по сравнению с Pr = 6,2, что приводит к уменьшению температуропроводности с ростом параметра Pr (числа Прандтля). Уменьшение коэффициента температуропроводности приводит к рассеянию тепла от нагретого листа и, кстати, к увеличению градиента температуры на поверхности.Это явление снижает способность энергии уменьшать толщину теплового пограничного слоя и увеличивать осевую скорость. Значения остальных параметров: λ = 0,01, λ 1 = 0,3, β = 1,2, Pr = 6,96, P m = 0,5 и γ 9.

    5.1 Коэффициент трения кожи и местное число Нуссельта

    Математические соотношения для коэффициента поверхностного трения и числа Нуссельта приведены в уравнениях 22 и 23.Влияние параметра φ (твердая объемная доля наножидкости) на напряжение сдвига стенки ферромагнетика NiZnFe 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 0 2 1 , NiZnFe -H 2 O, Mnznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O На рис.Видно, что присутствие наночастиц феррита на водной основе снижает напряжение сдвига стенки по сравнению со случаем, когда используются наночастицы феррита на основе этиленгликоля. Коэффициент трения кожи анализируется в присутствии магнитного диполя. Поскольку мы знаем, что магнитный диполь притягивает Fe 2 O 4 (магнетитовый феррит), NiZnFe 2 O 4 (никель-цинковый феррит) и MnZnFe 2 O 4 наночастицы цинка (марганцевый цинк) что приводит к увеличению вязкости наножидкости внутри пограничного слоя, но при этом увеличивается касательное напряжение стенки.Наименьшее напряжение сдвига стенки показано для C 2 H 6 O 2 (этиленгликоль, когда φ = 0) и H 2 O (вода, когда φ = 0) и Наибольшее касательное напряжение стенки наблюдается для Fe 2 O 4 —C 2 H 6 O 2 (магнетит феррит-этиленгликоль, когда φ = 0,15) и Fe 2 4 —H 2 O (магнетит феррит-вода, когда φ = 0.15) наножидкости, как видно на рис. 12 и 13. Кроме того, φ (твердая объемная доля наножидкости) на напряжение сдвига стенки ферромагнетика NiZnFe 2 O 4 —C 2 H 6 O 29050 , Niznfe 2 O 4 -H 4 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, Fe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Fe 2 O 4 -H присутствие в наножидкостях 5 магнитных диполей O 1 скорость теплопередачи анализируются на рис. 14 и 15.Он тщательно изучен из рис. 14, что скорость теплообщительности уменьшает для ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O , Mnznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Mnznfe 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкости.Быстрое снижение скорости теплопередачи наблюдается в присутствии наночастиц феррита на водной основе, вместо этого, как видно из рис. 15, увеличение скорости теплопередачи показано для соответствующих ферромагнитных наножидкостей. Остальным параметрам присвоены следующие значения: λ = 0,01, λ 1 = 0,3, β = 1,2, P m = 0,5, Pr = 6,96 и γ 9.

    Заключительные замечания.

    Цель статьи показать теоретически реализуемость концепции ферромагнитных наножидкостей с Fe 2 O 4 (феррит магнетита), NiZnFe 2 O 4 (феррит никеля цинка) и MnZn50Fe 10905 Fe 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) в качестве наночастиц ферритов и H 2 O (вода) и C 2 H 6 O 2 (этиленгликоль) в качестве базовой жидкости.Явление переноса тепла показано в образующихся ферромагнитных наножидкостях. Краевая задача решается численно и аналитически с помощью БВФ3 — метода средней точки и метода оптимального гомотопического анализа соответственно. Основные точки анализа:

    1. ▸. Увеличение φ (твердая объемная доля наножидкости) приводит к уменьшению осевой скорости и увеличению температурного поля.
    2. ▸. Существование параметров P M M (пористость) в присутствии Fe 2 O 4 (магнетитовый ферритовый), Niznfe 2 O 4 (никель цинковый феррит) и MNZNFE 2 O 4 (марганцево-цинковый феррит) наночастицы в вязкой несущей ферромагнитной наножидкости замедляют осевую скорость.
    3. ▸. Осевая скорость уменьшается, а температурное поле быстро увеличивается при увеличении значений β (ферромагнитное взаимодействие) при наличии магнитного диполя.
    4. ▸. Осевая скорость и относительный нано-пограничный слой ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 -C 2 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкости являются убывающей функцией λ 1 (сопряженный параметр) и возрастающей функцией температурного профиля.
    5. ▸. Число Прандтля приводит к быстрому истощению температурного поля при увеличении осевой скорости в присутствии магнитного диполя.
    6. ▸. Настенный сдвиг нагрузки ферромагнитного Niznfe 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 , Niznfe 2 O 4 -H 2 O, MNZNFE 2 O 4 -C 2 H 6 H 6 O 2 , MNZNFE 2 O 4 -H 2 O, FE 2 O 4 -C 2 H 6 O 2 и Fe 2 O 4 —H 2 O наножидкостей усиливается с параметрами β (ферромагнитное взаимодействие) и P m (пористость).
    7. ▸. При наличии магнитного диполя наблюдается быстрое снижение скорости теплообмена.
    Будущая работа.

    Настоящее исследование может быть исследовано путем включения конвективных граничных условий, ньютоновского нагрева, пористых сред Дарси и не Дарси, тепловых и массовых потоков Каттанео-Кристова, переменной теплопроводности, переменной массовой диффузии, нанотрубок Корбана и т. д. Особенности ферритовых наночастиц могут быть раскрыты в вязких жидкостях различной геометрии.Это будет рассмотрено в ближайшем будущем с различными типами моделей жидкости. Есть надежда, что настоящее исследование послужит стимулом для доставки лекарств в биомедицинских процессах.

    Каталожные номера

    1. 1. Истман Дж.А., Чой С.У., Ли С., Ю В. и Томпсон Л.Дж. Аномально повышенные эффективные теплопроводности наножидкостей на основе этиленгликоля, содержащих наночастицы меди. Appl Phys Lett. 2001 г., февраль; 78 (6): 718–720.
    2. 2. Хан А.У., Надим С. и Хуссейн С.Т.Исследование фазового течения МГД-наножидкости с эффектами проскальзывания при колебательном наклонном течении критической точки с учетом наклонного магнитного поля. J мол. жидк. 2016 декабрь; 224: 1210–1219.
    3. 3. Афранд М., Тограйе Д. и Рухани Б. Влияние температуры и концентрации наночастиц на реологическое поведение гибридной наножидкости Fe 2 O 4 -Ag/EG, экспериментальное исследование. Exp Therm Fluid Sci. 2016 окт; 77: 38–44.
    4. 4. Ахмед А. и Надим С. Эффект формы наночастиц меди при неустойчивом потоке через искривленную артерию с катетеризированным стенозом.Результаты Физ. 2017 г., декабрь; 7: 677–689.
    5. 5. Надим С. и Иджаз С. Теоретический анализ влияния металлических наночастиц на кровоток через стенозированную артерию с проницаемыми стенками. Phys Lett A. 2015 Mar; 379 (6): 542–554.
    6. 6. Мехмуд Р., Надим С., Салим С. и Акбар Н.С. Анализ течения и теплопередачи наножидкости Джеффри, падающей под наклоном на растянутую пластину. J Taiwan Inst Chem E. 2017 May; 74: 49–58.
    7. 7. Гириша Б.Дж., Махантеш Б. и Горла Р.С.Влияние взвешенных частиц на обтекание пограничного слоя наножидкости вдоль поверхности растяжения. ДЖОН. 2014 г., сен; 3 (3): 267–277.
    8. 8. Ахмед А. и Надим С. Изучение наночастиц (Cu, TiO 2 , Al 2 O 3 ) в качестве противомикробных препаратов кровотока через больные артерии. J мол. жидк. 2016 апрель; 216: 615–623.
    9. 9. Рашид I, Хак РУ и Аль-Мдаллал К.М. Воздействие выровненного магнитного поля на металлические наночастицы на водной основе над растягивающимся листом с эффектами PST и теплового излучения.Physica E Low Dimens Syst Nanostruct. 2017 май; 89: 33–42.
    10. 10. Садаф Х. и Надим С. Анализ комбинированных эффектов конвективной и вязкой диссипации для перистальтического потока модели жидкости Рабиновича. Дж. Бионический инженер. 2017 янв; 14 (1): 182–190.
    11. 11. Чой СУ. Повышение теплопроводности жидкостей с помощью наночастиц. Публикации ASME-Fed . (1995) январь; 231: 99–106.
    12. 12. Мухаммад Н. и Надим С. Наночастицы феррита Ni-ZnFe 2 O 4 , Mn-ZnFe 2 O 4 и Fe 2 O 4 в потоке ферромагнитной наножидкости.Евро физ дж плюс. 2017 сен; 132 (9): 377.
    13. 13. Джавиди М. и др. Цилиндрический агаровый гель с потоком жидкости, подвергнутый воздействию переменного магнитного поля при гипертермии. Int J Гипертермия. 2015 янв; 31 (1): 33–39. пмид:25523967
    14. 14. Войт В., Ким Д.К., Запка В., Мухаммед М. и Рао К.В. Магнитное поведение наночастиц суперпарамагнитного оксида железа с покрытием в феррожидкостях. Mater Res Soc Symp Proc. 2001 Январь; 676: Y7.8.
    15. 15. Розенвейг РЕ.Магнитные жидкости. Annu Rev Fluid Mech. 1987 г., январь; 19 (1): 437–463.
    16. 16. Эринген А.С. и Можен Г.А. Электродинамика сплошных сред II: жидкости и сложные среды. Нью-Йорк, Springer 1990.
    17. 17. Бейли РЛ. Менее известные области применения феррожидкостей. J Magn Magn Mater. 1983 г., ноябрь; 39 (1–2): 178–182.
    18. 18. Знакомьтесь, компакт-диск. Механизм коллоидной агломерации при формировании биттерных узоров. Proc Phys Soc. 1950 г., август; 63 (8): 922.
    19. 19.Нойрингер Дж.Л. Некоторые вязкие течения насыщенной феррожидкости при совместном воздействии градиентов теплового и магнитного полей. Int J Нелинейный мех. 1966 г., октябрь; 1 (2): 123–137.
    20. 20. Надим С., Райшад И., Мухаммад Н. и Мустафа М.Т. Математический анализ ферромагнитной жидкости, погруженной в пористую среду. Результаты Физ. 2017 янв; 7: 2361–2368.
    21. 21. Андерссон Х.И. и Валнес О.А. Течение нагретой феррожидкости над растягивающимся листом в присутствии магнитного диполя.Акта Мех. 1998 г., март; 128 (1): 39–47.
    22. 22. Зишан А. и Маджид А. Анализ теплопередачи потока жидкости Джеффри над растягивающимся листом с всасыванием / впрыском и магнитным дипольным эффектом. АЭЖ. 2016 г., сен; 55 (3): 2171–2181.
    23. 23. Маджид А., Зишан А. и Эллахи Р. Нестационарное течение ферромагнитной жидкости и анализ теплопередачи на растягивающемся листе с эффектом диполя и заданным тепловым потоком. J мол. жидк. 2016 ноябрь; 223: 528–533.
    24. 24. Надим С., Ахмад С., Мустафа М.Т. и Мухаммад Н.Химически активные частицы в потоке максвелловской жидкости. Результаты Физ. 7 января 2017 г .: 2607–2613.
    25. 25. Надим С. и Мухаммад Н. Влияние стратификации и теплового потока Каттанео-Кристова в потоке, насыщенном пористой средой. J мол. жидк. 2016 декабрь; 224: 423–430.
    26. 26. Мухаммад Н., Надим С. и Хак РУ. Явление переноса тепла в ферромагнитной жидкости над растягивающимся листом с термическим расслоением. Результаты Физ. 2017 г., декабрь; 7: 854–861.
    27. 27.Мухаммад Н., Надим С. и Мустафа М.Т. Сжатый поток наножидкости с потоками тепла и массы Каттанео—Кристова. Результаты Физ. 2017 г., декабрь; 7: 862–869.
    28. 28. Надим С., Ахмад С. и Мухаммад Н. Каттанео-Кристов. Поток в потоке вязкоупругой жидкости при ньютоновском нагреве. J мол. жидк. 2017 июль; 237: 180–184.
    29. 29. Хаят Т., Хан М.И., Фарук М., Алсаеди А., Вакас М. и Ясмин Т. Влияние модели теплового потока Каттанео-Кристова на поток жидкости с переменной теплопроводностью по поверхности с переменной толщиной.Int J Тепломассообмен. 2016 авг; 220: 702–710.
    30. 30. Хаят Т., Хан М.И., Фарук М., Ясмин Т. и Алсаеди А. Поток в точке застоя с тепловым потоком Каттанео-Кристова и гомогенно-гетерогенные реакции. J мол. жидк. 2016 авг; 220: 49–55.
    31. 31. Фарук М., Хан М.И., Вакас М., Хаят Т., Алсаеди А. и Хан М.И. МГД-точечное течение вязкоупругой наножидкости с нелинейными радиационными эффектами. J мол. жидк. 2016, сен; 221: 1097–1103.
    32. 32. Салахуддин Т., Хан И., Малик М.Ю., Хан М., Хуссейн А. и Авайс М.Внутреннее трение между частицами жидкости касательной МГД гиперболической жидкости с выделением тепла: использование коэффициентов, улучшенных Кэшем и Карпом. Евро физ дж плюс. 2017 май; 132(5):1–10.
    33. 33. Сюй Х и Чен С. Модель теплового потока Каттанео-Кристова для теплопередачи потока пограничного слоя Марангони в наножидкости медь-вода. Хит Транс Азиат Рез. 2017 г., декабрь; 46 (8): 1281–1293.
    34. 34. Вакас М., Хан М.И., Хаят Т., Алсаеди А. и Хан М.И. О влиянии двойной диффузии Каттанео—Кристова на температурно-зависимую проводимость жидкости Пауэлла—Айринга.Китайский J Phys. 2017 июнь; 55 (3): 729–737.
    35. 35. Хайат Т., Зубаир М., Вакас М., Алсаеди А. и Аюб М. О растянутом потоке материала Walter-B с переменной теплопроводностью с учетом теории потоков, отличной от Фурье. Приложение для нейронных вычислений. 2017 Май: 1–7.
    36. 36. Ляо С. За пределами возмущения: введение в метод гомотопического анализа, Chapmanand Hall, CRC Press, Boca Raton (2003).
    37. 37. Ляо С. Метод гомотопического анализа в нелинейных дифференциальных уравнениях.Springer and Higher Education Press, Гейдельберг (2012).
    38. 38. Рашиди М.М., Ганеш Н.В., Хаким А.А., Ганга Б. и Лоренцини Г. Влияние модели эффективного числа Прандтля на поток в нанопограничном слое γ Al 2 O 3 -H 2 O и γ Al 2 O 3 -C 2 H 6 O 2 над вертикально растянутым листом.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.

    2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
    тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск