フェライト（磁石）
フェライト磁石を積み重ね、そこに磁性のある家庭用品を貼り付けます。

[ 1 ]フェライトは酸化鉄を含む磁性セラミックの一種です。フェリ磁性（強磁性）、磁場に引き寄せられ、磁化することで永久磁石。多くの強磁性導電性を持たず変圧器の磁心渦電流を抑制する用途に有用です。 [ 2 ]

フェライトは、磁気保磁力（消磁に対する耐性）に基づいて2つのグループに分けられます。 [ 3 ]「ハード」フェライトは保磁力が高いため、消磁されにくいです。冷蔵庫のマグネット、スピーカー、小型電気モーターなどの用途の永久磁石の製造に使用されます。 「ソフト」フェライトは保磁力が低いため、磁化が変化しやすく、磁場の導体として機能します。エレクトロニクス業界では、高周波インダクタ、トランス、アンテナ、および様々なマイクロ波部品用のフェライトコアと呼ばれる効率的な磁気コアの製造に使用されます。

フェライト化合物は主に酸化鉄から作られているため、非常に安価で、優れた耐食性を備えています。東京工業大学の加藤与五郎と武井武は1930年に最初のフェライト化合物を合成しました。[ 4 ]

組成、構造、特性

フェライトは通常、鉄酸化物から得られる強磁性 セラミック化合物であり、体心立方晶または六方晶系の結晶構造を持ちます。[ 5 ]他のほとんどのセラミックと同様に、フェライトは硬くて脆く、電気伝導性が低いです。

これらは通常、α-鉄(III)酸化物（例えばヘマタイトFe 2 O 3）と1つ以上の追加の金属元素酸化物で構成され、通常、 Fe(II)などのM O·Fe 2 O 3のおおよその化学量論式を持ちます。例えば、一般的な鉱物であるマグネタイトはFe(II)-Fe(III) 2 O 4で構成されます。[ 6 ] 585 °Cを超えると、Fe(II)-Fe(III) 2 O 4は非磁性のガンマ相に変態します。[ 7 ] Fe(II)-Fe(III) 2 O 4は、鋳鉄製調理器具の表面をコーティングする黒色の酸化鉄(II)としてよく見られます。他のパターンはM ·Fe(III) 2 O 3で、Mは別の金属元素です。一般的な天然フェライト（典型的にはスピネルグループのメンバー）には、鉱物トレボライトとして産出するニッケル（NiFe 2 O 4 ） 、鉱物ジャコブサイトとして産出するマグネシウム含有マグネシオフェライト（MgFe 2 O 4）[ 8 ] [ 9 ]コバルト（コバルトフェライト）[ 10 ]マンガン（MnFe 2 O 4）が含まれる。ビスマス[ 11 ]、ストロンチウム、亜鉛（フランクリン石に見られる）[ 12 ] 、アルミニウム、イットリウム、バリウムフェライトも使用される[ 13 ] [ 14 ]さらに、より複雑な合成合金が特定の用途で使用されることが多い。[ 15 ] [ 16 ]

多くのフェライトは、式A Bのスピネル化学構造を採用しています。2お4ここで、AとBは様々な金属陽イオンを表し、そのうちの1つは通常鉄（Fe）である。スピネルフェライトは通常、立方最密充填（fcc）酸化物（O 2−）からなる結晶モチーフを採用し、 A陽イオンは四面体空孔の8分の1を占め、B陽イオンは八面体空孔の半分を占める。すなわち、A2歳以上B3+ 2お2−4​例外としてスピネル結晶構造を持つɣ-Fe 2 O 3があり、磁気記録基板として広く使用されている。 [ 17 ] [ 18 ]

しかし、その構造は通常のスピネル構造ではなく、むしろ逆スピネル構造である。すなわち、四面体空孔の8分の1はB陽イオン、八面体空孔の4分の1はA陽イオン、残りの4分の1はB陽イオンで占められている。また、式[ M2+ (1− δ ) 鉄3+ δ ] [ M2+ δ 鉄3+ (2− δ ) ] O4ここで、δは反転の度合いです。

「Zn Fe」として知られる磁性材料の化学式はZnFeである。2お4、Feを含む3歳以上八面体サイトを占有し、Zn2歳以上四面体サイトを占めており、通常の構造のスピネルフェライトの例である。[ 19 ]

一部のフェライトはバリウムフェライトやストロンチウムフェライト（BaFe）のように六方晶構造をとる。12お19( BaO・6Fe2お3）およびSrFe12お19（SrO ·6 Fe2お3）。[ 20 ]

磁気特性の観点から、さまざまなフェライトは、次のように 磁気保磁力の低さや高さに応じて、「ソフト」、「半硬質」、「硬質」に分類されることがよくあります。

ソフトフェライト

小型変圧器やインダクタの製造に使用されるさまざまなフェライトコア
携帯ラジオのフェライトAMループスティックアンテナは、フェライトコアの周りに巻かれたワイヤーで構成されています。
さまざまな小型フェライトコアインダクタとトランス

変圧器や電磁石のコアに使われるフェライトには、ニッケル、亜鉛、マンガン[ 21 ]などの化合物が含まれています。ソフトフェライトは永久磁石を作るのには適していません。透磁率が高いため磁場を伝導し磁石に引き寄せられますが、外部磁場が除去されると残留磁化が持続しなくなります。これは保磁力が低いためです。また保磁力が低いということは、材料の磁化が多くのエネルギーを消費することなく簡単に方向を反転できること (ヒステリシス損失) を意味し、一方材料の高い抵抗率はコア内の渦電流(別のエネルギー損失源)を防ぎます。高周波でのコア損失が比較的低いため、スイッチングモード電源やAM ラジオで使用されるループスティックアンテナなどの用途で、RFトランスフォーマーやインダクタのコアに広く使用されています。

最も一般的なソフトフェライトは以下のとおりである。[ 20 ]

マンガン亜鉛フェライト
「Mn Zn」、化学式Mnδ 亜鉛（1− δ） 鉄2お4Mn ZnはNi Znよりも透磁率と飽和誘導率が高い。
ニッケル亜鉛フェライト
「Ni Zn」、化学式Niδ 亜鉛（1− δ） 鉄2お4Ni ZnフェライトはMn Znよりも高い抵抗率を示すため、1MHz以上の周波数に適しています。[ 22 ]

0.5MHz以上5MHz未満の周波数では、Mn-Znフェライトが使用され、5MHzを超える周波数では、Ni-Znが通常使用されます。ただし、コモンモードインダクタの場合は例外で、閾値は70MHzです。[ 23 ]

半硬質フェライト

コバルトフェライト
コフェロール2お4（CoO · Fe2お3）は軟磁性材料と硬磁性材料の中間に位置し、通常は半硬質材料に分類されます。[ 24 ]飽和磁歪が大きい（約200 ppm）ため、主にセンサーやアクチュエータなどの磁歪用途に使用されます。[ 25 ] CoFe2お4また、希土類元素を含まないという利点もあり、テルフェノールDの優れた代替品となる。[ 26 ]

さらに、コバルトフェライトの磁歪特性は、磁気一軸異方性を誘起することで調整できる。[ 27 ]これは、磁気焼鈍[ 28 ] 、磁場アシスト圧縮[ 29 ]、または一軸圧力下での反応[ 30 ]によって行うことができる。この最後の解決策は、放電プラズマ焼結を用いることで超高速（20分）で焼結できるという利点がある。コバルトフェライトに誘起された磁気異方性は、複合材料における磁気電気効果を高めるのにも有益である。[ 31 ]

ハードフェライト

小型永久磁石電動モーターを分解した図。ステーターアセンブリ内の2つの三日月形のフェライト磁石が見える（左下）

対照的に、永久フェライト磁石はハードフェライトで作られており、高い保磁力と磁化後の残留磁気が高い。高い保磁力は材料が減磁しにくいことを意味し、これは永久磁石に不可欠な特性である。また、高い透磁率も備えている。これらのいわゆるセラミック磁石は安価で、冷蔵庫用マグネットなどの家庭用品に広く使用されている。最大磁場Bは約0.35 テスラ、磁場強度Hは約30～160キロアンペア・ターン/メートル（400～2000 エルステッド）である。[ 32 ]フェライト磁石の密度は約5 g/cm 3である。

最も一般的なハードフェライトは次のとおりです。

ストロンチウムフェライト
ストロンチウム鉄12お19（SrO ·6 Fe2お3）、小型電気モーター、マイクロ波デバイス、記録媒体、磁気光記録媒体、通信、電子産業で使用されている。[ 20 ]ストロンチウムヘキサフェライト（SrFe12お19）は、その磁気結晶異方性に起因する高い保磁力でよく知られています。永久磁石として産業用途で広く利用されており、粉末状にして容易に成形できるため、バイオマーカー、バイオ診断、バイオセンサーなどのマイクロ・ナノシステムへの応用も見られています。[ 33 ]
バリウムフェライト
BaFe12お19( BaO・6Fe2お3バリウムフェライトは、永久磁石用途で広く使用されている材料です。バリウムフェライトは、一般的に湿気や腐食に対して安定で、堅牢なセラミックスです。例えば、スピーカーのマグネットや、磁​​気ストライプカードなどの磁気記録媒体として使用されます。

酸化鉄と（炭酸バリウムまたは炭酸ストロンチウム）はハードフェライト磁石の製造に使用されます。[ 34 ] [ 35 ]

生産

フェライトは主に共沈法とゾルゲル法という2つのプロセスで製造されます。どちらのプロセスも水溶液から始まり、塩基/酸（共沈法）または燃料/キレート（ゾルゲル法）を加えることで溶液の変性を開始します。共沈法では、金属イオンが水酸化物/酸化物の沈殿物を形成します。濾過、洗浄、乾燥、粉砕後、粉末を焼成してフェライト相を得ます。ゾルゲル法では、均質溶液を液体からゲルに変化させるために温度を上げる必要があります。ゲル形成後、自己燃焼/自動発火反応が起こり、微細な酸化物粒子が生成されます。この酸化物粒子は粉砕および焼成後、最終的なフェライト粉末に変換されます[ 36 ]。この反応の理想的な式を以下に示します：[ 37 ]

Fe 2 O 3 + ZnO → ZnFe 2 O 4

場合によっては、細かく粉砕した前駆体の混合物を金型に押し込みます。

バリウムフェライトおよびストロンチウムフェライトの場合、これらの金属は通常、炭酸塩（BaCO 3またはSrCO 3 ）として供給されます。加熱処理中に、これらの炭酸塩は焼成されます。

MCO 3 → MO + CO 2

この工程の後、2つの酸化物が結合してフェライトが形成されます。得られた酸化物の混合物は焼結されます。

処理

フェライトを得た後、冷却された生成物は2μm未満の粒子に粉砕されます。これは、各粒子が単一の磁区で構成されるのに十分な大きさです。次に、粉末は成形され、乾燥され、再焼結されます。成形は、粒子の優先配向（異方性） を達成するために、外部磁場中で行われる場合もあります。

乾式プレスでは、小型で形状が簡単な形状を製造できます。しかし、この方法では小さな粒子が凝集し、湿式プレス法に比べて磁気特性が低下する可能性があります。再粉砕せずに直接焼成・焼結することも可能ですが、磁気特性は低下します。

電磁石用フェライトコアは、予備焼結（反応前処理）、粉砕、プレス加工が可能です。ただし、焼結は特定の雰囲気、例えば酸素欠乏雰囲気下で行われます。前駆体と焼結製品では、化学組成、特に構造が大きく異なります。

焼結中に製品を炉内で効率的に積み重ね、部品同士の固着を防ぐため、多くのメーカーはセラミック製の粉末分離シートを使用して製品を分離しています。これらのシートは、アルミナ、ジルコニア、マグネシアなど、様々な材質で提供されており、粒子サイズも細粒、中粒、粗粒の3種類があります。焼結する製品に合わせて材質と粒子サイズを調整することで、表面の損傷や汚染を軽減し、炉への負荷を最大化できます。

用途

フェライトコアは、電子インダクタ、変圧器、電磁石に使用され、フェライトの高い電気抵抗により渦電流損失が非常に低くなります。

フェライトは、フェライト ビーズと呼ばれる塊としてコンピュータ ケーブル内にも存在し、高周波電気ノイズ (無線周波数干渉) が機器を出入りするのを防ぐのに役立ちます。このタイプのフェライトは、不要な高周波エネルギーをブロック (反射) するだけでなく、吸収して熱として発散させる損失材料で作られています。

初期のコンピュータメモリは、コアメモリアレイに組み立てられた硬質フェライトコアの残留磁場にデータを保存していました。フェライト粉末は磁気記録テープのコーティングに使用されていました。

フェライト粒子は、ステルス機や電磁両立性測定室のレーダー吸収材やコーティング材、電磁両立性測定室の吸音タイルの材料としても使用されています。拡声器や電磁機器のピックアップに使用されるものなど、最も一般的なオーディオ用磁石のほとんどはフェライト磁石です。一部の「ビンテージ」製品を除き、これらの用途では、フェライト磁石がより高価なアルニコ磁石に大きく取って代わっています。特に、ハードヘキサフェライトは現在でも、冷蔵庫のシールガスケット、マイクやスピーカー、コードレス家電の小型モーター、そして自動車用途における永久磁石として最も広く使用されています。[ 38 ]

フェライト磁石は、コスト効率と耐腐食性のため、電動パワーステアリングシステムや自動車用センサーに使用されています。[ 39 ]フェライト磁石は、高い透磁率と低い電気伝導率で知られており、高周波用途に適しています。[ 40 ]電動パワーステアリングシステムでは、効率的なモーターの動作に必要な磁場を提供し、システム全体の性能と信頼性に貢献しています。[ 41 ]自動車用センサーは、位置、速度、液面などのさまざまなパラメーターを正確に検出および測定するためにフェライト磁石を利用しています。[ 42 ]

セラミックフェライト磁石は超伝導磁石に比べて磁場が弱いため、低磁場MRIシステムやオープンMRIシステムで使用されることがあります。[ 43 ] [ 44 ]これらの磁石は、コストが低く、磁場が安定しており、複雑な冷却システムを必要とせずに機能するため、特定のケースで好まれます。[ 45 ]

フェライトナノ粒子は超常磁性特性を示します。

歴史

1930年、東京工業大学の加藤与五郎と武井武が初めてフェライト化合物を合成しました。これをきっかけに、1935年にこの材料を製造するTDK株式会社が設立されました。

バリウムヘキサフェライト（BaO•6Fe 2 O 3）は、1950年にフィリップス自然科学研究所（フィリップス物理学研究所）で発見されました。この発見は、半導体材料としての利用を調査するチームのために六方晶ランタンフェライトのサンプルを準備するはずだった助手のミスによる、いくぶん偶然の産物でした。それが実際に磁性材料であることが判明し、X線結晶構造解析によってその構造が確認されると、彼らはそれを磁気研究グループに引き渡しました。[ 46 ] バリウムヘキサフェライトは、高い保磁力（170 kA/m）と低い原材料コストの両方を備えています。これはフィリップスインダストリーズ（オランダ）で製品として開発され、1952年からFerroxdureという商標で販売されました。[ 47 ] Mullard's Magnadurとも呼ばれています。低価格と優れた性能により、永久磁石の使用が急速に増加しました。[ 48 ]

1960年代、フィリップスはバリウムヘキサフェライトよりも優れた特性を持つストロンチウムヘキサフェライト（SrO•6Fe 2 O 3）を開発しました。バリウムとストロンチウムヘキサフェライトは低コストのため市場を席巻しています。その後、より優れた特性を持つ他の材料も発見され、BaO•2(FeO)•8(Fe 2 O 3 )は1980年に登場しました[ 49 ]。また、Ba 2 ZnFe 18 O 23は1991年に登場しました[ 50 ]。

参照

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