Ferrite

Ferrite sind elektrisch schlecht oder nicht leitende ferrimagnetische keramische Werkstoffe aus dem Eisenoxid Hämatit (Fe₂O₃), seltener aus Magnetit (Fe₃O₄) und aus weiteren Metalloxiden. Je nach Zusammensetzung sind Ferrite hartmagnetisch oder weichmagnetisch.

Eigenschaften

Es wird zwischen weichmagnetischen und hartmagnetischen Ferriten unterschieden. Weichmagnetische Ferrite besitzen eine möglichst geringe Koerzitivfeldstärke, hartmagnetische Ferrite eine möglichst hohe. Ob ein magnetischer Werkstoff eher weich- oder hartmagnetisch ist, lässt sich anhand seiner Hysteresekurve ermitteln. Für weichmagnetische Ferrite wird eine möglichst leichte (Um-)Magnetisierbarkeit angestrebt, was einer schmalen Hysteresekurve entspricht.

Ferrite sind, wie alle keramischen Werkstoffe, hart und spröde und daher bruchgefährdet.

Weichmagnetische Ferrite

Weichmagnetische Ferritkerne („Eisenkerne“), wie sie in Gleichspannungswandlern und Schaltnetzteilen eingesetzt werden

Weichmagnetische Ferrite werden in der Elektrotechnik als Ferritkerne in Transformatoren in Schaltnetzteilen und in Spulen eingesetzt. Im nicht gesättigten Fall ist eine hohe magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) möglich.

Da sie kaum elektrisch leitfähig sind und daher nahezu keine Wirbelstromverluste auftreten, sind sie auch für hohe Frequenzen bis zu einigen Megahertz geeignet. Spezielle, für Mikrowellen geeignete Ferrite bestehen aus Spinellen und Granaten.

Die üblichen weichmagnetischen Ferritmaterialen sind:

• Mangan-Zink-Ferrite (MnZn) in der Zusammensetzung Mn_aZn_(1-a)Fe₂O₄
• Nickel-Zink-Ferrite (NiZn) in der Zusammensetzung Ni_aZn_(1-a)Fe₂O₄

MnZn hat gegenüber NiZn eine höhere Permeabilität und höhere Sättigungsmagnetisierung. Die elektrische Leitfähigkeit von NiZn ist geringer als MnZn, weshalb NiZn für höhere Frequenzen geeignet ist.

Hartmagnetische Ferrite

Hartmagnetische Ferrite (Schwarze Blöcke), die als Dauermagnet verwendet werden

Hartmagnetische Ferrite werden als kostengünstiger Dauermagnet eingesetzt. Im Gegensatz zu den Seltenerdmagneten weisen sie eine deutlich geringere magnetische Energiedichte auf, das heißt eine kleinere Koerzitivfeldstärke und kleinere Remanenzflussdichte.

Die üblichen hartmagnetischen Ferritmaterialen sind:

• Strontium-Ferrite in der Zusammensetzung SrFe₁₂O₁₉
• Barium-Ferrite in der Zusammensetzung BaFe₁₂O₁₉
• Cobalt-Ferrite in der Zusammensetzung CoFe₂O₄

Barium-Ferrite sind vergleichsweise robust und unempfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit.

Herstellung

Ferrite werden meist in einem Sinterprozess hergestellt. Hartmagnetische Ferrite werden durch eine chemische Reaktion, die Kalzination, aus den Ausgangsstoffen Eisen(III)-oxid und Barium- bzw. Strontiumcarbonat hergestellt. Dieser Prozess wird veraltet als „Vorsintern“ bezeichnet. Anschließend muss das Reaktionsprodukt möglichst fein aufgemahlen (Einbereichsteilchen, Weiss-Bezirke, Korngröße 1 bis 2 µm), zu Presslingen geformt, getrocknet und gesintert werden. Die Formung der Presslinge kann in einem äußeren Magnetfeld erfolgen, wobei die Körner (möglichst Einbereichsteilchen) so in eine Vorzugsorientierung gebracht werden (Anisotropie).

Bei kleinen, geometrisch einfachen Formen kann ebenfalls das sogenannte „Trockenpressen“ zur Formung von Werkstücken eingesetzt werden; hierbei ist die starke Tendenz zur (Re-)Agglomeration kleinster Teilchen (1 bis 2 µm) die Ursache für meist schlechtere magnetische Kennwerte gegenüber den „nass“ gepressten Teilen. Direkt aus den Ausgangsstoffen geformte Presskörper können zwar konzertiert kalziniert und gesintert werden, die magnetischen Kennwerte von auf diesem Wege hergestellten Produkten sind aber sehr schlecht.

Weichmagnetische Ferrite werden ebenfalls vorgesintert (Bildungsreaktion), aufgemahlen und gepresst. Jedoch findet die anschließende Sinterung in speziell angepassten Atmosphären (z.B. Sauerstoffmangel) statt. Die chemische Zusammensetzung und vor allem die Struktur von Vorsinterprodukt und Sinterprodukt unterscheiden sich stark.

Anwendungsgebiete

Anwendung finden Magnetwerkstoffe auf Ferritbasis vor allem in der Elektrotechnik.

Weichmagnetische Ferrite:

• Ferritkerne in Spulen (Ferritantennen), Drosseln und Transformatoren
• Zum Verändern der Leitungseigenschaften, Bespulte Leitung
• in der Hochfrequenztechnik (HF) und beim Antennenbau, z.B. Kerne in Baluns und Zirkulatoren in Diplexern, sowie in variablen Dämpfungsgliedern bzw. Absorbern.
• Impulsübertrager und Signalübertrager für hohe Frequenzen, z.B. in Symmetriergliedern

Entstördrosseln

• Magnetköpfe in Tonbandgeräten (Löschkopf), Videorecordern, Computer-Festplatten und Diskettenlaufwerken
• Zur Abdichtung von Mikrowellengeräten (Ferrit absorbiert die aus dem Garraum austretenden elektromagnetischen Wellen und verhindert so die Emission nach außen)
• Stealth-Technik zur Tarnung (Ferrit absorbiert Radar-Wellen)

Je nach Anwendung werden verschiedenste Bauformen hergestellt:

Ringkerne, Stabkerne, sog. bobbin-Kerne, Topfkerne, E- und U-Kerne (in Kombination mit gleichartigen oder mit I-Kernen). Die Buchstaben-Kennzeichnung erfolgt dabei in Anlehnung an die Form. Ein Großteil der Massenferrite wird inzwischen in Asien hergestellt. Seit einigen Jahren werden in China enorme Fertigungskapazitäten aufgebaut.

Hartmagnetische Ferrite:

• Magnetisierbare Beschichtung auf Ton- und Videobändern (hier jedoch nicht keramisch gebunden)

Versuchsaufbau eines Speichers aus Ferritkernen
• Kernspeicher in Computern mit auf Cu-Drähten aufgefädelten Magnetringen (heute veraltet)
• Dauermagnete aller Art, z.B. Magnetsegmente in permanentmagnetisch erregten Elektromotoren, in Lautsprechern
• Verbundwerkstoffe (Compounds) aus Hartferritpulvern und Thermo- bzw. Duroplasten, die entweder spritzgegossen, extrudiert oder kalandriert werden. Bei den meisten spritzgegossenen Werkstücken aus Hartferritcompound wird nach dem Einspritzen in das Werkzeug ein äußeres Magnetfeld angelegt, um die magnetischen Kennwerte zu verbessern. Bei kalandrierten, und teilweise auch bei extrudierten Compounds findet die Ausrichtung idealerweise mechanisch statt, wobei die Plättchenform der Körner von Hartferrit ausgenutzt wird. Hartferritpulver für spritzgussfähige Compounds dagegen sollen möglichst runde Körner besitzen, da sie sich beim Ausrichten im äußeren Magnetfeld in der sehr zähen (hochviskosen) Kunststoffmatrix noch drehen können sollten.

Basierend auf Artikeln in: Wikipedia.de