Ceramika magnetyczna, materiały tlenkowe, które wykazują pewien rodzaj trwałego magnesowania zwanego ferrimagnetyzmem. Przygotowana komercyjnie ceramika magnetyczna jest stosowana w różnych zastosowaniach z magnesem trwałym, transformatorem, telekomunikacją i rejestracją informacji. W tym artykule opisano skład i właściwości głównych magnetycznych materiałów ceramicznych oraz omówiono ich główne zastosowania komercyjne.
Ferryty: skład, struktura i właściwości
Ceramika magnetyczna wykonana jest z ferrytów, które są krystalicznymi minerałami złożonymi z tlenku żelaza w połączeniu z niektórymi innymi metalami. Otrzymują ogólny wzór chemiczny M (Fe x O y), gdzie M reprezentuje inne pierwiastki metaliczne niż żelazo. Najbardziej znanym ferrytem jest magnetyt, naturalnie występujący ferryt żelazny (Fe [Fe 2 O 4] lub Fe 3 O 4) powszechnie znany jako kamień lodowy. Magnetyczne właściwości magnetytu były wykorzystywane w kompasach od czasów starożytnych.
Zachowanie magnetyczne wykazywane przez ferryty nazywa się ferrimagnetyzmem; różni się od magnetyzacji (zwanej ferromagnetyzmem), którą wykazują materiały metaliczne, takie jak żelazo. W ferromagnetyzmie istnieje tylko jeden rodzaj siatki, a niesparowane elektrony „wirują” (ruchy elektronów, które powodują pole magnetyczne) ustawiają się w jednym kierunku w obrębie danej domeny. Z drugiej strony w ferrimagnetyzmie istnieje więcej niż jeden rodzaj sieci przestrzennej, a spiny elektronów ustawiają się tak, aby przeciwstawiać się sobie nawzajem - niektóre z nich są „rozpadane”, a inne są „rozpadane” - w obrębie danej dziedziny. Niekompletne anulowanie przeciwnych spinów prowadzi do polaryzacji sieci, która, choć nieco słabsza niż w przypadku materiałów ferromagnetycznych, może być dość silna.
Trzy podstawowe klasy ferrytów są wytwarzane w magnetycznych produktach ceramicznych. W oparciu o ich strukturę krystaliczną są spinelami, sześciokątnymi ferrytami i granatami.
Spinele
Spinele mają wzór M (Fe 2 O 4), gdzie M jest zwykle dwuwartościowym kationem, takim jak mangan (Mn 2+), nikiel (Ni 2+), kobalt (Co 2+), cynk (Zn 2+), miedź (Cu 2+) lub magnez (Mg 2+). M może również reprezentować monowalentny kation litowy (Li +), a nawet wolne miejsca, o ile te nieobecności ładunku dodatniego są kompensowane przez dodatkowe trójwartościowe kationy żelaza (Fe 3+). Aniony tlenowe (O 2−) przyjmują gęsto upakowaną sześcienną strukturę krystaliczną, a kationy metalowe zajmują szczeliny w nietypowym układzie dwóch sieci. W każdej komórce jednostkowej, zawierającej 32 aniony tlenu, 8 kationów jest koordynowanych przez 4 atomy tlenu (miejsca czworościenne), a 16 kationów jest koordynowanych przez 6 atomów tlenu (miejsca oktaedryczne). Wyrównanie antyrównoległe i niepełne anulowanie spinów magnetycznych między dwiema podsieciami prowadzi do stałego momentu magnetycznego. Ponieważ spinele mają budowę sześcienną, bez preferowanego kierunku magnesowania, są „miękkie” magnetycznie; tzn. stosunkowo łatwo jest zmienić kierunek magnetyzacji poprzez zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego.
Sześciokątne ferryty
Tak zwane ferryty sześciokątne mają wzór M (Fe 12 O 19), gdzie M oznacza zwykle bar (Ba), stront (Sr) lub ołów (Pb). Struktura krystaliczna jest złożona, ale można ją opisać jako sześciokątną z unikalną osią c lub osią pionową. Jest to łatwa oś magnetyzacji w podstawowej strukturze. Ponieważ kierunku magnetyzacji nie można łatwo zmienić na inną oś, ferryty sześciokątne są określane jako „twarde”.
Ferryty granatowe
Ferryty granatu mają budowę krzemianowego granatu mineralnego i wzór chemiczny M 3 (Fe 5 O 12), gdzie M oznacza itr lub jon metali ziem rzadkich. Oprócz miejsc tetraedrycznych i oktaedrycznych, takich jak te obserwowane w spinelach, granaty mają miejsca dodekaedryczne (12-skoordynowane). Ferrimagnetyzm netto jest zatem złożonym wynikiem przeciwrównoległego wyrównania spinów między trzema typami miejsc. Granaty są również magnetycznie twarde.
Przetwarzanie ferrytów ceramicznych
Ceramiczne ferryty są wytwarzane przez tradycyjne mieszanie, kalcynowanie, prasowanie, wypalanie i wykończenie. Kontrola składu kationów i atmosfery gazowej jest niezbędna. Na przykład magnetyzacja nasycenia ferrytów spinelowych może zostać znacznie poprawiona przez częściowe zastąpienie Zn (Fe 2 O 4) Ni (Fe 2 O 4) lub Mn (Fe 2 O 4). Kationy cynku preferują koordynację czworościenną i wymuszają dodatkowe Fe3+ na miejsca oktaedryczne. Skutkuje to mniejszym anulowaniem obrotów i większym namagnesowaniem nasycenia.
Zaawansowane przetwarzanie stosuje się również do produkcji ferrytów, w tym koprecypitacji, liofilizacji, prażenia rozpryskowego i przetwarzania zol-żel. (Metody te opisano w artykule zaawansowana ceramika.) Ponadto, monokryształy są hodowane przez wyciąganie ze stopionych topników (metoda Czochralskiego) lub przez gradientowe chłodzenie stopów (metoda Bridgmana). Ferryty można również osadzać w postaci cienkich warstw na odpowiednich podłożach poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), epitaksję w fazie ciekłej (LPE) i rozpylanie. (Te metody są opisane w krysztale: Wzrost kryształów: Wzrost ze stopu.)
Aplikacje
Magnesy trwałe
Twarde ferryty magnetyczne są stosowane jako magnesy trwałe i uszczelki lodówek. Są również stosowane w mikrofonach i uszczelkach głośników. Największy rynek magnesów trwałych to małe silniki do urządzeń bezprzewodowych i do zastosowań samochodowych.
