Magnetisk keramikk, oksydmaterialer som viser en viss type permanent magnetisering kalt ferrimagnetisme. Kommersielt tilberedte magnetiske keramikker brukes i en rekke permanente magnet-, transformator-, telekommunikasjons- og informasjonsregistreringsapplikasjoner. Denne artikkelen beskriver sammensetningen og egenskapene til de viktigste magnetiske keramiske materialene og kartlegger de viktigste kommersielle bruksområdene.
Ferriter: sammensetning, struktur og egenskaper
Magnetisk keramikk er laget av ferriter, som er krystallinske mineraler sammensatt av jernoksid i kombinasjon med noe annet metall. De får den generelle kjemiske formelen M (Fe x O y), M som representerer andre metalliske elementer enn jern. Den mest kjente ferritten er magnetitt, en naturlig forekommende jernferrit (Fe [Fe 2 O 4], eller Fe 3 O 4), ofte kjent som lodestone. Magnetittens magnetiske egenskaper har blitt utnyttet i kompass siden antikken.
Ferritenes magnetiske oppførsel kalles ferrimagnetisme; det er ganske forskjellig fra magnetiseringen (kalt ferromagnetisme) som vises av metalliske materialer som jern. I ferromagnetisme er det bare en slags gitterplass, og uparede elektron "spinner" (bevegelsene til elektronene som forårsaker et magnetfelt) stiller opp i en retning innenfor et gitt domene. Når det gjelder ferrimagnetisme, er det derimot mer enn en slags gitterplass, og elektronspinn er på linje for å motsette hverandre - noen er "spin-up" og noen "spin-down" - i et gitt domene. Ufullstendig kansellering av motsatte spinn fører til en nettpolarisering, som, selv om det er noe svakere enn for ferromagnetiske materialer, kan være ganske sterk.
Tre grunnleggende klasser av ferriter er laget til magnetiske keramiske produkter. Basert på deres krystallstruktur er de spinellene, de sekskantede ferritene og garnettene.
spinels
Spineller har formelen M (Fe 2 O 4), hvor M er vanligvis et toverdig kation så som mangan (Mn 2+), nikkel (Ni 2+), kobolt (Co 2+), sink (Zn 2+), kobber (Cu 2+), eller magnesium (Mg 2+). M kan også representere den monovalente litiumkation (Li +) eller til og med ledige stillinger, så lenge disse fraværene av positiv ladning blir kompensert med ytterligere trivalente jernkationer (Fe 3+). Oksygenanjonene (O 2−) tar i bruk en tettpakket kubisk krystallstruktur, og metallkationene opptar mellomrommene i et uvanlig arrangement med to gitter. I hver enhetscelle, som inneholder 32 oksygenanioner, er 8 kationer koordinert med 4 oksygener (tetraedriske steder), og 16 kationer er koordinert med 6 oksygener (oktaedriske steder). Den antiparallelle justeringen og ufullstendig kansellering av magnetiske spinn mellom de to underdelene fører til et permanent magnetisk moment. Fordi spineller har kubikkstruktur, uten foretrukket magnetiseringsretning, er de "myke" magnetisk; dvs. det er relativt enkelt å endre magnetiseringsretningen gjennom påføring av et eksternt magnetfelt.
Sekskantede ferritter
De såkalte sekskantede ferritene har formelen M (Fe 12 O 19), der M vanligvis er barium (Ba), strontium (Sr) eller bly (Pb). Krystallstrukturen er kompleks, men den kan beskrives som sekskantet med en unik c-akse, eller vertikal akse. Dette er den enkle magnetiseringsaksen i grunnstrukturen. Siden magnetiseringsretningen ikke lett kan endres til en annen akse, blir sekskantede ferriter referert til som "harde."
Garnet ferriter
Granatferritter har strukturen til silikatmineralgranetten og den kjemiske formelen M 3 (Fe 5 O 12), der M er yttrium eller et sjeldent jord-ion. I tillegg til tetraedrale og oktaedriske steder, slik som de som er sett i spineller, har granater dodekahedralen (12-koordinert). Nettet ferrimagnetisme er således et komplekst resultat av antiparallell spinninnretning mellom de tre typene steder. Granater er også magnetiske harde.
Bearbeiding av keramiske ferriter
Keramiske ferriter lages ved tradisjonell blanding, kalsinering, pressing, fyring og etterbehandling. Kontroll av kationkomposisjon og gassatmosfære er avgjørende. For eksempel kan metningsmagnetiseringen av spinell ferritter bli betydelig forbedret ved delvis substitusjon av Zn (Fe 2 O 4) for Ni (Fe 2 O 4) eller Mn (Fe 2 O 4). Sinkkationene foretrekker tetraedrisk koordinasjon og tvinger ytterligere Fe 3+ til oktaedral-områdene. Dette resulterer i mindre kansellering av spinn og større metningsmagnetisering.
Avansert prosessering brukes også til ferrittfremstilling, inkludert kopresipitering, frysetørking, spraytesteking og sol-gel-prosessering. (Disse metodene er beskrevet i artikkelen avansert keramikk.) I tillegg blir enkeltkrystaller dyrket ved å trekke fra flussmelte (Czochralski-metoden) eller ved gradientkjøling av smelter (Bridgman-metoden). Ferriter kan også avsettes som tynne filmer på egnede underlag ved kjemisk dampdeponering (CVD), væskefaseepitaksi (LPE) og sputtering. (Disse metodene er beskrevet i krystall: Krystallvekst: Vekst fra smelten.)
applikasjoner
Permanente magneter
Harde magnetiske ferriter brukes som permanente magneter og i pakninger med kjøleskap. De brukes også i mikrofoner og høyttalerpakninger. Det største markedet for permanente magneter er i små motorer for trådløse apparater og i bilapplikasjoner.
