Magnetna keramika, oksidni materiali, ki kažejo določeno vrsto trajne magnetizacije, imenovano ferrimagnetizem. Komercialno pripravljena magnetna keramika se uporablja v različnih aplikacijah za trajni magnet, transformator, telekomunikacije in snemanje informacij. Ta članek opisuje sestavo in lastnosti glavnih magnetnih keramičnih materialov ter raziskuje njihove glavne komercialne aplikacije.
Feri: sestava, struktura in lastnosti
Magnetna keramika je narejena iz feritov, ki so kristalni minerali, sestavljeni iz železovega oksida v kombinaciji z nekaterimi drugimi kovinami. Dajo jim splošno kemijsko formulo M (Fe x O y), pri čemer M predstavlja druge kovinske elemente kot železo. Najbolj znan ferit je magnetit, naravni železov ferit (Fe [Fe 2 O 4] ali Fe 3 O 4), splošno znan kot lodestone. Magnetne lastnosti magnetita se v kompasih uporabljajo že od antičnih časov.
Magnetno vedenje feritov imenujemo ferrimagnetizem; se precej razlikuje od magnetiziranja (imenovanega feromagnetizem), ki ga razstavljajo kovinski materiali, kot je železo. V feromagnetizmu obstaja samo ena vrsta rešetke in neparni elektroni se "vrtijo" (gibi elektronov, ki povzročajo magnetno polje) v eni smeri znotraj določene domene. Na drugi strani je v ferrimagnetizmu več vrst rešetke in elektronski vrti se poravnajo tako, da si nasprotujejo - nekateri so "spin-up" in nekateri "spin-down" - z dano domeno. Nepopolna odpoved nasprotnih vrtljajev vodi do neto polarizacije, ki pa je lahko nekoliko šibkejša kot pri feromagnetnih materialih.
Tri osnovne razrede feritov so izdelani v izdelkih iz magnetne keramike. Na osnovi svoje kristalne strukture so točkice, šesterokotni feriti in granati.
Spinels
Spineli imajo formulo M (Fe 2 O 4), kjer je M običajno dvovalenten kation, kot so mangan (Mn 2+), nikelj (Ni 2+), kobalt (Co 2+), cink (Zn 2+), baker (Cu 2+) ali magnezija (Mg 2+). M lahko predstavlja tudi monovalentni litijev kation (Li +) ali celo prosta delovna mesta, če te odsotnosti pozitivnega naboja kompenzirajo dodatni trivalentni kationi železa (Fe 3+). Kisijski anioni (O 2−) prevzamejo tesno kubično kristalno strukturo, kovinski kationi pa zasedajo vmesne odprtine v nenavadni razporeditvi z dvema rešetkama. V vsaki enotni celici, ki vsebuje 32 kisikovih anionov, je 8 kacij usklajenih s 4 oksigeni (tetraedrska mesta), 16 kacij pa s 6 oksigeni (oktaedrska mesta). Proti vzporedna poravnava in nepopolna odpoved magnetnih vrtljajev med obema podlotama vodi do trajnega magnetnega trenutka. Ker so spinele kubične strukture, brez prednostne smeri magnetiziranja, so magnetno mehke; tj. razmeroma enostavno je spremeniti smer magnetizacije z uporabo zunanjega magnetnega polja.
Šestkotni ferriti
Tako imenovani šesterokotni feriti imajo formulo M (Fe 12 O 19), kjer je M običajno barij (Ba), stroncij (Sr) ali svinec (Pb). Kristalna struktura je zapletena, vendar jo je mogoče opisati kot šestkotno z edinstveno c osjo ali navpično osjo. To je enostavna os magnetiziranja v osnovni strukturi. Ker smeri namakanja ni mogoče enostavno spremeniti na drugo os, se šesterokotni feriti imenujejo "trdi".
Granat ferit
Granatni ferit ima strukturo silikatnega mineralnega granata in kemijsko formulo M 3 (Fe 5 O 12), kjer je M itrij ali redkozemeljski ion. Poleg tetraedrskih in oktaedrskih mest, kot so tista, ki jih vidimo v spinelih, imajo granat tudi dodekatedrska (12-koordinirana) mesta. Neto ferrimagnetizem je tako kompleksen rezultat protiparalne poravnave med tremi vrstami mest. Granati so tudi magnetno trdi.
Predelava keramičnih feritov
Keramični feriti so izdelani s tradicionalnimi koraki mešanja, žganja, stiskanja, žganja in zaključnih korakov. Nadzor sestave kationov in plinske atmosfere je bistvenega pomena. Na primer, magnetiziranje nasičenosti sfinelnih feritov se lahko znatno poveča z delno substitucijo Zn (Fe 2 O 4) za Ni (Fe 2 O 4) ali Mn (Fe 2 O 4). Cinkovi kationi raje tetraedrsko koordinacijo in silijo dodatne Fe 3+ na oktaedrska mesta. To ima za posledico manj odpovedi vrtljajev in večjo magnetizacijo nasičenosti.
Napredna predelava se uporablja tudi za proizvodnjo ferita, vključno s koprepariranjem, sušenjem z zamrzovanjem, pranjem v pršilu in obdelavo z sol-gelom. (Te metode so opisane v članku Napredna keramika.) Poleg tega se posamezni kristali gojijo s potegom iz fluksnih talin (metoda Czochralski) ali z gradientnim hlajenjem talin (metoda Bridgman). Feritne snovi lahko tudi odložimo kot tanke filme na ustrezne podlage s kemičnim nanašanjem hlapov (CVD), epitaksi v tekoči fazi (LPE) in brizganjem. (Te metode so opisane v kristalu: Rast kristalov: rast iz taline.)
Prijave
Trajni magneti
Trdi magnetni feriti se uporabljajo kot trajni magneti in v tesnilih s hladilnimi tesnili. Uporabljajo se tudi v mikrofonih in tesnilih zvočnikov. Največji trg trajnih magnetov je v majhnih motorjih za brezžične naprave in v avtomobilskih aplikacijah.
