Magnetisk keramik, oxidmaterial som uppvisar en viss typ av permanent magnetisering som kallas ferrimagnetism. Kommersiellt framställd magnetisk keramik används i en mängd olika permanentmagnet-, transformator-, telekommunikations- och informationsregistreringsapplikationer. Den här artikeln beskriver sammansättningen och egenskaperna hos de viktigaste magnetiska keramiska materialen och undersöker deras huvudsakliga kommersiella tillämpningar.
Ferriter: sammansättning, struktur och egenskaper
Magnetisk keramik är gjord av ferriter, som är kristallina mineraler som består av järnoxid i kombination med någon annan metall. De ges den allmänna kemiska formeln M (Fe x O y), M representerar andra metalliska element än järn. Den mest kända ferriten är magnetit, en naturligt förekommande järnferrit (Fe [Fe 2 O 4] eller Fe 3 O 4) som vanligen kallas lodsten. Magnetitens magnetiska egenskaper har utnyttjats i kompasser sedan forntiden.
Ferriternas magnetiska beteende kallas ferrimagnetism; det skiljer sig helt från magnetiseringen (kallad ferromagnetism) som visas av metalliska material som järn. Vid ferromagnetism finns det bara en typ av gitterplats, och oparade elektroniska "snurrar" (rörelserna hos elektroner som orsakar ett magnetfält) raderas upp i en riktning inom ett givet domän. I ferrimagnetism, å andra sidan, finns det mer än en typ av gitterplats, och elektronsnurr anpassas så att de motsätter varandra - vissa är "spin-up" och andra är "spin-down" - inom en given domän. Ofullständig annullering av motstående snurr leder till en nettpolarisation, som, även om den är något svagare än för ferromagnetiska material, kan vara ganska stark.
Tre grundläggande klasser av ferriter görs till magnetiska keramiska produkter. Baserat på deras kristallstruktur är de spinellerna, de hexagonala feriterna och granaterna.
spin
Spin har formeln M (Fe 2 O 4), där M är vanligtvis en tvåvärd katjon, såsom mangan (Mn 2+), nickel (Ni 2+), kobolt (Co 2+), zink (Zn 2+), koppar (Cu2 +) eller magnesium (Mg2 +). M kan också representera den monovalenta litiumkatjonen (Li +) eller till och med vakanser, så länge dessa frånvaro av positiv laddning kompenseras med ytterligare trivalenta järnkatjoner (Fe 3+). Syrejonerna (O 2−) antar en tätt packad kubisk kristallstruktur, och metallkationerna upptar mellanrummen i ett ovanligt arrangemang med två gitter. I varje enhetscell, som innehåller 32 syreanjoner, koordineras 8 katjoner av 4 oxygenser (tetraedriska ställen), och 16 katjoner koordineras av 6 oxygenser (oktaedriska platser). Den antiparallella inriktningen och ofullständig annullering av magnetiska snurr mellan de två underdelarna leder till ett permanent magnetiskt ögonblick. Eftersom spineller har kubikstruktur, utan någon föredragen magnetiseringsriktning, är de "mjuka" magnetiskt; dvs det är relativt enkelt att ändra magnetiseringsriktningen genom applicering av ett yttre magnetfält.
Hexagonala ferriter
De så kallade hexagonala ferriterna har formeln M (Fe 12 O 19), där M vanligtvis är barium (Ba), strontium (Sr) eller bly (Pb). Kristallstrukturen är komplex, men den kan beskrivas som hexagonal med en unik c-axel eller vertikal axel. Detta är den enkla magnetiseringsaxeln i grundstrukturen. Eftersom magnetiseringsriktningen inte lätt kan ändras till en annan axel, kallas hexagonala ferriter som "hårda."
Garnet ferriter
Granatferriter har strukturen av silikatmineralgranat och den kemiska formeln M 3 (Fe 5 O 12), där M är yttrium eller en sällsynt jordartsjon. Förutom tetraedriska och oktaedriska platser, såsom de som ses i spineller, har granater dodekahedralen (12-koordinerade) platser. Nätferrimagnetism är alltså ett komplext resultat av antiparallell spinninriktning mellan de tre typerna av platser. Granater är också magnetiskt hårda.
Bearbetning av keramiska ferriter
Keramiska ferriter tillverkas genom traditionella blandnings-, kalcinerings-, pressnings-, brännings- och efterbehandlingssteg. Kontroll av katjonkomposition och gasatmosfär är väsentlig. Till exempel, kan mättnadsmagnetiseringen av spinell-ferriter förbättras avsevärt genom partiell substitution av Zn (Fe 2 O 4) för Ni (Fe 2 O 4) eller Mn (Fe 2 O 4). Zinkkatjonerna föredrar tetraedrisk koordination och tvingar ytterligare Fe 3+ på de oktaedriska platserna. Detta resulterar i mindre annullering av snurr och större mättnadsmagnetisering.
Avancerad bearbetning används också för ferrittillverkning, inklusive samutfällning, frystorkning, spraytostning och sol-gelbearbetning. (Dessa metoder beskrivs i artikeln avancerad keramik.) Dessutom odlas enkelkristaller genom att dra från flödade smälter (Czochralski-metoden) eller genom gradientkylning av smälter (Bridgman-metoden). Ferriter kan också deponeras som tunna filmer på lämpliga underlag genom kemisk ångavsättning (CVD), vätskefasepitaxi (LPE) och förstoftning. (Dessa metoder beskrivs i kristall: Kristaltillväxt: Tillväxt från smältan.)
tillämpningar
Permanenta magneter
Hårda magnetiska ferriter används som permanentmagneter och i kyltätningspackningar. De används också i mikrofoner och högtalartätningar. Den största marknaden för permanentmagneter är i små motorer för trådlösa apparater och för bilapplikationer.
