Magnetisk keramik, oxidmaterialer, der udviser en bestemt type permanent magnetisering kaldet ferrimagnetisme. Kommercielt fremstillet magnetisk keramik anvendes i en række applikationer til permanent magnet, transformer, telekommunikation og information. Denne artikel beskriver sammensætningen og egenskaberne af de vigtigste magnetiske keramiske materialer og undersøger deres vigtigste kommercielle anvendelser.
Ferrites: sammensætning, struktur og egenskaber
Magnetisk keramik er lavet af ferriter, som er krystallinske mineraler sammensat af jernoxid i kombination med noget andet metal. De får den generelle kemiske formel M (Fe x O y), M repræsenterer andre metalliske elementer end jern. Den mest kendte ferrit er magnetit, en naturligt forekommende jernferrit (Fe [Fe 2 O 4] eller Fe 3 O 4), der almindeligvis kaldes lodsten. Magnetitens magnetiske egenskaber er blevet udnyttet i kompasser siden oldtiden.
Ferrites magnetiske opførsel kaldes ferrimagnetisme; det er meget forskelligt fra magnetiseringen (kaldet ferromagnetisme), der udstilles af metalliske materialer som jern. I ferromagnetisme findes der kun en slags gittersted, og uparrede elektron "spins" (bevægelserne af elektroner, der forårsager et magnetfelt) stiller op i en retning inden for et givet domæne. I ferrimagnetisme er der på den anden side mere end en slags gitterplads, og elektronspins er på linje med hinanden for at modsætte sig hinanden - nogle er "spin-up" og nogle "spin-down" - inden for et givet domæne. Ufuldstændig annullering af modstående spins fører til en netpolarisering, som, selv om den er noget svagere end for ferromagnetiske materialer, kan være ret stærk.
Tre grundlæggende klasser af ferriter er lavet til magnetiske keramiske produkter. Baseret på deres krystalstruktur er de spinellerne, de hexagonale ferriter og granaterne.
spineller
Spineller har formlen M (Fe 2 O 4), hvor M er sædvanligvis en divalent kation, såsom mangan (Mn 2+), nikkel (Ni 2+), kobolt (Co 2+), zink (Zn 2+), kobber (Cu2 +) eller magnesium (Mg 2+). M kan også repræsentere den monovalente lithiumkation (Li +) eller endda ledige pladser, så længe disse fravær af positiv ladning kompenseres med yderligere trivalente jernkationer (Fe 3+). Oxygenionerne (O 2−) indtager en tæt pakket kubisk krystalstruktur, og metalkationerne optager mellemrummene i et usædvanligt to-gitterarrangement. I hver enhedscelle, der indeholder 32 oxygenioner, koordineres 8 kationer med 4 oxygener (tetrahedrale steder), og 16 kationer koordineres af 6 oxygener (octahedrale steder). Den antiparallelle justering og ufuldstændige annullering af magnetiske spins mellem de to sublattices fører til et permanent magnetisk øjeblik. Da spineller har kubikstruktur uden nogen foretrukken magnetiseringsretning, er de "bløde" magnetisk; dvs. det er relativt let at ændre magnetiseringsretningen ved anvendelse af et eksternt magnetfelt.
Sekskantede ferriter
De såkaldte hexagonale ferriter har formlen M (Fe 12 O 19), hvor M normalt er barium (Ba), strontium (Sr) eller bly (Pb). Krystallstrukturen er kompleks, men den kan beskrives som hexagonal med en unik c-akse eller lodret akse. Dette er den lette magnetiseringsakse i grundstrukturen. Da magnetiseringsretningen ikke let kan ændres til en anden akse, benævnes hexagonale ferriter som "hårde."
Garnet ferrites
Granatferritter har strukturen af silikatmineralgranetten og den kemiske formel M 3 (Fe 5 O 12), hvor M er yttrium eller en sjælden jordion. Ud over tetrahedrale og oktaedriske steder, såsom dem, der ses i spineller, har granater dodekahedralen (12-koordineret) steder. Net ferrimagnetisme er således et komplekst resultat af antiparallel spin-linjering mellem de tre typer steder. Granater er også magnetisk hårde.
Forarbejdning af keramiske ferriter
Keramiske ferriter fremstilles ved traditionel blanding, calcinering, presning, fyring og efterbehandlingstrin. Styring af kationkomposition og gasatmosfære er vigtig. For eksempel kan mætningsmagnetiseringen af spinel ferritter blive stærkt forbedret ved delvis substitution af Zn (Fe 2 O 4) til Ni (Fe 2 O 4) eller Mn (Fe 2 O 4). Zinkkationerne foretrækker tetraedrisk koordination og tvinger yderligere Fe 3+ til de octahedriske steder. Dette resulterer i mindre annullering af spins og større mætningsmagnetisering.
Avanceret behandling anvendes også til ferritfremstilling, herunder kopudfældning, frysetørring, spraystistning og sol-gel-behandling. (Disse metoder er beskrevet i artiklen avanceret keramik.) Derudover dyrkes enkeltkrystaller ved at trække fra fluxede smelter (Czochralski-metoden) eller ved gradientafkøling af smelter (Bridgman-metoden). Ferriter kan også deponeres som tynde film på egnede underlag ved kemisk dampaflejring (CVD), væskefasepitaksi (LPE) og sputtering. (Disse metoder er beskrevet i krystal: Krystallvækst: Vækst fra smelten.)
Applikationer
Permanente magneter
Hårdmagnetiske ferriter bruges som permanente magneter og i tætningspakninger til køleskab. De bruges også i mikrofoner og højttalerpakninger. Det største marked for permanente magneter er i små motorer til trådløse apparater og til bilapplikationer.
