Magnetska keramika, oksidni materijali koji pokazuju određenu vrstu trajne magnetizacije zvane ferrimagnetizam. Komercijalno pripremljena magnetska keramika koristi se u raznim primjenama trajnog magneta, transformatora, telekomunikacija i snimanja informacija. Ovaj članak opisuje sastav i svojstva glavnih magnetnih keramičkih materijala i pregledava njihove glavne komercijalne primjene.
Feri: sastav, struktura i svojstva
Magnetska keramika izrađena je od ferita, koji su kristalni minerali sastavljeni od željezovog oksida u kombinaciji s nekim drugim metalima. Dano im je opća kemijska formula M (Fe x O y), M koja predstavlja druge metalne elemente osim željeza. Najpoznatiji ferit je magnetit, željezni ferit u prirodi (Fe [Fe 2 O 4], ili Fe 3 O 4), obično poznat kao lodestone. Magnetska svojstva magnetita korištena su u kompasima od davnina.
Magnetsko ponašanje koje pokazuju feriti naziva se ferrimagnetizam; sasvim se razlikuje od magnetiziranja (zvanog feromagnetizam) kojeg izlažu metalni materijali poput željeza. U feromagnetizmu postoji samo jedna vrsta rešetkaste stranice, a parni elektroni se "vrte" (pokreti elektrona koji uzrokuju magnetsko polje) u jednom smjeru unutar određene domene. S druge strane, u ferrimagnetizmu postoji više vrsta rešetkastih mjesta, a elektronski se vijci poravnavaju tako da se suprotstavljaju jedni drugima - neki su "spin-up", a neki "spin-down" - u određenoj domeni. Nepotpuno otkazivanje suprotnih okretaja dovodi do neto polarizacije, koja, iako nešto slabije nego kod feromagnetskih materijala, može biti prilično jaka.
Tri osnovne klase ferita izrađene su u magnetskim keramičkim proizvodima. U skladu s njihovom kristalnom strukturom to su spinele, šesterokutni feriti i granati.
spinela
Spinele imaju formulu M (Fe 2 O 4), gdje je M obično dvovalentni kation poput mangana (Mn 2+), nikla (Ni 2+), kobalta (Co 2+), cinka (Zn 2+), bakra (Cu 2+) ili magnezija (Mg 2+). M također može predstavljati monovalentni litij-kation (Li +) ili čak slobodna mjesta sve dok se ovi izostaci pozitivnog naboja nadoknade dodatnim trovalentnim kationima željeza (Fe 3+). U anione kisika (O 2) usvojiti bliski pakirane kubičnu kristalnu strukturu, i metalni kationi zauzimaju intersticij na neobičan dva rešetku. U svakoj jedinici stanice, koja sadrži 32 aniona kisika, 8 kationa koordinira 4 kisika (tetraedrska mjesta), a 16 kationa koordinira 6 kisika (oktaedrska mjesta). Antiparalno poravnavanje i nepotpuno otkazivanje magnetskih spinova između dviju podsustava dovodi do trajnog magnetskog momenta. Budući da su spinele kubične građe, bez preferiranog smjera magnetizacije, magnetski su "meke"; tj. Relativno je jednostavno promijeniti smjer magnetiziranja primjenom vanjskog magnetskog polja.
Šesterokutni feriti
Takozvani šesterokutni feriti imaju formulu M (Fe 12 O 19), gdje je M obično barij (Ba), stroncij (Sr) ili olovo (Pb). Kristalna struktura je složena, ali može se opisati kao šesterokutna s jedinstvenom c osi, ili vertikalnom osi. Ovo je jednostavna os magnetiziranja u osnovnoj strukturi. Kako se smjer magnetiziranja ne može lako promijeniti na drugu osovinu, šesterokutni feriti nazivaju se "tvrdom".
Fernati od granata
Granatni ferit ima strukturu silikatnog mineralnog granata i kemijsku formulu M 3 (Fe 5 O 12), gdje je M itrij ili rijetkozemni ion. Uz tetraedarska i oktaedrska nalazišta, poput onih koja se vide u spinelama, granati imaju mjesta dodekatedrale (12-koordinirana). Neto ferrimagnetizam je tako složen rezultat antiparalne usklađenosti centrifuge među tri vrste mjesta. Granati su također magnetski tvrdi.
Obrada keramičkih ferita
Keramički feriti dobiveni su tradicionalnim koracima miješanja, kalciniranja, prešanja, prženja i završne obrade. Bitna je kontrola sastava kationa i plinske atmosfere. Na primjer, magnetiziranje zasićenja feritima špenela može se uvelike poboljšati djelomičnom supstitucijom Zn (Fe 2 O 4) za Ni (Fe 2 O 4) ili Mn (Fe 2 O 4). Cinkovi kationi preferiraju tetraedarsku koordinaciju i forsiraju dodatni Fe 3+ na oktaedrska mjesta. To rezultira sa manje otkazivanja zavrtanja i većom magnetiziranjem zasićenja.
Napredna obrada također se koristi za proizvodnju ferita, uključujući koprecipitaciju, sušenje smrzavanjem, prženje u prskanju i obradu sol-gelom. (Te su metode opisane u članku Napredna keramika.) Pored toga, monokristali se uzgajaju izvlačenjem iz fluksiranih talina (Czochralski metoda) ili gradijentnim hlađenjem talina (Bridgmanova metoda). Ferit se također može taložiti u tanke filmove na pogodne podloge kemijskim taloženjem para (CVD), epitaksi u tekućoj fazi (LPE) i prskanjem. (Ove metode su opisane u kristalu: Rast kristala: Rast iz taline.)
Prijave
Trajni magneti
Tvrdi magnetski feriti koriste se kao stalni magneti i u brtvenim brtvama za hladnjake. Također se koriste u mikrofonima i brtvama zvučnika. Najveće tržište stalnih magneta nalazi se u malim motorima za bežične uređaje i u automobilskoj primjeni.
