Μαγνητικά κεραμικά, υλικά οξειδίων που παρουσιάζουν έναν ορισμένο τύπο μόνιμου μαγνητισμού που ονομάζεται ferrimagnetism. Τα εμπορικά παρασκευασμένα μαγνητικά κεραμικά χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών μόνιμου μαγνήτη, μετασχηματιστή, τηλεπικοινωνιών και καταγραφής πληροφοριών. Αυτό το άρθρο περιγράφει τη σύνθεση και τις ιδιότητες των κύριων μαγνητικών κεραμικών υλικών και εξετάζει τις κύριες εμπορικές εφαρμογές τους.
Φερίτες: σύνθεση, δομή και ιδιότητες
Τα μαγνητικά κεραμικά είναι φερρίτη, τα οποία είναι κρυσταλλικά ορυκτά που αποτελούνται από οξείδιο του σιδήρου σε συνδυασμό με κάποιο άλλο μέταλλο. Τους δίνεται ο γενικός χημικός τύπος M (Fe x O y), M που αντιπροσωπεύει άλλα μεταλλικά στοιχεία εκτός του σιδήρου. Ο πιο γνωστός φερρίτης είναι ο μαγνητίτης, ένας φυσικός φερρίτης σιδήρου (Fe [Fe 2 O 4], ή Fe 3 O 4) κοινώς γνωστός ως οροφή. Οι μαγνητικές ιδιότητες του μαγνητίτη έχουν αξιοποιηθεί σε πυξίδες από την αρχαιότητα.
Η μαγνητική συμπεριφορά που επιδεικνύουν οι φερρίτες ονομάζεται ferrimagnetism. Είναι αρκετά διαφορετικό από τον μαγνητισμό (που ονομάζεται σιδηρομαγνητισμός) που εκτίθεται από μεταλλικά υλικά όπως ο σίδηρος. Στον σιδηρομαγνητισμό υπάρχει μόνο ένα είδος θέσης δικτυωτού πλέγματος, και τα ζεύγη ηλεκτρονίων «περιστροφών» (οι κινήσεις των ηλεκτρονίων που προκαλούν μαγνητικό πεδίο) ευθυγραμμίζονται προς μία κατεύθυνση εντός ενός δεδομένου τομέα. Στον σιδηρομαγνητισμό, από την άλλη πλευρά, υπάρχουν περισσότερα από ένα είδος δικτυωτού δικτυωτού πλέγματος και οι περιστροφές ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε να αντιτίθενται ο ένας στον άλλο - κάποιοι είναι "spin-up" και κάποιοι είναι "spin-down" - εντός ενός δεδομένου τομέα. Η ατελής ακύρωση των αντίθετων περιστροφών οδηγεί σε καθαρή πόλωση, η οποία, αν και κάπως ασθενέστερη από ό, τι για τα σιδηρομαγνητικά υλικά, μπορεί να είναι αρκετά ισχυρή.
Τρεις βασικές κατηγορίες φερρίτη γίνονται σε μαγνητικά κεραμικά προϊόντα. Με βάση την κρυσταλλική τους δομή, είναι οι σπινέλιοι, οι εξαγωνικοί φερρίτες και οι γρανάτες.
Spinels
Οι σπείρες έχουν τον τύπο M (Fe 2 O 4), όπου το M είναι συνήθως ένα δισθενές κατιόν όπως το μαγγάνιο (Mn 2+), το νικέλιο (Ni 2+), το κοβάλτιο (Co 2+), ο ψευδάργυρος (Zn 2+), ο χαλκός (Cu 2+) ή μαγνήσιο (Mg 2+). Το Μ μπορεί επίσης να αντιπροσωπεύει το μονοσθενές κατιόν λιθίου (Li +) ή ακόμη και τις κενές θέσεις, εφόσον αυτές οι απουσίες θετικού φορτίου αντισταθμίζονται από πρόσθετα τρισθενή κατιόντα σιδήρου (Fe 3+). Τα ανιόντα οξυγόνου (O 2-) εγκρίνει μια στενή-συσκευασμένο κυβική κρυσταλλική δομή, και τα μεταλλικά κατιόντα καταλαμβάνουν τα διάκενα σε ένα ασυνήθιστο δύο-πλέγματος διάταξη. Σε κάθε μονάδα μονάδας, που περιέχει 32 ανιόντα οξυγόνου, 8 κατιόντα συντονίζονται από 4 οξυγόνα (τετραεδρικές θέσεις) και 16 κατιόντα συντονίζονται από 6 οξυγόνα (οκταεδρικές θέσεις). Η αντιπαράλληλη ευθυγράμμιση και η ατελής ακύρωση των μαγνητικών περιστροφών μεταξύ των δύο δευτερευόντων δικτύων οδηγεί σε μια μόνιμη μαγνητική ροπή. Επειδή τα σπινέλια έχουν κυβική δομή, χωρίς προτιμώμενη κατεύθυνση μαγνητισμού, είναι «μαλακά» μαγνητικά. Δηλαδή, είναι σχετικά εύκολο να αλλάξετε την κατεύθυνση του μαγνητισμού μέσω της εφαρμογής εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Εξαγωνικές φερρίτες
Οι λεγόμενοι εξαγωνικοί φερρίτες έχουν τον τύπο M (Fe 12 O 19), όπου το M είναι συνήθως βάριο (Ba), στρόντιο (Sr) ή μόλυβδος (Pb). Η κρυσταλλική δομή είναι πολύπλοκη, αλλά μπορεί να περιγραφεί ως εξαγωνική με έναν μοναδικό άξονα c ή κάθετο άξονα. Αυτός είναι ο εύκολος άξονας μαγνητισμού στη βασική δομή. Επειδή η κατεύθυνση της μαγνητισμού δεν μπορεί να αλλάξει εύκολα σε έναν άλλο άξονα, οι εξαγωνικοί φερρίτες αναφέρονται ως «σκληροί».
Φερρίτες γρανάτης
Φερρίτες Garnet έχουν τη δομή του πυριτικού ορυκτού γρανάτης και τον χημικό τύπο Μ 3 (Fe 5 O 12), όπου το Μ είναι ύττριο ή ένα ιόν σπάνιας γαίας. Εκτός από τους τετραεδρικούς και οκταεδρικούς χώρους, όπως εκείνοι που φαίνονται στα σπινελ, οι γρανάτες έχουν δωδεκαεδρικούς (12-συντονισμένους) ιστότοπους. Ο καθαρός σιδηρομαγνητισμός είναι επομένως ένα πολύπλοκο αποτέλεσμα της παράλληλης ευθυγράμμισης περιστροφής μεταξύ των τριών τύπων τοποθεσιών. Οι γρανάτες είναι επίσης μαγνητικά σκληροί.
Επεξεργασία κεραμικών φερριτών
Τα κεραμικά φερρίτη κατασκευάζονται με παραδοσιακά βήματα ανάμιξης, ασβεστοποίησης, πίεσης, πυροδότησης και τελειώματος. Ο έλεγχος της σύνθεσης κατιόντων και της ατμόσφαιρας αερίου είναι απαραίτητος. Για παράδειγμα, ο μαγνητισμός κορεσμού των φερριτών σπινελών μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά με μερική αντικατάσταση του Zn (Fe 2 O 4) με το Ni (Fe 2 O 4) ή το Mn (Fe 2 O 4). Τα κατιόντα ψευδαργύρου προτιμούν τον τετραεδρικό συντονισμό και επιβάλλουν επιπλέον Fe 3+ στους οκταεδρικούς χώρους Αυτό έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη ακύρωση περιστροφών και μεγαλύτερη μαγνητοποίηση κορεσμού.
Η προηγμένη επεξεργασία χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή φερρίτη, συμπεριλαμβανομένης της συγκαταβύθισης, της ξήρανσης με ψύξη, του ψεκασμού ψεκασμού και της επεξεργασίας με sol-gel. (Αυτές οι μέθοδοι περιγράφονται στο άρθρο προχωρημένα κεραμικά.) Επιπλέον, απλοί κρύσταλλοι αναπτύσσονται τραβώντας από ροή τήγματος (η μέθοδος Czochralski) ή με βαθμιαία ψύξη τήξεων (η μέθοδος Bridgman). Οι φερρίτες μπορούν επίσης να εναποτεθούν ως λεπτές μεμβράνες σε κατάλληλα υποστρώματα με απόθεση χημικών ατμών (CVD), επιταξία υγρής φάσης (LPE) και ψεκασμό. (Αυτές οι μέθοδοι περιγράφονται σε κρύσταλλο: Ανάπτυξη κρυστάλλου: Ανάπτυξη από το τήγμα.)
Εφαρμογές
Μόνιμοι μαγνήτες
Οι σκληροί μαγνητικοί φερρίτες χρησιμοποιούνται ως μόνιμοι μαγνήτες και σε φλάντζες στεγανοποίησης ψυγείου. Χρησιμοποιούνται επίσης σε μικρόφωνα και παρεμβύσματα ηχείων. Η μεγαλύτερη αγορά για μόνιμους μαγνήτες είναι σε μικρούς κινητήρες για ασύρματες συσκευές και σε εφαρμογές αυτοκινήτων.
