Magnetická keramika, oxidové materiály, které vykazují určitý typ permanentní magnetizace nazývané ferrimagnetismus. Komerčně připravená magnetická keramika se používá v celé řadě aplikací s permanentními magnety, transformátory, telekomunikace a informace. Tento článek popisuje složení a vlastnosti hlavních magnetických keramických materiálů a přehled jejich hlavních komerčních aplikací.
Ferity: složení, struktura a vlastnosti
Magnetická keramika je vyrobena z feritů, což jsou krystalické minerály složené z oxidu železa v kombinaci s jiným kovem. Mají obecný chemický vzorec M (Fe x O y), M představující jiné kovové prvky než železo. Nejznámější ferit je magnetit, přirozeně se vyskytující železnatý feritu (Fe [Fe 2 O 4], nebo Fe 3 O 4), běžně známý jako magnetovce. Magnetické vlastnosti magnetitu byly využívány v kompasech již od pradávna.
Magnetické chování feritů se nazývá ferrimagnetismus; to je docela odlišné od magnetizace (volal ferromagnetism) to je vystaveno kovovými materiály takový jako železo. Ve ferromagnetismu existuje pouze jeden druh mřížkového místa a nepárové „spiny“ elektronů (pohyby elektronů, které způsobují magnetické pole) se v dané doméně zarovná v jednom směru. Na druhé straně ve ferrimagnetismu existuje více než jeden druh mříže a elektrony se točí tak, aby se postavily proti sobě - některé jsou „spin-up“ a jiné „spin-down“ - s danou doménou. Neúplné zrušení nepřátelských zatočení vede k polarizaci sítě, která, i když poněkud slabší než u feromagnetických materiálů, může být docela silná.
Tři základní třídy feritů se vyrábějí v magnetické keramické výrobky. Na základě své krystalové struktury jsou to spinely, hexagonální ferity a granáty.
Spinely
Spinely mají vzorec M (Fe 2 O 4), kde M je obvykle dvojmocný kation, jako je mangan (Mn 2+), nikl (Ni 2+), kobaltu (Co 2+), zinku (Zn 2+), mědi (Cu 2+) nebo hořčík (Mg 2+). M může také představovat monovalentní lithný kation (Li +) nebo dokonce volná místa, pokud jsou tyto nepřítomnosti kladného náboje kompenzovány dalšími trojmocnými kationty železa (Fe 3+). Kyslíkové anionty (O 2 -) zaujímají těsně nabitou kubickou krystalickou strukturu a kovové kationty zaujímají mezery v neobvyklém uspořádání se dvěma mřížkami. V každé jednotkové buňce obsahující 32 aniontů kyslíku je 8 kationů koordinováno 4 oxygeny (tetrahedrální místa) a 16 kationtů je koordinováno 6 oxygeny (oktaedrální místa). Antiparalelní zarovnání a neúplné zrušení magnetických zatočení mezi dvěma podtřídami vede k trvalému magnetickému momentu. Protože spinely mají kubickou strukturu a nemají upřednostňovaný směr magnetizace, jsou magneticky „měkké“; tj. je relativně snadné změnit směr magnetizace prostřednictvím aplikace vnějšího magnetického pole.
Šestihranné ferity
Takzvané hexagonální ferity mají vzorec M (Fe 12 O 19), kde M je obvykle barium (Ba), stroncium (Sr) nebo olovo (Pb). Krystalová struktura je složitá, ale lze ji popsat jako hexagonální s jedinečnou osou c nebo vertikální osou. Toto je snadná osa magnetizace v základní struktuře. Protože směr magnetizace nelze snadno změnit na jinou osu, jsou hexagonální ferity označovány jako „tvrdé“.
Ferity granátu
Granátové ferity mají strukturu křemičitanového minerálního granátu a chemický vzorec M 3 (Fe 5 O 12), kde M je yttrium nebo ion vzácných zemin. Kromě tetrahedrálních a oktaedrálních míst, jako jsou místa pozorovaná na spinelech, mají granáty také dodekahedrální (12-koordinovaná) místa. Síťový ferrimagnetismus je tedy komplexním výsledkem antiparalelního uspořádání spinů mezi třemi typy míst. Granáty jsou také magneticky tvrdé.
Zpracování keramických feritů
Keramické ferity jsou vyráběny tradičním mícháním, kalcinací, lisováním, vypalováním a dokončovacími kroky. Kontrola složení kationtů a atmosféry plynu je nezbytná. Například, nasycené magnetizace spinelu feritů může být značně zvýšena částečnou substitucí Zn (Fe 2 O 4) pro Ni (Fe 2 O 4) nebo Mn (Fe 2 O 4). Kationty zinku upřednostňují tetraedrickou koordinaci a přinutí další Fe 3+ na oktaedrální místa. To má za následek menší zrušení otáčení a větší magnetizaci nasycení.
Pokročilé zpracování se také používá pro výrobu feritu, včetně koprecipitace, lyofilizace, pražení rozprašováním a zpracování sol-gelem. (Tyto metody jsou popsány v článku Pokročilá keramika.) Kromě toho se jednotlivé krystaly pěstují tažením z taveniny tavidla (Czochralského metoda) nebo gradientovým chlazením taveniny (metoda Bridgman). Ferity mohou být také nanášeny jako tenké filmy na vhodné substráty pomocí chemické depozice par (CVD), epitaxií v kapalné fázi (LPE) a naprašováním. (Tyto metody jsou popsány v krystalu: Růst krystalu: Růst z taveniny.)
Aplikace
Permanentní magnety
Tvrdé magnetické ferity se používají jako permanentní magnety a v těsnicích ucpávkách. Používají se také v mikrofonech a těsnění reproduktorů. Největším trhem s permanentními magnety jsou malé motory pro bezdrátové spotřebiče a v automobilových aplikacích.
