Magneettikeramiikka, oksidimateriaalit, jotka osoittavat tietyntyyppistä pysyvää magnetoitumista, nimeltään ferrimagnetismi. Kaupallisesti valmistettuja magneettista keramiikkaa käytetään monissa kestomagneetti-, muuntaja-, tietoliikenne- ja tiedontallennussovelluksissa. Tässä artikkelissa kuvataan tärkeimpien magneettikeraamisten materiaalien koostumus ja ominaisuudet sekä selvitetään niiden tärkeimmät kaupalliset sovellukset.
Ferriitit: koostumus, rakenne ja ominaisuudet
Magneettikeramiikka on tehty ferriiteistä, jotka ovat kiteisiä mineraaleja, jotka koostuvat rautaoksidista yhdessä jonkin muun metallin kanssa. Ne annetaan yleinen kemiallinen kaava M (Fe x O y), missä M on muu metallinen elementtejä kuin rautaa. Tunnetuin ferriitti on magnetiitti, luonnossa esiintyvä rautaferriitti (Fe [Fe 2 O 4] tai Fe 3 O 4), joka tunnetaan yleisesti nimellä lodestone. Magnetiitin magneettisiä ominaisuuksia on käytetty kompasseissa muinaisista ajoista lähtien.
Ferriittien osoittamaa magneettista käyttäytymistä kutsutaan ferrimagnetismiksi; se on aivan erilainen kuin magnetoituminen (nimeltään ferromagnetiikka), jota metalliset materiaalit, kuten rauta, osoittavat. Ferromagnetiikassa on vain yhden tyyppinen hilakohta, ja parittomat elektronit "pyörittävät" (elektronien liikkeet, jotka aiheuttavat magneettikentän) rinnastuvat yhteen suuntaan tietyn alueen sisällä. Ferrimagnetismissa sitä vastoin on enemmän kuin yksi tyyppi hilakohtaa, ja elektronien pyöritykset kohdistuvat vastakkain toisiinsa - toiset ovat "kehrä-ylös" ja toiset "spin-alas" -kohdassa tietyllä alueella. Vastakkaisten spinien epätäydellinen peruuttaminen johtaa nettopolarisaatioon, joka voi olla melko vahva, vaikkakin hieman heikompi kuin ferromagneettisten materiaalien tapauksessa.
Kolme ferriittien perusluokkaa valmistetaan magneettisiin keraamisiin tuotteisiin. Kiderakenteensa perusteella ne ovat spinellit, kuusikulmaiset ferriitit ja garneitit.
spinels
Spineleillä on kaava M (Fe 2 O 4), joissa M on yleensä kaksiarvoinen kationi, kuten mangaani (Mn 2+), nikkeli (Ni 2+), koboltti (Co 2+), sinkki (Zn 2+), kupari (Cu2 +) tai magnesium (Mg2 +). M voi myös edustaa yksiarvoista litiumkationia (Li +) tai jopa avoimia työpaikkoja, kunhan nämä positiivisen varauksen poissaolot kompensoidaan ylimääräisillä kolmiarvoisilla rautakationeilla (Fe 3+). Happi-anionit (O 2−) omaavat tiiviisti pakatun kuutiometriä kiderakenteen, ja metallikationit miehittävät raot epätavallisessa kaksihilaisessa järjestelyssä. Jokaisessa yksikkösolussa, joka sisältää 32 happea-anionia, 8 kationia koordinoidaan 4 happea (tetraedriset kohdat) ja 16 kationia koordinoidaan 6 happea (oktaedriset kohdat). Kahden alilaihdoksen väliset samansuuntaiset kohdistukset ja epätäydellinen magneettisen pyörityksen peruuttaminen johtavat pysyvään magneettiseen momenttiin. Koska tapit ovat rakenteeltaan kuutiometriä, eikä niillä ole edullista magnetointisuuntaa, ne ovat magneettisesti ”pehmeitä”; ts. on suhteellisen helppo muuttaa magnetoitumissuuntaa ulkoista magneettikenttää soveltamalla.
Kuusikulmaiset ferriitit
Ns kuusikulmainen ferriitit on kaava M (Fe 12 O 19), jossa M on yleensä barium (Ba), strontium (Sr), lyijyä (Pb). Kiderakenne on monimutkainen, mutta sitä voidaan kuvata kuusikulmaisena, jolla on ainutlaatuinen c-akseli tai pystyakseli. Tämä on helppo magnetoitumisakseli perusrakenteessa. Koska magnetoitumissuuntaa ei voida muuttaa helposti toiselle akselille, kuusikulmaisia ferriittejä kutsutaan koviksi.
Granaatti ferriitit
Granaattiferriiteillä on silikaatti mineraaligranaatin rakenne ja kemiallinen kaava M 3 (Fe 5 O 12), missä M on yttrium tai harvinaisten maametallien ioni. Tetraedraalisten ja oktaedristen kohtien lisäksi, kuten sellaisia, jotka nähdään spineissä, granaateilla on dodekaedriset (12-koordinoidut) kohdat. Verkon ferrimagnetismi on siten monimutkainen tulos antiparalleelisen spin-linjauksen välillä kolmen tyyppisissä kohdissa. Granaatit ovat myös magneettisesti kovia.
Keraamisten ferriittien käsittely
Keraamiset ferriitit valmistetaan perinteisillä sekoitus-, kalsinointi-, puristus-, ampumis- ja viimeistelyvaiheilla. Kationin koostumuksen ja kaasuatmosfäärin hallinta on välttämätöntä. Esimerkiksi, kyllästysmagnetoinnista Spinelliferriiteillä voidaan merkittävästi parantaa korvaamalla osittain Zn (Fe 2 O 4) Ni (Fe 2 O 4) tai Mn (Fe 2 O 4). Sinkkikationit mieluummin tetraedrikoordinaatiota ja pakottavat lisää Fe 3+: ta oktaedrisiin kohtiin. Tämä johtaa pyöritysten vähemmän peruuttamiseen ja suurempaan kylläisyyden magnetoitumiseen.
Edistynyttä prosessointia käytetään myös ferriittien valmistukseen, mukaan lukien saostuminen, kylmäkuivaus, suihkupuristus ja sooli-geeli-prosessointi. (Näitä menetelmiä kuvataan artikkelissa edistyksellinen keramiikka.) Lisäksi yksittäisiä kiteitä kasvatetaan vetämällä sulatetusta sulasta (Czochralski-menetelmä) tai jäähdyttämällä sulat gradienttisesti (Bridgman-menetelmä). Ferriittejä voidaan myös levittää ohuina kalvoina sopiville substraateille kemiallisella höyrysaostuksella (CVD), nestefaasiepitaksilla (LPE) ja ruiskuttamalla. (Nämä menetelmät on kuvattu muodossa kide: Kiteen kasvu: kasvu sulasta.)
Sovellukset
Pysyvät magneetit
Kovia magneettiferriittejä käytetään kestomagneeteina ja jääkaapin tiivisteiden tiivisteissä. Niitä käytetään myös mikrofoneissa ja kaiutintiivisteissä. Suurimmat kestomagneettimarkkinat ovat langattomien laitteiden pienmoottorissa ja autosovelluksissa.
