Magnētiskā keramika, oksīdu materiāli, kas uzrāda noteikta veida pastāvīgu magnetizāciju, ko sauc par ferimagnetismu. Komerciāli sagatavota magnētiskā keramika tiek izmantota dažādos pastāvīgo magnētu, transformatoru, telekomunikāciju un informācijas ierakstīšanas pielietojumos. Šajā rakstā aprakstīts galveno magnētisko keramikas materiālu sastāvs un īpašības un apskatīti to galvenie komerciālie pielietojumi.
Ferīti: sastāvs, struktūra un īpašības
Magnētiskā keramika ir izgatavota no ferītiem, kas ir kristāliski minerāli, kas sastāv no dzelzs oksīda kombinācijā ar kādu citu metālu. Viņiem ir dota vispārējā ķīmiskā formula M (Fe x O y), M apzīmē citus metāliskus elementus nekā dzelzs. Vispazīstamākais ferīts ir magnetīts, dabā sastopams dzelzs ferīts (Fe [Fe 2 O 4] vai Fe 3 O 4), ko parasti sauc par lodestonu. Magnēta magnētiskās īpašības kompasos tiek izmantotas kopš seniem laikiem.
Ferītu parādītā magnētiskā izturēšanās tiek saukta par ferimagnetismu; tas diezgan atšķiras no magnetizācijas (ko sauc par feromagnētismu), ko demonstrē metāliski materiāli, piemēram, dzelzs. Feromagnētismā ir tikai viena veida režģa vietas, un nepāra elektronu “griešanās” (elektronu kustības, kas izraisa magnētisko lauku) sakrīt vienā virzienā noteiktā domēnā. No otras puses, ferimagnetismā ir vairāk nekā viena veida režģa vietas, un elektronu griezieni ir sakārtoti tā, lai būtu pretstatīti viens otram - daži ir “spin-up” un citi ir “spin-down” - attiecīgajā domēnā. Nepilnīga pretējo griezienu atcelšana noved pie tīkla polarizācijas, kas, kaut arī nedaudz vājāka nekā feromagnētiskajiem materiāliem, var būt diezgan spēcīga.
Trīs pamatklases ferīti tiek izgatavoti magnētiskās keramikas izstrādājumos. Balstoties uz to kristāla struktūru, tie ir špineri, sešstūra ferīti un granātas.
Spinels
Spineliem ir formula M (Fe 2 O 4), kur M parasti ir divvērtīgs katjons, piemēram, mangāns (Mn 2+), niķelis (Ni 2+), kobalts (Co 2+), cinks (Zn 2+), varš (Cu 2+) vai magnijs (Mg 2+). M var attēlot arī monovalento litija katjonu (Li +) vai pat vakances, ja vien šos pozitīvā lādiņa trūkumus kompensē papildu trīsvērtīgie dzelzs katjoni (Fe 3+). Skābekļa anjoni (O 2−) pieņem cieši iesaiņotu kubisko kristālu struktūru, un metāla katjoni aizņem starpsienas neparastā divu režģu izkārtojumā. Katrā vienības šūnā, kas satur 32 skābekļa anjonus, 8 katjonus koordinē 4 skābekļi (tetraedriskās vietas), un 16 katjonus koordinē 6 skābekļi (oktaedriskās vietas). Pretparalēlais izlīdzinājums un nepilnīga magnētisko griešanās atcelšana starp abām apakštīklēm rada pastāvīgu magnētisko momentu. Tā kā špakteles ir kubiskas struktūras un tām nav vēlama magnetizācijas virziena, tās ir magnētiski “mīkstas”; ti, ir salīdzinoši viegli mainīt magnetizācijas virzienu, izmantojot ārēju magnētisko lauku.
Sešstūraini ferīti
Tā saucamajiem sešstūru ferītiem ir formula M (Fe 12 O 19), kur M parasti ir bārijs (Ba), stroncijs (Sr) vai svins (Pb). Kristāla struktūra ir sarežģīta, taču to var raksturot kā sešstūrainu ar unikālu c asi vai vertikālu asi. Šī ir vienkāršā magnetizācijas ass pamatstruktūrā. Tā kā magnetizācijas virzienu nevar viegli mainīt uz citu asi, sešstūru ferītus sauc par “cietajiem”.
Granāta ferīti
Granāta ferītiem ir silikātu minerālu granāta struktūra un ķīmiskā formula M 3 (Fe 5 O 12), kur M ir itrijs vai retzemju jons. Papildus tetraedriskām un oktaedriskām vietām, piemēram, tām, kuras redzamas spinelēs, granātātnēm ir dodekaedriskas (12 koordinētas) vietas. Tādējādi tīrais ferimagnetisms ir sarežģīts antiparalēlās vērpes izlīdzināšanas rezultāts trīs veidu vietnēs. Granātas ir arī magnētiski cietas.
Keramikas ferītu apstrāde
Keramikas ferīti tiek izgatavoti, tradicionāli sajaucot, kalcinējot, presējot, apdedzinot un noslēdzot soļus. Katjonu sastāva un gāzes atmosfēras kontrole ir būtiska. Piemēram, spineļu ferītu piesātinājuma magnetizāciju var ievērojami uzlabot, daļēji aizstājot Zn (Fe 2 O 4) ar Ni (Fe 2 O 4) vai Mn (Fe 2 O 4). Cinka katjoni dod priekšroku tetraedriskajai koordinācijai un piespiež papildu Fe 3+ uz oktaedriskajām vietām. Tā rezultātā griešanās tiek mazāk atcelta un tiek piesātināta magnetizācija.
Uzlaboto pārstrādi izmanto arī ferīta ražošanā, ieskaitot kopēju nokrišņu iegūšanu, žāvēšanu liofilizācijā, grauzdēšanas smidzināšanu un sola-gēla apstrādi. (Šīs metodes ir aprakstītas rakstā uzlabotā keramika.) Turklāt atsevišķus kristālus audzē, velkot no izkausētas kausējuma (Czochralski metode) vai izkausējot gradientu (Bridgmana metode). Ferītus kā plānas plēves var nogulsnēt uz piemērotiem substrātiem, ķīmiski nogulsnējot tvaikus (CVD), izmantojot šķidrās fāzes epitaksi (LPE) un izsmidzinot. (Šīs metodes ir aprakstītas kristālā: Kristāla augšana: izaugsme no kausējuma.)
Lietojumprogrammas
Pastāvīgie magnēti
Cietie magnēti ferīti tiek izmantoti kā pastāvīgie magnēti un ledusskapja blīvējuma blīvēs. Tos izmanto arī mikrofonos un skaļruņu blīvēs. Lielākais pastāvīgo magnētu tirgus ir maziem bezvada ierīču motoriem un automašīnām.
