Magnetic keramika, mga materyales na oxide na nagpapakita ng isang tiyak na uri ng permanenteng magnetization na tinatawag na ferrimagnetism. Ang komersyal na inihanda na magnetikong seramika ay ginagamit sa iba't ibang permanenteng pang-magnet, transpormer, telecommunication, at mga aplikasyon ng pag-record ng impormasyon. Inilalarawan ng artikulong ito ang komposisyon at mga katangian ng mga pangunahing magnetic ceramic na materyales at suriin ang kanilang pangunahing mga komersyal na aplikasyon.
Mga Ferrites: komposisyon, istraktura, at mga katangian
Ang mga magnetikong keramika ay gawa sa mga ferrite, na kung saan ay mala-kristal na mineral na binubuo ng iron oxide na pinagsama sa ilang iba pang metal. Binigyan sila ng pangkalahatang formula ng kemikal M (Fe x O y), M na kumakatawan sa iba pang mga elemento ng metal kaysa sa bakal. Ang pinaka-pamilyar na ferrite ay magnetite, isang natural na nagaganap na ferrous ferrite (Fe [Fe 2 O 4], o Fe 3 O 4) na karaniwang kilala bilang lodestone. Ang mga pang-akit na katangian ng magnetite ay sinamantalahan sa mga kompas mula noong unang panahon.
Ang magnetic na pag-uugali na ipinakita ng mga ferrites ay tinatawag na ferrimagnetism; ibang-iba ito sa magnetization (tinatawag na ferromagnetism) na ipinamalas ng mga materyales na metal tulad ng bakal. Sa ferromagnetism ay may isang uri lamang ng site ng lattice, at ang walang bayad na elektron na "spins" (ang mga galaw ng mga electron na nagdudulot ng magnetic field) ay pumila sa isang direksyon sa loob ng isang naibigay na domain. Sa ferrimagnetism, sa kabilang banda, mayroong higit sa isang uri ng site ng sala-sala, at ang electron spins ay magkatugma upang salungatin ang isa't isa — ang ilan ay "pag-iikot" at ang ilan ay "pag-iikot" - kasama ang isang naibigay na domain. Ang hindi kumpletong pagkansela ng magkasalungat na spins ay humahantong sa isang net polariseysyon, na, kahit na medyo mahina kaysa sa para sa mga ferromagnetic na materyales, ay maaaring maging malakas.
Tatlong pangunahing klase ng ferrite ay ginawa sa mga magnetic ceramic na produkto. Batay sa kanilang kristal na istraktura, sila ang mga spinels, hexagonal ferrite, at garnets.
Spinels
Ang mga spinels ay may formula M (Fe 2 O 4), kung saan ang M ay karaniwang isang divalent cation tulad ng manganese (Mn 2+), nikel (Ni 2+), kobalt (Co 2+), zinc (Zn 2+), tanso (Cu 2+), o magnesium (Mg 2+). Ang M ay maaari ring kumatawan sa monovalent lithium cation (Li +) o kahit na mga bakante, hangga't ang mga pag-absent na ito ng positibong singil ay binabayaran ng karagdagang trivalent na mga cation na bakal (Fe 3+). Ang oxygen anion (O 2−) ay nagpatibay ng isang malapit na naka-pack na kubiko na istruktura ng kristal, at sinakop ng mga cations ng metal ang mga interstice sa isang hindi pangkaraniwang pag-aayos ng dalawang-sala. Sa bawat yunit ng cell, na naglalaman ng 32 anion ng oxygen, 8 na mga cation ay coordinated sa pamamagitan ng 4 na mga oxygens (tetrahedral site), at 16 na mga cation ay naayos ng 6 na mga oxygen (octahedral sites). Ang pagkakahanay ng antiparallel at hindi kumpletong pagkansela ng mga magnetic spins sa pagitan ng dalawang sublattice ay humahantong sa isang permanenteng magnetic moment. Sapagkat ang mga spinel ay kubiko sa istraktura, na walang ginustong direksyon ng magnetization, ang mga ito ay "malambot" na magnetically; ibig sabihin, medyo madali itong baguhin ang direksyon ng magnetis sa pamamagitan ng aplikasyon ng isang panlabas na magnetic field.
Hexagonal ferrites
Ang tinatawag na hexagonal ferrites ay may pormula M (Fe 12 O 19), kung saan ang M ay karaniwang barium (Ba), strontium (Sr), o tingga (Pb). Ang istraktura ng kristal ay kumplikado, ngunit maaari itong inilarawan bilang heksagonal na may natatanging c axis, o patayong axis. Ito ang madaling axis ng magnetization sa pangunahing istraktura. Dahil ang direksyon ng magnetization ay hindi madaling mabago sa ibang axis, ang hexagonal ferrites ay tinutukoy bilang "matigas."
Garnet ferrites
Ang mga garnet ferrite ay may istraktura ng silicate mineral garnet at ang kemikal na formula M 3 (Fe 5 O 12), kung saan ang M ay yttrium o isang bihirang-lupa na ion. Bilang karagdagan sa mga site ng tetrahedral at octahedral, tulad ng mga nakikita sa mga spinels, ang mga garnet ay may mga site na dodecahedral (12-coordinated). Ang net ferrimagnetism ay sa gayon isang kumplikadong resulta ng pag-align ng antiparallel spin sa gitna ng tatlong uri ng mga site. Ang mga garnets ay matigas din sa magnet.
Pagproseso ng mga ceramic ferrites
Ang mga seramikong ferrites ay ginawa sa pamamagitan ng tradisyonal na paghahalo, pag-calcining, pagpindot, pagpapaputok, at pagtatapos ng mga hakbang. Mahalaga ang pagkontrol sa komposisyon ng cation at kapaligiran ng gas. Halimbawa, ang saturation magnetization ng spinel ferrites ay maaaring lubos na mapahusay sa pamamagitan ng bahagyang pagpapalit ng Zn (Fe 2 O 4) para sa Ni (Fe 2 O 4) o Mn (Fe 2 O 4). Mas gusto ng mga kation ng sink na ang koordinasyon ng tetrahedral at pilitin ang karagdagang Fe 3+ papunta sa mga site ng octahedral. Nagreresulta ito sa mas kaunting pagkansela ng mga spins at mas malaking saturation magnetization.
Ang advanced na pagproseso ay ginagamit din para sa paggawa ng ferrite, kabilang ang coprecipitation, pag-freeze-drying, spray roasting, at pagproseso ng sol-gel. (Ang mga pamamaraan na ito ay inilarawan sa artikulo na advanced na seramika.) Bilang karagdagan, ang mga solong kristal ay lumaki sa pamamagitan ng paghila mula sa mga flux na natutunaw (ang pamamaraan ng Czochralski) o sa pamamagitan ng gradient na paglamig ng mga natutunaw (ang pamamaraan ng Bridgman). Maaari ring mai-deposito ang mga Ferrites bilang manipis na pelikula sa angkop na mga substrate sa pamamagitan ng pag-aalis ng singaw ng kemikal (CVD), likido-phase epitaxy (LPE), at pagsusuka. (Ang mga pamamaraan na ito ay inilarawan sa kristal: Paglago ng Crystal: Paglago mula sa matunaw.)
Aplikasyon
Permanenteng magneto
Ang mga hard magnetic ferrites ay ginagamit bilang permanenteng magneto at sa mga gasket ng selyo ng refrigerator. Ginagamit din ang mga ito sa mga mikropono at gasket speaker. Ang pinakamalaking merkado para sa permanenteng magneto ay nasa maliit na motor para sa mga cordless appliances at sa mga application ng sasakyan.
