Магнитна керамика, оксидни материали, които проявяват определен тип постоянна намагнетизация, наречен феримагнетизъм. Приготвената в търговската мрежа магнитна керамика се използва в различни приложения за постоянен магнит, трансформатор, телекомуникации и запис на информация. Тази статия описва състава и свойствата на основните магнитни керамични материали и разглежда техните основни търговски приложения.
Ферити: състав, структура и свойства
Магнитната керамика е направена от ферити, които са кристални минерали, съставени от железен оксид в комбинация с някои други метали. На тях е дадена общата химическа формула M (Fe x O y), M представляваща други метални елементи, освен желязото. Най-познатият ферит е магнетитът, естествено срещащ се феритен ферит (Fe [Fe 2 O 4], или Fe 3 O 4), известен като лодестоун. Магнитните свойства на магнетита се използват в компаси още от древни времена.
Магнитното поведение, проявявано от феритите, се нарича феримагнетизъм; тя е доста по-различна от магнетизацията (наречена феромагнетизъм), която се проявява от метални материали като желязо. При феромагнетизма има само един вид решетъчна площадка, а несдвоени електронни „завъртания“ (движенията на електрони, които причиняват магнитно поле) се подреждат в една посока в дадена област. Във феримагнетизма, от друга страна, има повече от един вид решетъчен сайт и електронните завъртания се подравняват така, че да се противопоставят един на друг - някои са „въртящи се нагоре“, а други „въртящи се надолу“ - с даден домейн. Непълното отменяне на противоположни завъртания води до нетна поляризация, която, макар и малко по-слаба, отколкото при феромагнитните материали, може да бъде доста силна.
Три основни класа ферити са направени в магнитно керамични продукти. Въз основа на кристалната си структура те са шпинелите, шестоъгълните ферити и гранатите.
спинели
Шпинелите имат формула М (Fe 2 O 4), където М обикновено е двувалентен катион, като манган (Mn 2+), никел (Ni 2+), кобалт (Co 2+), цинк (Zn 2+), мед (Cu 2+) или магнезий (Mg 2+). М може също да представлява едновалентния литиев катион (Li +) или дори свободни места, стига тези отсъствия с положителен заряд да бъдат компенсирани от допълнителни тривалентни железни катиони (Fe 3+). Кислородните аниони (O 2−) приемат кубично кристална структура, а металните катиони заемат вътрешностите в необичайна двурешетна подредба. Във всяка единична клетка, съдържаща 32 кислородни аниона, 8 катиона се координират от 4 кислорода (тетраедрични места), а 16 катиона се координират от 6 оксигена (октаедрични места). Антипаралелното подравняване и непълното отменяне на магнитните завъртания между двете подрешетки води до постоянен магнитен момент. Тъй като шпинелите са с кубична структура, без предпочитана посока на намагнетизиране, те са „меки“ магнетично; т.е. сравнително лесно е да промените посоката на намагнетизиране чрез прилагане на външно магнитно поле.
Шестоъгълни ферити
Така наречените шестоъгълни ферити имат формула М (Fe 12 O 19), където М обикновено е барий (Ba), стронций (Sr) или олово (Pb). Кристалната структура е сложна, но може да се опише като шестоъгълна с уникална ос или вертикална ос. Това е лесната ос на намагнетизация в основната структура. Тъй като посоката на намагнетизиране не може лесно да се промени към друга ос, шестоъгълните ферити се наричат „твърди“.
Гранатови ферити
Гранатовите ферити имат структурата на силикатния минерален гранат и химическата формула М 3 (Fe 5 O 12), където М е итрий или рядкоземен йон. В допълнение към тетраедрични и октаедрични обекти, като тези, които се виждат в шпинели, гранатите имат додекаедрални (12-координирани) места. Следователно нетният феримагнетизъм е сложен резултат от антипаралелно завъртане на спина между трите типа сайтове. Гранатите също са магнитно твърди.
Обработка на керамични ферити
Керамичните ферити се произвеждат чрез традиционни стъпки за смесване, калциниране, пресоване, изпичане и довършване. Контролът на състава на катиона и газовата атмосфера е от съществено значение. Например намагнитването на насищане на шпинелни ферити може да бъде значително засилено чрез частично заместване на Zn (Fe 2 O 4) с Ni (Fe 2 O 4) или Mn (Fe 2 O 4). Цинковите катиони предпочитат тетраедричната координация и налагат допълнителен Fe 3+ върху октаедрите. Това води до по-малко отменяне на завъртания и по-голямо намагнитване на насищане.
Усъвършенстваната обработка също се използва за производство на ферит, включително коагиране, сушене чрез замразяване, изпичане чрез разпръскване и обработка на зол-гел. (Тези методи са описани в статията за напреднала керамика.) В допълнение, монокристалите се отглеждат чрез изтегляне от разтопени разтвори (методът на Чохралски) или чрез градиентно охлаждане на стопилки (методът на Бриджман). Феритите също могат да се отлагат като тънки филми върху подходящи субстрати чрез химическо отлагане на пари (CVD), епитаксия в течна фаза (LPE) и разпръскване. (Тези методи са описани в кристал: Растеж на кристали: растеж от стопилката.)
Приложения
Постоянни магнити
Твърдите магнитни ферити се използват като постоянни магнити и в уплътнители на хладилни уплътнения. Те се използват и в микрофони и уплътнения за високоговорители. Най-големият пазар на постоянни магнити е в малки двигатели за безжични уреди и в автомобилни приложения.
