Magnetkeraamika, oksiidmaterjalid, mis ilmutavad teatud tüüpi püsivat magnetiseerumist, mida nimetatakse ferrimagnetismiks. Kaubanduslikult valmistatud magnetkeraamikat kasutatakse erinevates püsimagnetite, trafode, telekommunikatsiooni ja teabe salvestamise rakendustes. Selles artiklis kirjeldatakse peamiste magnetiliste keraamiliste materjalide koostist ja omadusi ning uuritakse nende peamisi kaubanduslikke rakendusi.
Ferriidid: koostis, struktuur ja omadused
Magnetiline keraamika on valmistatud ferriitidest, mis on kristalsed mineraalid, mis koosnevad raudoksiidist koos mõne muu metalliga. Neile antakse üldine keemiline valem M (Fe x O y), M tähistab muid metallelemente kui raud. Kõige tuntum ferriit on magnetiit, looduslikult esinev raudferrit (Fe [Fe 2 O 4] või Fe 3 O 4), mida tavaliselt nimetatakse lodestoneks. Magnetiidi magnetilisi omadusi on kompassidel kasutatud iidsetest aegadest peale.
Ferriitide ilmutatavat magnetilist käitumist nimetatakse ferrimagnetismiks; see erineb üsna magnetiseerimisest (mida nimetatakse ferromagnetiliseks), mida eksponeerivad metallilised materjalid, näiteks raud. Ferromagnetilisuses on ainult ühte tüüpi võre, ja paarimata elektronid "keerutavad" (magnetvälja põhjustavad elektronide liikumised) joonduvad antud piirkonnas ühes suunas. Ferrimagnetismis on seevastu rohkem kui üht tüüpi võrekoht ja elektronide spinnid joonduvad üksteisele vastu seisma - mõned on "keritud" ja mõned "alla" - antud piirkonnas. Vastupidiste keerutuste mittetäielik tühistamine põhjustab võrgu polarisatsiooni, mis võib olla üsna tugev, ehkki mõnevõrra nõrgem kui ferromagnetiliste materjalide puhul.
Ferriitide kolm põhiklassi valmistatakse magnetiliste keraamikatoodeteks. Nende kristallstruktuuri põhjal on need spinellid, kuusnurksed ferriidid ja granaadid.
Spinellid
Spinellidel on valem M (Fe 2 O 4), kus M on tavaliselt kahevalentne katioon nagu mangaan (Mn 2+), nikkel (Ni 2+), koobalt (Co 2+), tsink (Zn 2+), vask (Cu 2+) või magneesium (Mg 2+). M võib tähistada ka monovalentset liitiumkatiooni (Li +) või isegi vabu kohti, kui need positiivse laengu puudused korvatakse täiendavate kolmevalentsete rauakatioonidega (Fe 3+). Hapnikuanioonid (O 2−) omavad tihedalt pakendatud kuubilist kristallstruktuuri ja metallist katioonid hõivavad vahesid ebaharilikus kahe võre paigutusega. Igas ühikrakus, mis sisaldab 32 hapnikuaniooni, on 8 katiooni koordineeritud 4 hapnikuga (tetraeedrilised saidid) ja 16 katiooni on koordineeritud 6 hapnikuga (oktaedrilised saidid). Kahe alamvõrgu vahelise magnetilise keerutuse antiparalleelne joondamine ja mittetäielik tühistamine viib püsiva magnetmomendini. Kuna spinnid on struktuurilt kuupmeetrid ja neil pole eelistatud magnetiseerimissuunda, on nad magnetiliselt “pehmed”; st välismagnetvälja rakendamisel on suhteliselt lihtne magneerimise suunda muuta.
Kuusnurksed ferriidid
Niinimetatud kuusnurksed ferriidid on valemiga M (Fe 12 O 19), kus M on tavaliselt baarium (Ba), strontsium (Sr) või plii (Pb). Kristallstruktuur on keeruline, kuid seda võib kirjeldada kui unikaalset c-telge või vertikaaltelge kujutavat kuusnurkset. See on põhistruktuuri magneerimise lihtne telg. Kuna magnetiseerimissuunda ei saa kergelt teisele teljele muuta, nimetatakse heksagonaalseid feriite „kõvaks”.
Granaat ferriidid
Granaatferritidel on silikaatmineraalgranaadi struktuur ja keemiline valem M 3 (Fe 5 O 12), kus M on ütrium või haruldaste muldmetallide ioon. Lisaks tetraeedrilistele ja oktaedrilistele saitidele, nagu näiteks spinnides nähtud, on granaatidel dodekaedrilised (12 koordineeritud) saidid. Neto ferromimagnetism on seega keerukate antiparalleelsete joonduste keerukas tulemus kolme tüüpi saitide vahel. Granaadid on ka magnetiliselt kõvad.
Keraamiliste ferriitide töötlemine
Keraamilised ferriidid valmistatakse traditsiooniliste segamise, kaltsineerimise, pressimise, süütamise ja viimistlemisetappide abil. Katioonide koostise ja gaasi atmosfääri kontroll on hädavajalik. Näiteks spinellferriitide küllastunud magneesi saab oluliselt parandada Zn (Fe 2 O 4) osalise asendamisega Ni (Fe 2 O 4) või Mn (Fe 2 O 4). Tsinkkatioonid eelistavad tetraeedrilist koordinatsiooni ja sunnivad täiendavat Fe 3+ oktaedrilistele kohtadele. Selle tulemuseks on keerutuste vähem tühistamine ja suurem küllastunud magnetiseerimine.
Täiustatud töötlemist kasutatakse ka ferriidi tootmiseks, sealhulgas kopasadestamine, külmkuivatamine, pihustus röstimine ja sool-geeli töötlemine. (Neid meetodeid kirjeldatakse artiklis täiustatud keraamika.) Lisaks kasvatatakse üksikkristalle sulatatud suladest tõmmates (Czochralski meetod) või sulade gradiendiga jahutamisel (Bridgmani meetod). Ferriite saab sadestada õhukeste kiledena sobivatele substraatidele ka keemilise aurustamise-sadestamise (CVD), vedela faasi epitaksi (LPE) ja pihustamise teel. (Neid meetodeid kirjeldatakse kristallis: Kristallide kasv: kasv sulamist.)
Rakendused
Püsivad magnetid
Kõvasid magnetilisi ferriite kasutatakse püsimagnetina ja külmkapi tihendites. Neid kasutatakse ka mikrofonides ja kõlarite tihendites. Suurim püsimagnetite turg on juhtmeta seadmete väikemootorites ja autodes.
