Manyetik seramikler

Manyetik seramikler, ferrimagnetizm adı verilen belirli bir kalıcı mıknatıslanma sergileyen oksit malzemelerdir. Ticari olarak hazırlanan manyetik seramikler çeşitli sabit mıknatıs, transformatör, telekomünikasyon ve bilgi kayıt uygulamalarında kullanılır. Bu makalede, başlıca manyetik seramik malzemelerin bileşimi ve özellikleri anlatılmakta ve bunların ana ticari uygulamaları incelenmektedir.

Ferritler: kompozisyon, yapı ve özellikler

Manyetik seramikler, diğer bazı metallerle kombinasyon halinde demir oksitten oluşan kristal mineraller olan ferritlerden yapılır. Bunlar genel kimyasal formül M verilir (Fe _x O _y) M demirden başka metalik element de temsil etmektedir. En tanıdık ferrit magnetit, doğal olarak oluşan bir demir ferrit (Fe [Fe ₂ O ₄], ya da Fe ₃ O ₄ yaygın Lodestone olarak da bilinir). Manyetitin manyetik özellikleri pusulalarda eski zamanlardan beri kullanılmaktadır.

Ferritlerin sergilediği manyetik davranışa ferrimagnetizm denir; demir gibi metalik malzemeler tarafından sergilenen mıknatıslanmadan (ferromanyetizma denir) oldukça farklıdır. Ferromanyetizmada sadece bir tür kafes alanı vardır ve eşlenmemiş elektron “spinleri” (manyetik alana neden olan elektronların hareketleri) belirli bir alanda bir yönde sıralanır. Ferrimagnetizmde ise, birden fazla çeşit örgü alanı vardır ve elektron dönüşleri, belirli bir alanda, bazıları “spin-up” ve bazıları “spin-down” olmak üzere birbirine karşı gelecek şekilde hizalanır. Rakip spinlerin eksik iptal edilmesi, ferromanyetik malzemelerden biraz daha zayıf olsa da, oldukça güçlü olabilen net bir polarizasyona yol açar.

Manyetik seramik ürünlere üç temel ferrit sınıfı yapılır. Kristal yapılarına dayanarak, spineller, altıgen ferritler ve garnetlerdir.

lâl'ler

Spineller, formül M (Fe sahip ₂ O ₄ M, manganez olarak genellikle bir çift değerli katyon olduğu), (Mn ^{+ 2}), nikel (Ni ^{+ 2}), kobalt (Co ^{+ 2}), çinko (Zn ^{+ 2}), bakır (Cu2 ⁺) veya magnezyum (Mg2 ⁺). M aynı zamanda tek değerli, lityum katyonu (Li temsil ⁺ pozitif yüklü bu devamsızlık ek üç değerlikli demir katyonları (Fe ile telafi sürece,) ya da boş ³⁺). Oksijen anyonları (O ²) bir sıkışık kübik kristal yapısını kabul eder, ve metal katyonları alışılmadık iki örgü düzenlemede boşlukları işgal eder. 32 oksijen anyonu içeren her birim hücrede, 8 katyon 4 oksijen (tetrahedral bölgeler) tarafından koordine edilir ve 16 katyon 6 oksijen (oktahedral yerler) tarafından koordine edilir. İki alt daire arasında manyetik dönüşlerin antiparalel hizalanması ve eksik iptal edilmesi kalıcı bir manyetik moment sağlar. Spineller kübik yapıda olduğu için tercih edilen mıknatıslanma yönü yoktur, manyetik olarak “yumuşaktır”; yani, harici bir manyetik alanın uygulanmasıyla mıknatıslanma yönünün değiştirilmesi nispeten kolaydır.

Altıgen ferritler

Sözde altıgen ferritler, formül M (Fe sahip ₁₂ O ₁₉ M, genellikle baryum (Ba), stronsiyum (Sr) veya kurşun (Pb) olduğu),. Kristal yapı karmaşıktır, ancak benzersiz bir c ekseni veya dikey ekseni olan altıgen olarak tanımlanabilir. Bu temel yapıdaki kolay mıknatıslanma eksenidir. Mıknatıslanma yönü kolayca başka bir eksene değiştirilemediğinden, altıgen ferritlere “sert” denir.

Garnet ferritleri

Lal ferritler silikat minerali lal taşı ve kimyasal formül M yapıya sahip ₃ (Fe ₅ O ₁₂ M itriyum ya da bir nadir toprak iyonu). Tetrahedral ve spinellerde görülenler gibi oktahedral bölgelere ek olarak, garnetlerin dodekahedral (12 koordineli) yerleri vardır. Net ferrimagnetizm, bu nedenle, üç tip bölge arasında karşıt paralel dönme hizalamasının karmaşık bir sonucudur. Garnet'ler ayrıca manyetik olarak zordur.

Seramik ferritlerin işlenmesi

Seramik ferritler geleneksel karıştırma, kalsine etme, presleme, ateşleme ve bitirme adımları ile yapılır. Katyon bileşimi ve gaz atmosferinin kontrolü esastır. Örneğin, spinel ferritlerin manyetik doygunluk ölçüde Zn (Fe kısmi ikame ile arttırılabilir ₂ O ₄ Ni) (Fe ₂ O ₄) veya Mn (Fe ₂ O ₄). Çinko katyonlar tetrahedral koordinasyonu tercih eder ve oktahedral bölgelere ilave Fe3 + ' ^ü zorlar. Bu, spinlerin daha az iptal edilmesine ve daha fazla doygunluk mıknatıslanmasına neden olur.

Gelişmiş işleme, birlikte çökeltme, dondurarak kurutma, sprey kavurma ve sol-jel işleme dahil ferrit üretimi için de kullanılır. (Bu yöntemler, ileri seramikler makalesinde açıklanmaktadır.) Ek olarak, tekli kristaller, eritilmiş eriyikten (Czochralski yöntemi) çekilerek veya eriyiklerin gradyan soğutmasıyla (Bridgman yöntemi) büyütülür. Ferritler ayrıca kimyasal buhar biriktirme (CVD), sıvı faz epitaksi (LPE) ve püskürtme yoluyla uygun substratlar üzerinde ince filmler halinde de biriktirilebilir. (Bu yöntemler kristalde tarif edilmiştir: Kristal büyümesi: Eriyikten büyüme.)

Uygulamalar

Kalıcı mıknatıslar

Sert manyetik ferritler kalıcı mıknatıslar olarak ve buzdolabı sızdırmazlık contalarında kullanılır. Mikrofon ve hoparlör contalarında da kullanılırlar. Sabit mıknatıslar için en büyük pazar, kablosuz cihazlar için küçük motorlarda ve otomobil uygulamalarındadır.