קרמיקה מגנטית

קרמיקה מגנטית, חומרים תחמוציים המציגים סוג מסוים של מגנטציה קבועה הנקראת ferrimagnetism. קרמיקה מגנטית מוכנה מסחרית משמשת במגוון יישומי מגנט קבוע, שנאי, טלקומוניקציה וקליטת מידע. מאמר זה מתאר את ההרכב והתכונות של חומרי הקרמיקה המגנטיים העיקריים וסוקר את היישומים המסחריים העיקריים שלהם.

Ferrites: הרכב, מבנה ותכונות

קרמיקה מגנטית מורכבת מפרות, שהן מינרלים גבישיים המורכבים מתחמוצת ברזל בשילוב עם מעט מתכת אחרת. הם מקבלים את הנוסחה הכימית הכללית M (Fe _x O _y), M מייצגת יסודות מתכתיים אחרים מאשר ברזל. הפריט המוכר ביותר הוא מגנטיט, פריט ברזלי המתרחש באופן טבעי (Fe [Fe ₂ O ₄], או Fe ₃ O ₄) הידוע בכינויו לונדסטון. התכונות המגנטיות של המגנטיט נוצלו במצפנים מאז ימי קדם.

ההתנהגות המגנטית שמפגינות הפריטים נקראת ferrimagnetism; זה שונה לגמרי מהמגנטציה (המכונה פרומגנטיות) שמוצגת על ידי חומרים מתכתיים כמו ברזל. בפרומגנטיות יש רק סוג אחד של רשת סריג, ו"ספינים "אלקטרונים לא צמודים (תנועות האלקטרונים הגורמים לשדה מגנטי) מתיישרים בכיוון אחד בתוך תחום נתון. מצד שני, יש יותר מסוג אחד של רשת סריג, וספינים אלקטרוניים מתיישרים זה בזה כדי להתנגד זה לזה - חלקם "ספין-אפ" וחלקם "ספין-למטה" - בתוך תחום נתון. ביטול לא מושלם של ספינים מנוגדים מוביל לקיטוב נטו, שאף שהוא מעט חלש יותר מאשר לחומרים פרומגנטיים, יכול להיות חזק למדי.

שלוש מחלקות בסיסיות של ferrites מיוצרים למוצרי קרמיקה מגנטיים. בהתבסס על מבנה הגבישים שלהם, הם הספינלים, הפרות המשושה והגרנטים.

ספינלים

לספינים יש את הנוסחה M (Fe ₂ O ₄), כאשר M הוא בדרך כלל קטיון דו-ערכי כמו מנגן (Mn ²⁺), ניקל (Ni ²⁺), קובלט (Co ²⁺), אבץ (Zn ²⁺), נחושת (Cu ²⁺), או מגנזיום (Mg ²⁺). M יכול גם לייצג את קטיון הליתיום החד-מונדיאלי (Li ⁺) או אפילו משרות פנויות, כל עוד היעדר פיצויים אלה של חיוב חיובי מתוגמל על ידי קטיוני ברזל טריפלנטיים נוספים (Fe ³⁺). אניוני החמצן (O ^{2 -}) מאמצים מבנה גביש מעוקב עמוס קרוב, וקטעי המתכת תופסים את האינטרסטיז בסידור דו רגשי יוצא דופן. בכל תא יחידה, המכיל 32 אניוני חמצן, 8 קטיונים מתואמים על ידי 4 אוקסיגנים (אתרים טטרהדראליים), ו -16 קטיונים מתואמים על ידי 6 אוקסיגנים (אתרים אוקטאהדראליים). היישור האנטי-פראללי וביטול לא מושלם של ספינים מגנטיים בין שני המשני המובילים מובילים לרגע מגנטי קבוע. מכיוון שהספינלים בעלי מבנה מעוקב, ללא כיוון מגנטציה מועדף, הם "רכים" מבחינה מגנטית; כלומר, קל יחסית לשנות את כיוון המגנטציה באמצעות יישום שדה מגנטי חיצוני.

Ferrites משושה

לפרציות המשומשות כביכול יש את הנוסחה M (Fe ₁₂ O ₁₉), כאשר M בדרך כלל הוא בריום (Ba), סטרונציום (Sr), או עופרת (Pb). מבנה הגבישים מורכב, אך ניתן לתאר אותו כמשושה עם ציר c ייחודי, או ציר אנכי. זהו ציר המגנטציה הקל במבנה הבסיסי. מכיוון שלא ניתן לשנות בקלות את כיוון המגנטציה לציר אחר, מכונות ferrites משושה נקראות "קשה".

גרט ferrites

לחמניות גרנט יש את המבנה של הגרנט המינרלי הסיליקט והנוסחה הכימית M ₃ (Fe ₅ O ₁₂), שם M הוא יטריום או יון נדיר בכדור הארץ. בנוסף לאתרים טטרהדראליים ואוקטאהדרליים, כמו אלה שנראים בספינלים, בגרנות יש אתרי דודקהדרה (12 מתואמים). התסיסה הרשתית היא אפוא תוצאה מורכבת של יישור ספין אנטי-פארלי בין שלושת סוגי האתרים. נופלים הם גם קשים מבחינה מגנטית.

עיבוד של פריטים קרמיים

Ferrites קרמיים מיוצרים על ידי צעדים ערבוב, סידן, לחיצה, ירי וגימור מסורתיים. בקרה על הרכב הקטיונים ואווירת הגז חיונית. לדוגמה, ניתן להגביר מאוד את מגנטית הרוויה של פריטי ספינל על ידי החלפה חלקית של Zn (Fe ₂ O ₄) עבור Ni (Fe ₂ O ₄) או Mn (Fe ₂ O ₄). קטיוני האבץ מעדיפים קואורדינציה טטרדראלית ומאלצים את Fe ³⁺ נוספים על אתרי האוקטאהדרלה. התוצאה היא פחות ביטול ספינים ומגנטיות רוויה גדולה יותר.

עיבוד מתקדם משמש גם לייצור פריט, כולל התרעה חוזרת, ייבוש בהקפאה, צליית ריסוס ועיבוד סול ג'ל. (שיטות אלה מתוארות במאמר הקרמיקה המתקדמת.) בנוסף, מגדלים גבישים בודדים על ידי משיכה ממס שטף (שיטת Czochralski) או על ידי קירור שיפוע של נמסים (שיטת ברידגמן). ניתן גם להפריץ פרסים כסרטים דקים על מצעים מתאימים על ידי בתצהיר אדים כימיים (CVD), אפיטקסיה שלב נוזלי (LPE), והתזות. (שיטות אלה מתוארות בקריסטל: גידול גבישים: צמיחה מההמסה.)

יישומים

מגנטים קבועים

Ferrites מגנטיים קשיחים משמשים כמגנטים קבועים וב אטמי אטם למקרר. הם משמשים גם במיקרופונים וב אטמי רמקולים. השוק הגדול ביותר עבור מגנטים קבועים הוא במנועים קטנים למכשירים אלחוטיים ויישומי רכב.