Magnetische keramiek, oxidematerialen die een bepaald type permanente magnetisatie vertonen, ferrimagnetisme genaamd. Commercieel bereide magnetische keramiek wordt gebruikt in een verscheidenheid aan permanente magneet-, transformator-, telecommunicatie- en informatie-opnametoepassingen. Dit artikel beschrijft de samenstelling en eigenschappen van de belangrijkste magnetische keramische materialen en geeft een overzicht van hun belangrijkste commerciële toepassingen.
Ferrieten: samenstelling, structuur en eigenschappen
Magnetisch keramiek is gemaakt van ferrieten, dit zijn kristallijne mineralen die zijn samengesteld uit ijzeroxide in combinatie met een ander metaal. Ze krijgen de algemene chemische formule M (Fe x O y), M staat voor andere metalen elementen dan ijzer. Het meest bekende ferriet is magnetiet, een van nature voorkomend ferro-ferriet (Fe [Fe 2 O 4] of Fe 3 O 4) dat algemeen bekend staat als lodestone. De magnetische eigenschappen van magnetiet worden sinds de oudheid in kompassen gebruikt.
Het magnetische gedrag van de ferrieten wordt ferrimagnetisme genoemd; het verschilt nogal van de magnetisatie (ferromagnetisme genaamd) die wordt vertoond door metalen materialen zoals ijzer. Bij ferromagnetisme is er maar één soort roosterplaats, en ongepaarde elektronspins (de bewegingen van elektronen die een magnetisch veld veroorzaken) staan in één richting binnen een bepaald domein. Bij ferrimagnetisme daarentegen is er meer dan één soort roosterplaats, en elektronspins zijn zo uitgelijnd dat ze elkaar tegenwerken - sommige zijn "spin-up" en sommige "spin-down" - binnen een bepaald domein. Onvolledige annulering van tegengestelde spins leidt tot een netto polarisatie, die, hoewel iets zwakker dan voor ferromagnetische materialen, behoorlijk sterk kan zijn.
Van drie basisklassen ferrieten worden magnetische keramische producten gemaakt. Op basis van hun kristalstructuur zijn ze de spinels, de zeshoekige ferrieten en de granaten.
Spinels
Spinels hebben de formule M (Fe 2 O 4), waarbij M meestal een tweewaardig kation is zoals mangaan (Mn 2+), nikkel (Ni 2+), kobalt (Co 2+), zink (Zn 2+), koper (Cu 2+) of magnesium (Mg 2+). M kan ook het monovalente lithiumkation (Li +) of zelfs vacatures vertegenwoordigen, zolang deze afwezigheden van positieve lading worden gecompenseerd door extra driewaardig ijzer kationen (Fe 3+). De zuurstofanionen (O 2−) hebben een dicht opeengepakte kubische kristalstructuur en de metalen kationen bezetten de tussenruimten in een ongebruikelijke opstelling met twee roosters. In elke eenheidscel, die 32 zuurstofanionen bevat, worden 8 kationen gecoördineerd door 4 zuurstofatomen (tetraëdrische plaatsen) en 16 kationen worden gecoördineerd door 6 zuurstofatomen (octaëdrische plaatsen). De antiparallelle uitlijning en de onvolledige annulering van magnetische spins tussen de twee subroosters leidt tot een permanent magnetisch moment. Omdat spinels kubisch van structuur zijn, zonder voorkeursrichting van magnetisatie, zijn ze magnetisch "zacht"; dat wil zeggen dat het relatief eenvoudig is om de magnetisatierichting te veranderen door het aanleggen van een extern magnetisch veld.
Zeshoekige ferrieten
De zogenaamde hexagonale ferrieten hebben de formule M (Fe 12 O 19), waarbij M gewoonlijk barium (Ba), strontium (Sr) of lood (Pb) is. De kristalstructuur is complex, maar kan worden beschreven als zeshoekig met een unieke c-as of verticale as. Dit is de makkelijke magnetisatie-as in de basisstructuur. Omdat de magnetisatierichting niet gemakkelijk kan worden veranderd naar een andere as, worden zeshoekige ferrieten "hard" genoemd.
Granaat-ferrieten
Granaat-ferrieten hebben de structuur van het silicaat-mineraal-granaat en de chemische formule M 3 (Fe 5 O 12), waarbij M yttrium of een zeldzame-aarde-ion is. Naast tetraëdrische en octaëdrische sites, zoals die in spinels worden gezien, hebben granaten dodecaëdrische (12 gecoördineerde) sites. Het netto ferrimagnetisme is dus een complex resultaat van antiparallelle spinuitlijning tussen de drie soorten sites. Granaten zijn ook magnetisch hard.
Verwerking van keramische ferrieten
Keramische ferrieten worden gemaakt door traditionele stappen voor mengen, calcineren, persen, bakken en afwerken. Controle van kationensamenstelling en gasatmosfeer is essentieel. Bijvoorbeeld kan de verzadigingsmagnetisatie van spinel ferriet aanzienlijk worden verbeterd door gedeeltelijke vervanging van Zn (Fe 2 O 4) voor Ni (Fe 2 O 4) of Mn (Fe 2 O 4). De zinkkationen geven de voorkeur aan tetraëdrische coördinatie en dwingen extra Fe 3+ op de octaëdrische plaatsen. Dit resulteert in minder annulering van spins en een grotere verzadigingsmagnetisatie.
Geavanceerde verwerking wordt ook gebruikt voor de productie van ferriet, waaronder coprecipitatie, vriesdrogen, sproeien en sol-gelverwerking. (Deze methoden worden beschreven in het artikel geavanceerde keramiek.) Bovendien worden enkelkristallen gekweekt door te trekken uit flux melts (de Czochralski-methode) of door gradiëntkoeling van melts (de Bridgman-methode). Ferrieten kunnen ook worden afgezet als dunne films op geschikte substraten door chemische dampafzetting (CVD), vloeibare fase-epitaxie (LPE) en sputteren. (Deze methoden worden beschreven in kristal: Kristalgroei: Groei uit de smelt.)
Toepassingen
Permanente magneten
Harde magnetische ferrieten worden gebruikt als permanente magneten en in pakkingen van koelkastafdichtingen. Ze worden ook gebruikt in microfoons en luidsprekerpakkingen. De grootste markt voor permanente magneten is in kleine motoren voor draadloze apparaten en in autotoepassingen.
![Beau Geste-film van Wellman [1939]](https://images.thetopknowledge.com/img/entertainment-pop-culture/1/beau-geste-film-wellman-1939.jpg "Beau Geste-film van Wellman [1939]")
