سيراميك مغناطيسي

السيراميك المغناطيسي ، مواد الأكسيد التي تظهر نوعًا معينًا من المغنطة الدائمة يسمى المغناطيسية الحديدية. يتم استخدام السيراميك المغناطيسي المعد تجاريًا في مجموعة متنوعة من تطبيقات المغناطيس الدائم والمحولات والاتصالات وتسجيل المعلومات. تصف هذه المقالة تكوين وخصائص المواد الخزفية المغناطيسية الرئيسية وتستعرض تطبيقاتها التجارية الرئيسية.

الفريت: التركيب والبنية والخصائص

الخزف المغناطيسي مصنوع من الفريت ، وهي معادن بلورية تتكون من أكسيد الحديد بالاشتراك مع بعض المعادن الأخرى. يتم إعطاؤهم الصيغة الكيميائية العامة M (Fe _x O _y) ، M التي تمثل عناصر معدنية أخرى من الحديد. أكثر أنواع الفريت المألوفة هي المغنتيت ، وهو عبارة عن الفريت الحديدية الحديدية (Fe [Fe ₂ O ₄] ، أو Fe ₃ O ₄) المعروفة باسم حجر الأساس. تم استغلال الخصائص المغناطيسية للمغنتيت في البوصلات منذ العصور القديمة.

يسمى السلوك المغناطيسي الذي أبدته الفريت المغناطيسية. وهو يختلف تمامًا عن المغنطة (تسمى المغناطيسية الحديدية) التي يتم عرضها بواسطة المواد المعدنية مثل الحديد. في المغناطيسية الحديدية ، يوجد نوع واحد فقط من المواقع الشبكية ، و "إلكترونات" تدور الإلكترونات غير المزاوجة (حركات الإلكترونات التي تسبب المجال المغناطيسي) تصطف في اتجاه واحد داخل مجال معين. في المغنطيسية الحديدية ، من ناحية أخرى ، هناك أكثر من نوع واحد من مواقع الشبكة ، ويتم محاذاة لفات الإلكترون لمعارضة بعضها البعض - بعضها "دوران" والبعض "دوران" - داخل مجال معين. يؤدي الإلغاء غير الكامل للسعات المتعارضة إلى استقطاب صافي ، والذي ، على الرغم من أنه أضعف إلى حد ما من المواد المغناطيسية ، يمكن أن يكون قويًا جدًا.

تصنع ثلاث فئات أساسية من الفريت إلى منتجات خزفية مغناطيسية. استنادًا إلى هيكلها البلوري ، فهي الإسبنيل والفريت سداسية والعقيق.

الإسبنيل

يحتوي الإسبنيل على الصيغة M (Fe ₂ O ₄) ، حيث يكون M عادةً كاتيون ثنائي التكافؤ مثل المنغنيز (Mn ²⁺) والنيكل (Ni ²⁺) والكوبالت (Co ²⁺) والزنك (Zn ²⁺) والنحاس (Cu ²⁺) أو المغنيسيوم (Mg ²⁺). يمكن أن يمثل M أيضًا الليثيوم أحادي التكافؤ (Li ⁺) أو حتى الشواغر ، طالما يتم تعويض هذه الغيابات من الشحنة الموجبة عن طريق الكاتيونات الحديدية الثلاثية الإضافية (Fe ³⁺). تعتمد أنيونات الأكسجين (O ²⁻) على بنية بلورية مكعبة قريبة ، وتحتل الكاتيونات المعدنية الفجوات في ترتيب غير عادي ذي شبكتين. في كل خلية وحدة ، تحتوي على 32 من أنيونات الأكسجين ، يتم تنسيق 8 كاتيونات بواسطة 4 أوكسيغنز (مواقع رباعي السطوح) ، و 16 كاتيون يتم تنسيقها بواسطة 6 أكسجين (مواقع ثماني السطوح). تؤدي المحاذاة المتوازية والإلغاء غير الكامل للدوران المغناطيسي بين الشبكتين الفرعيين إلى لحظة مغناطيسية دائمة. لأن الإسبنيل مكعبة الشكل ، بدون اتجاه مفضل للمغنطة ، فهي "ناعمة" مغناطيسيا ؛ أي أنه من السهل نسبيًا تغيير اتجاه التمغنط من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي.

قضبان سداسية

ما يسمى بالفيريتات سداسية الشكل لها الصيغة M (Fe ₁₂ O ₁₉) ، حيث M عادة الباريوم (Ba) ، السترونتيوم (Sr) ، أو الرصاص (Pb). البنية البلورية معقدة ، ولكن يمكن وصفها بأنها سداسية مع محور c فريد أو محور عمودي. هذا هو المحور السهل للمغناطيسية في البنية الأساسية. نظرًا لأنه لا يمكن تغيير اتجاه المغنطة بسهولة إلى محور آخر ، يُشار إلى الفريتات سداسية على أنها "صلبة".

عقيق الفريت

يمتلك عقيق الغارنيت بنية العقيق المعدني سيليكات والصيغة الكيميائية M ₃ (Fe ₅ O ₁₂) ، حيث M هو الإيتريوم أو أيون أرضي نادر. بالإضافة إلى مواقع رباعي السطوح وثماني السطوح ، مثل تلك الموجودة في الإسبنيل ، تحتوي العقيق على مواقع اثني عشر (12 تنسيقًا). وبالتالي فإن المغناطيسية الصافية هي نتيجة معقدة لمحاذاة الدوران المتوازية بين الأنواع الثلاثة من المواقع. العقيق صعب مغناطيسيًا أيضًا.

معالجة الفريت الخزفي

يتم تصنيع الفريت الخزفي عن طريق خطوات الخلط ، التكليس ، الضغط ، الحرق ، والتشطيب. السيطرة على تكوين الكاتيون وجو الغاز أمر ضروري. على سبيل المثال ، يمكن تحسين مغنطة فريت الإسبنيل إلى حد كبير عن طريق الاستبدال الجزئي لـ Zn (Fe ₂ O ₄) لـ Ni (Fe ₂ O ₄) أو Mn (Fe ₂ O ₄). تفضل كاتيونات الزنك التنسيق رباعي السطوح وتفرض Fe ³⁺ إضافي على مواقع الثماني السطحية. وينتج عن ذلك إلغاء أقل للس spينات ومغنطة تشبع أكبر.

تستخدم المعالجة المتقدمة أيضًا في تصنيع الفريت ، بما في ذلك التساقط المشترك والتجفيف بالتجميد والتحميص بالرش ومعالجة هلام هلام. (هذه الطرق موصوفة في المادة الخزفية المتقدمة.) بالإضافة إلى ذلك ، تزرع البلورات الفردية عن طريق السحب من الصهر المتدفق (طريقة Czochralski) أو عن طريق التبريد المتدرج للصهر (طريقة Bridgman). يمكن أيضًا ترسيب الفريتات على هيئة أغشية رقيقة على ركائز مناسبة عن طريق ترسيب البخار الكيميائي (CVD) ، epitaxy الطور السائل (LPE) ، والاخرق. (هذه الطرق موصوفة في الكريستال: نمو البلورات: النمو من الذوبان.)

التطبيقات

مغناطيس دائم

يتم استخدام الفريتات المغناطيسية الصلبة كمغناطيس دائم وفي حشوات ختم الثلاجة. كما أنها تستخدم في الميكروفونات وحشيات السماعات. أكبر سوق للمغناطيس الدائم هو في المحركات الصغيرة للأجهزة اللاسلكية وفي تطبيقات السيارات.