เซรามิกแม่เหล็ก, วัสดุออกไซด์ที่แสดงให้เห็นถึงการดึงดูดด้วยแม่เหล็กถาวรบางชนิดที่เรียกว่า ferrimagnetism เซรามิกแม่เหล็กที่เตรียมจำหน่ายเชิงพาณิชย์ใช้ในงานแม่เหล็กถาวรหม้อแปลงโทรคมนาคมและการบันทึกข้อมูล บทความนี้จะอธิบายองค์ประกอบและคุณสมบัติของวัสดุเซรามิกแม่เหล็กหลักและสำรวจการใช้งานเชิงพาณิชย์หลัก
เฟอร์ไรต์: องค์ประกอบโครงสร้างและคุณสมบัติ
เซรามิกแม่เหล็กทำจากเฟอร์ไรต์ซึ่งเป็นแร่ผลึกที่ประกอบด้วยเหล็กออกไซด์ร่วมกับโลหะอื่น ๆ พวกเขาจะได้รับสูตรทางเคมีทั่วไป M (Fe x O y), M แทนองค์ประกอบโลหะอื่น ๆ กว่าเหล็ก เฟอร์ไรต์ที่คุ้นเคยมากที่สุดคือ magnetite ซึ่งเป็นเฟอร์ไรต์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (Fe [Fe 2 O 4] หรือ Fe 3 O 4) หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า Lodestone คุณสมบัติทางแม่เหล็กของแม่เหล็กถูกนำมาใช้ในวงเวียนมาตั้งแต่สมัยโบราณ
พฤติกรรมแม่เหล็กที่แสดงโดยเฟอร์ไรต์เรียกว่าเฟอร์ไรแมกเนติส มันค่อนข้างแตกต่างจากการสะกดจิต (เรียกว่า ferromagnetism) ซึ่งจัดแสดงโดยวัสดุที่เป็นโลหะเช่นเหล็ก ใน ferromagnetism มีไซต์ตาข่ายเพียงชนิดเดียวและอิเล็กตรอน“ สปิน” ที่ไม่มีการจับคู่ (การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก) เรียงตัวกันในทิศทางเดียวภายในโดเมนที่กำหนด ในอีกแง่หนึ่ง ferrimagnetism มีมากกว่าหนึ่งเว็บไซต์ขัดแตะและอิเล็กตรอนหมุนจัดเรียงเพื่อต่อต้านซึ่งกันและกัน - บางคน "หมุน - ขึ้น" และบางคน "หมุน - ลง" - ภายในโดเมน การยกเลิกการหมุนที่ไม่สมบูรณ์ของฝ่ายตรงข้ามนำไปสู่การโพลาไรเซชันแบบสุทธิซึ่งแม้ว่าจะค่อนข้างอ่อนแอกว่าสำหรับวัสดุ ferromagnetic แต่ก็ค่อนข้างแข็งแกร่ง
เฟอร์ไรต์สามประเภทพื้นฐานถูกผลิตเป็นผลิตภัณฑ์เซรามิกแม่เหล็ก ขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกของพวกเขาพวกเขา spinels, ferrite หกเหลี่ยมและโกเมน
spinels
Spinels มีสูตร M (Fe 2 O 4) โดยที่ M มักจะเป็นไอออนบวกคู่เช่นแมงกานีส (Mn 2+), นิกเกิล (Ni 2+), โคบอลต์ (Co 2+), สังกะสี (Zn 2+), ทองแดง (Cu 2+) หรือแมกนีเซียม (Mg 2+) M สามารถเป็นตัวแทนลิเธียมไอออนบวก (Li +) หรือแม้แต่ตำแหน่งว่างตราบใดที่ประจุบวกเหล่านี้ถูกชดเชยด้วยประจุบวกเหล็กไตรวาเลนต์เพิ่มเติม (Fe 3+) แอนไอออนออกซิเจน (O 2−) ใช้โครงสร้างลูกบาศก์คริสตัลที่มีการบรรจุอย่างแน่นหนาและไพเพอร์โลหะครอบครองจุดตัดในการจัดเรียงสองตาข่ายที่ผิดปกติ ในแต่ละเซลล์หน่วยที่มีออกซิเจน 32 ไอออนประจุบวก 8 ตัวจะทำงานร่วมกันกับออกซิเจน 4 ตัว (ไซต์เตตราจูด) และ 16 ไอออนจะทำงานร่วมกันโดยออกซิเจน 6 ตัว (หน่วยแปดด้าน) การจัดตำแหน่งแบบ antiparallel และการยกเลิกการหมุนแม่เหล็กที่ไม่สมบูรณ์ระหว่างสอง sublattices นำไปสู่ช่วงเวลาแม่เหล็กถาวร เนื่องจากสปิลส์นั้นมีโครงสร้างเป็นลูกบาศก์โดยที่ไม่มีทิศทางของการสะกดจิตที่ต้องการ กล่าวคือมันค่อนข้างง่ายที่จะเปลี่ยนทิศทางของการสะกดจิตผ่านการประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กภายนอก
เฟอร์ไรต์หกเหลี่ยม
เฟอร์ไรต์หกเหลี่ยมที่เรียกว่ามีสูตร M (Fe 12 O 19) ซึ่ง M มักจะเป็นแบเรียม (Ba) สตรอนเทียม (Sr) หรือตะกั่ว (Pb) โครงสร้างผลึกมีความซับซ้อน แต่สามารถอธิบายเป็นหกเหลี่ยมด้วยแกน c ที่ไม่ซ้ำกันหรือแกนตั้ง นี่คือแกนแม่เหล็กที่ง่ายในโครงสร้างพื้นฐาน เนื่องจากทิศทางของการสะกดจิตไม่สามารถเปลี่ยนไปเป็นอีกแกนได้อย่างง่ายดายเฟอร์ไรต์หกเหลี่ยมจึงถูกเรียกว่า "แข็ง"
โกเมนเฟอร์ไรต์
เฟอร์ไรต์โกเมนมีโครงสร้างของโกเมนแร่ซิลิเกตและสูตรทางเคมี M 3 (Fe 5 O 12) โดยที่ M คืออิตเทรียมหรือไอออนของธาตุหายาก นอกเหนือจากเว็บไซต์ tetrahedral และ octahedral เช่นที่เห็นใน spinels, garnets มี dodecahedral (12 ประสานงาน) เว็บไซต์ ferrimagnetism สุทธิจึงเป็นผลที่ซับซ้อนของการจัดตำแหน่งการหมุนของ antiparallel ในสามประเภทของไซต์ โกเมนนั้นยากต่อสนามแม่เหล็กเช่นกัน
การแปรรูปเฟอร์ไรต์เซรามิก
เซรามิกเฟอร์ไรต์ทำขึ้นจากการผสมแบบดั้งเดิมการเผาการเร่งการเผาและขั้นตอนสุดท้าย การควบคุมองค์ประกอบไอออนบวกและบรรยากาศของแก๊สเป็นสิ่งจำเป็น ตัวอย่างเช่นการเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กของสปิเพิลเฟอร์ไรต์สามารถเพิ่มขึ้นอย่างมากโดยการแทนที่ Zn (Fe 2 O 4) สำหรับ Ni (Fe 2 O 4) หรือ Mn (Fe 2 O 4) ไพเพอร์สังกะสีชอบการประสานงาน tetrahedral และเพิ่ม Fe 3+ขึ้นไปบนพื้นที่แปดด้าน ซึ่งส่งผลให้มีการยกเลิกการหมุนน้อยลงและการดึงดูดความอิ่มตัวที่มากขึ้น
การประมวลผลขั้นสูงยังใช้สำหรับการผลิตเฟอร์ไรต์รวมถึงการตกตะกอนร่วมการอบแห้งแบบแช่แข็งการอบแบบสเปรย์และการประมวลผลแบบโซลเจล (วิธีการเหล่านี้อธิบายไว้ในบทความขั้นสูงเซรามิกส์) นอกจากนี้ผลึกเดี่ยวโตโดยดึงออกมาจากการหลอมละลาย fluxed (ที่ Czochralski วิธี) หรือไล่ระดับความเย็นละลายของ (วิธี Bridgman) เฟอร์ไรต์ยังสามารถสะสมเป็นฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวที่เหมาะสมโดยการตกสะสมไอสารเคมี (CVD), epitaxy เหลวเฟส (LPE) และสปัตเตอร์ (วิธีการเหล่านี้อธิบายไว้ในคริสตัล: การเติบโตของคริสตัล: การเติบโตจากการหลอมละลาย)
การประยุกต์ใช้งาน
แม่เหล็กถาวร
เฟอร์ไรต์แม่เหล็กแข็งใช้เป็นแม่เหล็กถาวรและในปะเก็นซีลของตู้เย็น พวกเขายังใช้ในไมโครโฟนและปะเก็นลำโพง ตลาดที่ใหญ่ที่สุดสำหรับแม่เหล็กถาวรคือมอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับอุปกรณ์ไร้สายและในการใช้งานรถยนต์
