Ceramiche magnetiche, materiali ossidati che presentano un certo tipo di magnetizzazione permanente chiamata ferrimagnetismo. Le ceramiche magnetiche preparate commercialmente sono utilizzate in una varietà di applicazioni magnetiche permanenti, trasformatore, telecomunicazioni e registrazione delle informazioni. Questo articolo descrive la composizione e le proprietà dei principali materiali ceramici magnetici e ne esamina le principali applicazioni commerciali.
Ferriti: composizione, struttura e proprietà
Le ceramiche magnetiche sono fatte di ferriti, che sono minerali cristallini composti da ossido di ferro in combinazione con altri metalli. Viene data la formula chimica generale M (Fe x O y), M che rappresenta altri elementi metallici oltre al ferro. La ferrite più familiare è la magnetite, una ferrite ferrosa presente in natura (Fe [Fe 2 O 4] o Fe 3 O 4) comunemente nota come lodestone. Le proprietà magnetiche della magnetite sono state sfruttate nelle bussole sin dai tempi antichi.
Il comportamento magnetico esibito dai ferriti si chiama ferrimagnetismo; è abbastanza diverso dalla magnetizzazione (chiamata ferromagnetismo) che è esibita da materiali metallici come il ferro. Nel ferromagnetismo esiste solo un tipo di sito reticolare e gli "spin" di elettroni spaiati (i moti degli elettroni che causano un campo magnetico) si allineano in una direzione all'interno di un dato dominio. Nel ferrimagnetismo, d'altra parte, esiste più di un tipo di sito reticolare e gli spin degli elettroni si allineano in modo da contrastare l'un l'altro - alcuni essendo "spin-up" e altri essendo "spin-down" - all'interno di un determinato dominio. La cancellazione incompleta degli spin opposti porta a una polarizzazione netta, che, sebbene leggermente più debole rispetto ai materiali ferromagnetici, può essere abbastanza forte.
Tre classi di base di ferrite sono trasformate in prodotti magnetici in ceramica. Sulla base della loro struttura cristallina, sono gli spinelli, i ferriti esagonali e i granati.
spinelli
Gli spinelli hanno la formula M (Fe 2 O 4), dove M è di solito un catione bivalente come manganese (Mn 2+), nichel (Ni 2+), cobalto (Co 2+), zinco (Zn 2+), rame (Cu 2+) o magnesio (Mg 2+). M può anche rappresentare il catione di litio monovalente (Li +) o anche i posti vacanti, purché queste assenze di carica positiva siano compensate da ulteriori cationi di ferro trivalente (Fe 3+). Gli anioni di ossigeno (O 2−) adottano una struttura cristallina cubica compatta, e i cationi metallici occupano gli interstizi in un'insolita disposizione a due reticoli. In ogni cellula unitaria, contenente 32 anioni di ossigeno, 8 cationi sono coordinati da 4 ossigeni (siti tetraedrici) e 16 cationi sono coordinati da 6 ossigeni (siti ottaedrici). L'allineamento antiparallelo e l'annullamento incompleto degli spin magnetici tra le due sottostrutture porta a un momento magnetico permanente. Poiché gli spinelli hanno una struttura cubica, senza una direzione di magnetizzazione preferita, sono "morbidi" magneticamente; cioè, è relativamente facile cambiare la direzione della magnetizzazione attraverso l'applicazione di un campo magnetico esterno.
Ferriti esagonali
I cosiddetti ferriti esagonali hanno la formula M (Fe 12 O 19), dove M è solitamente bario (Ba), stronzio (Sr) o piombo (Pb). La struttura cristallina è complessa, ma può essere descritta come esagonale con un asse c unico o asse verticale. Questo è l'asse facile della magnetizzazione nella struttura di base. Poiché la direzione della magnetizzazione non può essere cambiata facilmente in un altro asse, le ferriti esagonali vengono definite "dure".
Ferriti di granato
Le ferriti di granato hanno la struttura del granato minerale di silicato e la formula chimica M 3 (Fe 5 O 12), dove M è ittrio o ione di terre rare. Oltre ai siti tetraedrici e ottaedrici, come quelli visti negli spinelli, i granati hanno siti dodecaedrici (12 coordinati). Il ferrimagnetismo netto è quindi un risultato complesso dell'allineamento di spin antiparallelo tra i tre tipi di siti. I granati sono anche magneticamente duri.
Lavorazione di ferriti ceramiche
Le ferriti ceramiche sono prodotte dalle tradizionali fasi di miscelazione, calcinazione, pressatura, cottura e finitura. Il controllo della composizione dei cationi e dell'atmosfera gassosa è essenziale. Ad esempio, la magnetizzazione della saturazione delle ferriti di spinello può essere notevolmente migliorata sostituendo parzialmente Zn (Fe 2 O 4) con Ni (Fe 2 O 4) o Mn (Fe 2 O 4). I cationi di zinco preferiscono la coordinazione tetraedrica e forzano Fe 3+ aggiuntivi sui siti ottaedrici. Ciò comporta una minore cancellazione degli spin e una maggiore magnetizzazione della saturazione.
La lavorazione avanzata viene utilizzata anche per la produzione di ferrite, tra cui coprecipitazione, liofilizzazione, torrefazione a spruzzo e lavorazione con sol-gel. (Questi metodi sono descritti nell'articolo ceramiche avanzate). Inoltre, i singoli cristalli vengono coltivati tirando da fondenti fondenti (il metodo Czochralski) o mediante raffreddamento graduale dei melt (il metodo Bridgman). Le ferriti possono anche essere depositate come film sottili su substrati adatti mediante deposizione chimica da vapore (CVD), epitassia in fase liquida (LPE) e sputtering. (Questi metodi sono descritti in cristallo: Crescita dei cristalli: Crescita dal fuso.)
applicazioni
Magneti permanenti
I ferriti magnetici duri sono usati come magneti permanenti e nelle guarnizioni di tenuta del frigorifero. Sono anche utilizzati nei microfoni e nelle guarnizioni degli altoparlanti. Il più grande mercato per i magneti permanenti è quello dei piccoli motori per apparecchi a batteria e nelle applicazioni automobilistiche.
