Ceràmica magnètica, materials òxids que presenten un determinat tipus de magnetització permanent anomenat ferrimagnetisme. Les ceràmiques magnètiques preparades comercialment s’utilitzen en diverses aplicacions d’imant permanent, transformador, telecomunicacions i registre d’informació. Aquest article descriu la composició i les propietats dels principals materials ceràmics magnètics i fa un estudi de les seves principals aplicacions comercials.
Ferrites: composició, estructura i propietats
La ceràmica magnètica està feta de ferrites, que són minerals cristal·lins compostos d’òxid de ferro en combinació amb algun altre metall. Se'ls dóna la fórmula química general M (Fe x O y), M que representa altres elements metàl·lics que el ferro. La ferrita més familiar és la magnetita, una ferrita ferrosa que es produeix de manera natural (Fe [Fe 2 O 4]), o Fe 3 O 4) coneguda habitualment com a dipòsit. Les propietats magnètiques de la magnetita s’han explotat en brúixoles des de l’antiguitat.
El comportament magnètic exhibit pels ferrites s’anomena ferrimagnetisme; és molt diferent de la magnetització (anomenada ferromagnetisme) que s’exposen per materials metàl·lics com el ferro. En el ferromagnetisme només hi ha un tipus de lloc de gelosia i els "gires" dels electrons no aparellats (els moviments dels electrons que provoquen un camp magnètic) s'uneixen en una direcció dins d'un domini determinat. En el ferrimagnetisme, d’altra banda, hi ha més d’un tipus de lloc de gelosia i els girs d’electrons s’alineen per oposar-se els uns als altres –alguns de “spin-up” i d’altres de “spin-down” - amb un domini determinat. La cancel·lació incompleta de les rotacions oposades comporta una polarització neta, que, encara que una mica més feble que per als materials ferromagnètics, pot ser força forta.
Es fabriquen tres classes bàsiques de ferrites en productes ceràmics magnètics. Basant-se en la seva estructura de cristall, es troben les espines, els ferrites hexagonals i els granats.
Espinelles
Els espinels tenen la fórmula M (Fe 2 O 4), on M sol ser un catió divalent com ara manganès (Mn 2+), níquel (Ni 2+), cobalt (Co 2+), zinc (Zn 2+), coure. (Cu 2+), o magnesi (Mg 2+). M també pot representar el catió de liti monovalent (Li +) o fins i tot vacants, sempre que aquestes absències de càrrega positiva es compensin amb cations de ferro trivalents addicionals (Fe 3+). Els anions d'oxigen (O 2−) adopten una estructura de cristall cúbic ple de paquet i els cations metàl·lics ocupen els intersticis en una disposició inusual de dues gelosies. A cada unitat de cèl·lules, que conté 32 anions d’oxigen, 8 cations estan coordinats per 4 oxígens (llocs tetraèdrics) i 16 cations estan coordinats per 6 oxígens (llocs octaèdrics). L’alineació antiparal·lela i la cancel·lació incompleta de girs magnètics entre les dues sublícies condueix a un moment magnètic permanent. Com que les espines són d’estructura cúbica, sense cap direcció preferida de magnetització, són “suaus” magnèticament; és a dir, és relativament fàcil canviar la direcció de la magnetització mitjançant l'aplicació d'un camp magnètic extern.
Ferrites hexagonals
Els anomenats ferrites hexagonals tenen la fórmula M (Fe 12 O 19), on M sol ser bari (Ba), estronci (Sr) o plom (Pb). L’estructura de cristall és complexa, però es pot descriure com hexagonal amb un eix c únic, o eix vertical. Aquest és l’eix fàcil de magnetitzar en l’estructura bàsica. Com que la direcció de la magnetització no es pot canviar fàcilment per un altre eix, les ferrites hexagonals es coneixen com a "dures".
Ferrites de granat
Els ferrites de granat tenen l'estructura del granat mineral de silicats i la fórmula química M 3 (Fe 5 O 12), on M és itri o un ió de terres rares. A més dels llocs tetraèdrics i octaèdrics, com els que es veuen en els spinels, els granats tenen llocs dodecèdrics (12 coordinats). El ferrimagnetisme net és, doncs, un resultat complex de l’alineació de rotació antiparal·lela entre els tres tipus de llocs. Els granats també són magnèticament durs.
Processament de ferrites ceràmiques
Les ferrites de ceràmica es realitzen mitjançant passos tradicionals de barreja, calcinació, premsat, cocció i acabat. És fonamental controlar la composició catiònica i l’atmosfera gasosa. Per exemple, la magnetització de saturació de ferrites d’espinela es pot millorar molt mitjançant la substitució parcial de Zn (Fe 2 O 4) per Ni (Fe 2 O 4) o Mn (Fe 2 O 4). Els cations de zinc prefereixen la coordinació tetraèdrica i forcen Fe 3+ addicional als llocs octaèdrics. Això es tradueix en una menor cancel·lació de rotacions i una major magnetització de saturació.
El processament avançat també s'utilitza per a la fabricació de ferrita, incloent coprecipitació, assecat al congelat, torreta amb esprai i processament de gel sol. (Aquests mètodes es descriuen a l’article ceràmica avançada.) A més, es cultiven cristalls simples tot tirant de les foses amb flux (el mètode Czochralski) o per un refredament gradient de les foses (mètode Bridgman). També es poden dipositar ferrites com a pel·lícules primes sobre substrats adequats mitjançant deposició de vapor químic (CVD), epitaxi en fase líquida (LPE) i polvorització. (Aquests mètodes es descriuen en cristall: Creixement del cristall: creixement a partir de la fosa.)
Aplicacions
Imants permanents
Els ferrites durs magnètics s’utilitzen com a imants permanents i en juntes de tancament de refrigeració. També s’utilitzen en micròfons i juntes d’altaveus. El major mercat per a imants permanents és el de petits motors per a electrodomèstics sense fil i en aplicacions d'automòbils.
