Magnetkeramik, Oxidmaterialien, die eine bestimmte Art von Permanentmagnetisierung aufweisen, die als Ferrimagnetismus bezeichnet wird. Kommerziell hergestellte Magnetkeramiken werden in einer Vielzahl von Permanentmagnet-, Transformator-, Telekommunikations- und Informationsaufzeichnungsanwendungen verwendet. Dieser Artikel beschreibt die Zusammensetzung und Eigenschaften der wichtigsten magnetischen Keramikmaterialien und gibt einen Überblick über ihre wichtigsten kommerziellen Anwendungen.
Ferrite: Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften
Magnetkeramiken bestehen aus Ferriten, kristallinen Mineralien, die aus Eisenoxid in Kombination mit einem anderen Metall bestehen. Sie erhalten die allgemeine chemische Formel M (Fe x O y), wobei M andere metallische Elemente als Eisen darstellt. Der bekannteste Ferrit ist Magnetit, ein natürlich vorkommender Eisenferrit (Fe [Fe 2 O 4] oder Fe 3 O 4), der allgemein als Lodestone bekannt ist. Die magnetischen Eigenschaften von Magnetit wurden seit der Antike in Kompassen ausgenutzt.
Das magnetische Verhalten der Ferrite wird als Ferrimagnetismus bezeichnet. Es unterscheidet sich stark von der Magnetisierung (Ferromagnetismus genannt), die metallische Materialien wie Eisen aufweisen. Beim Ferromagnetismus gibt es nur eine Art von Gitterstelle, und ungepaarte Elektronenspins (die Bewegungen von Elektronen, die ein Magnetfeld verursachen) richten sich innerhalb einer bestimmten Domäne in eine Richtung aus. Beim Ferrimagnetismus gibt es andererseits mehr als eine Art von Gitterstelle, und Elektronenspins richten sich so aus, dass sie sich in einer bestimmten Domäne gegenüberliegen - einige sind "Spin-up" und andere "Spin-down". Eine unvollständige Aufhebung entgegengesetzter Spins führt zu einer Nettopolarisation, die zwar etwas schwächer als bei ferromagnetischen Materialien ist, aber ziemlich stark sein kann.
Drei Grundklassen von Ferriten werden zu magnetischen Keramikprodukten verarbeitet. Aufgrund ihrer Kristallstruktur sind dies die Spinelle, die hexagonalen Ferrite und die Granate.
Spinelle
Spinelle haben die Formel M (Fe 2 O 4), wobei M üblicherweise ein zweiwertiges Kation wie Mangan (Mn 2+), Nickel (Ni 2+), Kobalt (Co 2+), Zink (Zn 2+), Kupfer ist (Cu 2+) oder Magnesium (Mg 2+). M kann auch das einwertige Lithiumkation (Li +) oder sogar Leerstellen darstellen, sofern diese fehlenden positiven Ladungen durch zusätzliche dreiwertige Eisenkationen (Fe 3+) ausgeglichen werden. Die Sauerstoffanionen (O 2−) nehmen eine dicht gepackte kubische Kristallstruktur an, und die Metallkationen besetzen die Zwischenräume in einer ungewöhnlichen Zwei-Gitter-Anordnung. In jeder Einheitszelle, die 32 Sauerstoffanionen enthält, werden 8 Kationen durch 4 Sauerstoffatome (tetraedrische Stellen) und 16 Kationen durch 6 Sauerstoffatome (oktaedrische Stellen) koordiniert. Die antiparallele Ausrichtung und unvollständige Aufhebung der Magnetspins zwischen den beiden Untergittern führt zu einem permanenten magnetischen Moment. Da Spinelle eine kubische Struktur ohne bevorzugte Magnetisierungsrichtung haben, sind sie magnetisch „weich“. Das heißt, es ist relativ einfach, die Magnetisierungsrichtung durch Anlegen eines externen Magnetfelds zu ändern.
Sechseckige Ferrite
Die sogenannten hexagonalen Ferrite haben die Formel M (Fe 12 O 19), wobei M üblicherweise Barium (Ba), Strontium (Sr) oder Blei (Pb) ist. Die Kristallstruktur ist komplex, kann jedoch als hexagonal mit einer eindeutigen c-Achse oder vertikalen Achse beschrieben werden. Dies ist die einfache Magnetisierungsachse in der Grundstruktur. Da die Magnetisierungsrichtung nicht einfach auf eine andere Achse geändert werden kann, werden hexagonale Ferrite als "hart" bezeichnet.
Granatferrite
Granatferrite haben die Struktur des Silikatminerals Granat und die chemische Formel M 3 (Fe 5 O 12), wobei M Yttrium oder ein Seltenerdion ist. Zusätzlich zu tetraedrischen und oktaedrischen Stellen, wie sie in Spinellen zu sehen sind, weisen Granate dodekaedrische (12-koordinierte) Stellen auf. Der Nettoferrimagnetismus ist somit ein komplexes Ergebnis der antiparallelen Spinausrichtung zwischen den drei Arten von Stellen. Granate sind auch magnetisch hart.
Verarbeitung von Keramikferriten
Keramische Ferrite werden durch traditionelle Misch-, Kalzinierungs-, Press-, Brenn- und Endbearbeitungsschritte hergestellt. Die Kontrolle der Kationenzusammensetzung und der Gasatmosphäre ist wesentlich. Beispielsweise kann die Sättigungsmagnetisierung von Spinellferriten durch teilweise Substitution von Ni (Fe 2 O 4) oder Mn (Fe 2 O 4) durch Zn (Fe 2 O 4) stark verbessert werden. Die Zinkkationen bevorzugen die tetraedrische Koordination und zwingen zusätzliches Fe 3+ auf die oktaedrischen Stellen. Dies führt zu einer geringeren Aufhebung der Spins und einer stärkeren Sättigungsmagnetisierung.
Die fortschrittliche Verarbeitung wird auch für die Ferritherstellung verwendet, einschließlich Copräzipitation, Gefriertrocknung, Sprührösten und Sol-Gel-Verarbeitung. (Diese Methoden werden im Artikel Advanced Ceramics beschrieben.) Zusätzlich werden Einkristalle durch Ziehen aus Flussmittelschmelzen (Czochralski-Methode) oder durch Gradientenkühlung von Schmelzen (Bridgman-Methode) gezüchtet. Ferrite können auch als dünne Filme auf geeigneten Substraten durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Flüssigphasenepitaxie (LPE) und Sputtern abgeschieden werden. (Diese Methoden sind in Kristall beschrieben: Kristallwachstum: Wachstum aus der Schmelze.)
Anwendungen
Permanentmagnete
Hartmagnetferrite werden als Permanentmagnete und in Kühldichtungen verwendet. Sie werden auch in Mikrofonen und Lautsprecherdichtungen verwendet. Der größte Markt für Permanentmagnete besteht in kleinen Motoren für schnurlose Geräte und in Automobilanwendungen.
