자기 세라믹

자기 세라믹, 페리 마그네틱 이라 불리는 특정 유형의 영구 자화를 나타내는 산화물 재료. 상업적으로 준비된 자기 세라믹은 다양한 영구 자석, 변압기, 전기 통신 및 정보 기록 응용 분야에 사용됩니다. 이 기사는 주요 자성 세라믹 재료의 구성과 특성을 설명하고 주요 상용 응용 분야를 조사합니다.

페라이트: 구성, 구조 및 특성

자성 세라믹은 페라이트로 만들어지며, 다른 금속과 함께 산화철로 구성된 결정질 광물입니다. 그들은 철 이외의 다른 금속 원소를 나타내는 일반적인 화학식 M (Fe _x O _y) 이 주어진다. 가장 친숙한 페라이트는 자철석, 일반적으로 lodestone으로 알려진 자연 발생 철 페라이트 (Fe [Fe ₂ O ₄] 또는 Fe ₃ O ₄)입니다. 마그네타이트의 자기 특성은 고대부터 나침반에서 이용되어 왔습니다.

페라이트에 의해 나타나는 자기 행동을 페리 마그네틱이라고합니다. 철과 같은 금속 재료에 의해 나타나는 자화 (강자성이라고 함)와는 상당히 다릅니다. 강자성에는 오직 한 종류의 격자 부위가 있으며, 짝을 이루지 않은 전자 스핀 (자기장을 일으키는 전자의 움직임)은 주어진 영역 내에서 한 방향으로 정렬됩니다. 한편, 페리 자기에서, 하나 이상의 격자 부위가 존재하고, 전자 스핀은 주어진 도메인 내에서 서로 "스핀-업 (spin-up)"및 "스핀-다운 (spin-down)"에 대 향하여 정렬된다. 반대쪽 스핀의 불완전한 상쇄는 강자성 물질에 비해 다소 약하지만, 상당히 강할 수있는 순 분극을 초래한다.

페라이트의 3 가지 기본 등급은 자기 세라믹 제품으로 만들어집니다. 결정 구조에 따라 스피넬, 육각형 페라이트 및 가닛입니다.

스피넬

스피넬은 화학식 M (Fe ₂ O ₄)을 가지며, 여기서 M은 일반적으로 2가 양이온, 예컨대 망간 (Mn ²⁺), 니켈 (Ni ²⁺), 코발트 (Co ²⁺), 아연 (Zn ²⁺), 구리이다 (Cu ²⁺) 또는 마그네슘 (Mg ²⁺). 이러한 양전하의 부재가 추가적인 3가 철 양이온 (Fe ³⁺) 에 의해 보상되는 한, M은 또한 1가 리튬 양이온 (Li ⁺) 또는 심지어 빈자리를 나타낼 수있다. 산소 음이온 (O ^2-)은 밀집된 입방 결정 구조를 채택하고, 금속 양이온은 특이한 두 격자 배열로 간극을 차지합니다. 32 개의 산소 음이온을 함유하는 각각의 단위 셀에서, 8 개의 양이온은 4 개의 산소 (사면체 부위)에 의해 배위되고, 16 개의 양이온은 6 개의 산소 (8 면체 부위)에 의해 배위된다. 반 평행 정렬과 두 개의 하위 격자 사이의 자기 스핀의 불완전한 상쇄는 영구적 인 자기 모멘트를 초래합니다. 스피넬은 입방 구조이고, 바람직한 자화 방향이 없기 때문에 자기 적으로 "부드럽다". 즉, 외부 자기장의 적용을 통해 자화 방향을 변경하는 것이 비교적 쉽다.

6 각형 페라이트

소위 육각형 페라이트는 화학식 M (Fe ₁₂ O ₁₉)을 가지며, 여기서 M은 일반적으로 바륨 (Ba), 스트론튬 (Sr) 또는 납 (Pb)이다. 결정 구조는 복잡하지만 고유 한 c 축 또는 세로 축을 가진 육각형으로 설명 할 수 있습니다. 이것은 기본 구조에서 자화의 쉬운 축입니다. 자화 방향을 다른 축으로 쉽게 변경할 수 없기 때문에 육각형 페라이트를 "단단한"이라고합니다.

가넷 페라이트

가넷 페라이트는 실리케이트 미네랄 가넷 및 화학식 M ₃ (Fe ₅ O ₁₂) 의 구조를 가지며, 여기서 M은 이트륨 또는 희토류 이온이다. 스피넬에서 볼 수있는 것과 같은 사면체 및 팔면체 부위 외에, 가닛은 12 면체 (12 좌표) 부위를 가지고 있습니다. 순 Ferrimagnetism 따라서 세 가지 유형의 사이트 간의 역 병렬 스핀 정렬의 복잡한 결과입니다. 가닛은 또한 자기 적으로 단단합니다.

세라믹 페라이트 가공

세라믹 페라이트는 전통적인 혼합, 하소, 프레싱, 소성 및 마무리 단계에 의해 제조됩니다. 양이온 조성 및 가스 분위기의 제어가 필수적입니다. 예를 들어, 스피넬 페라이트의 포화 자화는 Ni (Fe ₂ O ₄) 또는 Mn (Fe ₂ O ₄)에 대한 Zn (Fe ₂ O ₄) 의 부분 치환에 의해 크게 향상 될 수있다. 아연 양이온은 사면체 배위를 선호 하고 팔면체 부위에 추가의 Fe ³⁺ 를 강제한다. 이것은 스핀의 상쇄를 줄이고 포화 자화를 증가시킨다.

공침, 동결 건조, 스프레이 로스팅 및 졸-겔 가공을 포함한 페라이트 제조에도 고급 공정이 사용됩니다. (이러한 방법은 고급 세라믹 제품에 설명되어 있습니다.) 또한, 단결정은 플럭스 용융물 (Chochralski 방법) 또는 용융물 구배 냉각 (Bridgman 방법)을 통해 성장됩니다. 페라이트는 또한 화학 기상 증착 (CVD), 액상 에피 택시 (LPE) 및 스퍼터링에 의해 적합한 기판 상에 박막으로서 증착 될 수있다. (이러한 방법은 결정: 결정 성장: 용융물에서 성장에 설명되어 있습니다.)