Cerámica magnética, materiales de óxido que exhiben cierto tipo de magnetización permanente llamada ferrimagnetismo. Las cerámicas magnéticas preparadas comercialmente se utilizan en una variedad de aplicaciones de imanes permanentes, transformadores, telecomunicaciones y registro de información. Este artículo describe la composición y las propiedades de los principales materiales cerámicos magnéticos y examina sus principales aplicaciones comerciales.
Ferritas: composición, estructura y propiedades.
Las cerámicas magnéticas están hechas de ferritas, que son minerales cristalinos compuestos de óxido de hierro en combinación con algún otro metal. Se les da la fórmula química general M (Fe x O y), M representa otros elementos metálicos distintos al hierro. La ferrita más familiar es la magnetita, una ferrita ferrosa natural (Fe [Fe 2 O 4] o Fe 3 O 4) comúnmente conocida como piedra imán. Las propiedades magnéticas de la magnetita han sido explotadas en las brújulas desde la antigüedad.
El comportamiento magnético exhibido por las ferritas se llama ferrimagnetismo; es bastante diferente de la magnetización (llamada ferromagnetismo) que exhiben los materiales metálicos como el hierro. En el ferromagnetismo solo hay un tipo de sitio de red, y los “espines” de electrones no apareados (los movimientos de los electrones que causan un campo magnético) se alinean en una dirección dentro de un dominio dado. En el ferrimagnetismo, por otro lado, hay más de un tipo de sitio de celosía, y los espines de electrones se alinean para oponerse entre sí, algunos "giran hacia arriba" y otros "giran hacia abajo" dentro de un dominio dado. La cancelación incompleta de los giros opuestos conduce a una polarización neta, que, aunque algo más débil que para los materiales ferromagnéticos, puede ser bastante fuerte.
Tres clases básicas de ferritas se convierten en productos de cerámica magnética. Según su estructura cristalina, son las espinelas, las ferritas hexagonales y los granates.
Espinelas
Las espinelas tienen la fórmula M (Fe 2 O 4), donde M suele ser un catión divalente como el manganeso (Mn 2+), níquel (Ni 2+), cobalto (Co 2+), zinc (Zn 2+), cobre (Cu 2+) o magnesio (Mg 2+). M también puede representar el catión de litio monovalente (Li +) o incluso vacantes, siempre que estas ausencias de carga positiva se compensen con cationes de hierro trivalentes adicionales (Fe 3+). Los aniones de oxígeno (O 2−) adoptan una estructura de cristal cúbico muy compacta, y los cationes metálicos ocupan los intersticios en una disposición inusual de dos celosías. En cada celda unitaria, que contiene 32 aniones de oxígeno, 8 cationes están coordinados por 4 oxígenos (sitios tetraédricos) y 16 cationes están coordinados por 6 oxígenos (sitios octaédricos). La alineación antiparalela y la cancelación incompleta de los giros magnéticos entre las dos subredes conduce a un momento magnético permanente. Debido a que las espinelas tienen una estructura cúbica, sin dirección de magnetización preferida, son magnéticas "blandas"; es decir, es relativamente fácil cambiar la dirección de magnetización mediante la aplicación de un campo magnético externo.
Ferritas hexagonales
Las llamadas ferritas hexagonales tienen la fórmula M (Fe 12 O 19), donde M generalmente es bario (Ba), estroncio (Sr) o plomo (Pb). La estructura cristalina es compleja, pero se puede describir como hexagonal con un eje c único o eje vertical. Este es el eje fácil de magnetización en la estructura básica. Debido a que la dirección de magnetización no se puede cambiar fácilmente a otro eje, las ferritas hexagonales se denominan "duras".
Ferritas de granate
Las ferritas de granate tienen la estructura del granate mineral de silicato y la fórmula química M 3 (Fe 5 O 12), donde M es itrio o un ion de tierras raras. Además de los sitios tetraédricos y octaédricos, como los que se ven en las espinelas, los granates tienen sitios dodecaédricos (12 coordinados). El ferrimagnetismo neto es, por lo tanto, un resultado complejo de la alineación del giro antiparalelo entre los tres tipos de sitios. Los granates también son magnéticamente duros.
Procesamiento de ferritas cerámicas
Las ferritas cerámicas se hacen mediante los pasos tradicionales de mezcla, calcinación, prensado, cocción y acabado. El control de la composición catiónica y la atmósfera de gas es esencial. Por ejemplo, la magnetización de saturación de las ferritas de espinela se puede mejorar en gran medida mediante la sustitución parcial de Zn (Fe 2 O 4) por Ni (Fe 2 O 4) o Mn (Fe 2 O 4). Los cationes de zinc prefieren la coordinación tetraédrica y fuerzan Fe 3+ adicional sobre los sitios octaédricos. Esto resulta en una menor cancelación de giros y una mayor saturación de magnetización.
El procesamiento avanzado también se utiliza para la fabricación de ferrita, incluida la coprecipitación, la liofilización, el tostado por pulverización y el procesamiento de sol-gel. (Estos métodos se describen en la cerámica avanzada del artículo). Además, los cristales individuales se cultivan mediante extracción de fundidos fundidos (método Czochralski) o por enfriamiento por gradiente de fundidos (método Bridgman). Las ferritas también pueden depositarse como películas delgadas sobre sustratos adecuados mediante deposición química de vapor (CVD), epitaxia en fase líquida (LPE) y pulverización catódica. (Estos métodos se describen en cristal: Crecimiento de cristal: Crecimiento a partir de la masa fundida).
Aplicaciones
Magnetos permanentes
Las ferritas magnéticas duras se usan como imanes permanentes y en juntas de sellado del refrigerador. También se utilizan en micrófonos y juntas de altavoces. El mercado más grande para imanes permanentes se encuentra en motores pequeños para electrodomésticos inalámbricos y en aplicaciones de automóviles.
