Keramik magnetik, bahan oksida yang menunjukkan jenis magnetisasi permanen tertentu yang disebut ferrimagnetisme. Keramik magnetik yang disiapkan secara komersial digunakan dalam berbagai magnet permanen, transformator, telekomunikasi, dan aplikasi perekaman informasi. Artikel ini menjelaskan komposisi dan sifat bahan keramik magnetik utama dan mensurvei aplikasi komersial utama mereka.
Ferrite: komposisi, struktur, dan properti
Keramik magnetik terbuat dari ferrites, yang merupakan mineral kristal yang tersusun dari oksida besi dalam kombinasi dengan beberapa logam lainnya. Mereka diberi rumus kimia umum M (Fe x O y), M yang mewakili unsur logam selain besi. Ferit yang paling dikenal adalah magnetit, ferit ferro yang terbentuk secara alami (Fe [Fe 2 O 4], atau Fe 3 O 4) yang umumnya dikenal sebagai batu gamping. Sifat magnetik magnetit telah dieksploitasi dalam kompas sejak zaman kuno.
Perilaku magnetik yang ditunjukkan oleh ferrites disebut ferrimagnetism; itu sangat berbeda dari magnetisasi (disebut feromagnetisme) yang diperagakan oleh bahan logam seperti besi. Dalam feromagnetisme hanya ada satu jenis situs kisi, dan “spin” elektron yang tidak berpasangan (gerakan elektron yang menyebabkan medan magnet) berbaris dalam satu arah dalam domain tertentu. Di ferrimagnetisme, di sisi lain, ada lebih dari satu jenis situs kisi, dan elektron berputar sejajar untuk saling bertentangan — beberapa menjadi "spin-up" dan beberapa "spin-down" —dengan domain yang diberikan. Pembatalan yang tidak lengkap dari spin lawan mengarah ke polarisasi bersih, yang, meskipun agak lebih lemah daripada bahan feromagnetik, bisa sangat kuat.
Tiga kelas dasar ferrites dibuat menjadi produk keramik magnetik. Berdasarkan struktur kristalnya, mereka adalah spinel, ferit heksagonal, dan garnet.
Spinel
Spinel memiliki rumus M (Fe 2 O 4), di mana M biasanya merupakan kation divalen seperti mangan (Mn 2+), nikel (Ni 2+), kobalt (Co 2+), seng (Zn 2+), tembaga (Cu 2+), atau magnesium (Mg 2+). M juga dapat mewakili kation lithium monovalen (Li +) atau bahkan lowongan, selama ketidakhadiran muatan positif ini dikompensasi oleh kation besi trivalen tambahan (Fe 3+). Anion oksigen (O2−) mengadopsi struktur kristal kubik padat, dan kation logam menempati celah dalam pengaturan dua-kisi yang tidak biasa. Dalam setiap sel unit, yang berisi 32 anion oksigen, 8 kation dikoordinasikan oleh 4 oksigen (situs tetrahedral), dan 16 kation dikoordinasikan oleh 6 oksigen (situs oktahedral). Penyelarasan antiparalel dan pembatalan putaran magnetik yang tidak lengkap antara dua sublattis mengarah ke momen magnetik permanen. Karena struktur spinel berbentuk kubik, tanpa arah magnetisasi yang disukai, mereka "lunak" secara magnetis; yaitu, relatif mudah untuk mengubah arah magnetisasi melalui penerapan medan magnet eksternal.
Ferit heksagonal
Ferit heksagonal yang disebut memiliki rumus M (Fe 12 O 19), di mana M biasanya barium (Ba), strontium (Sr), atau timah (Pb). Struktur kristal itu kompleks, tetapi dapat digambarkan sebagai heksagonal dengan sumbu c yang unik, atau sumbu vertikal. Ini adalah sumbu magnetisasi yang mudah dalam struktur dasar. Karena arah magnetisasi tidak dapat diubah dengan mudah ke sumbu lain, ferit heksagonal disebut sebagai "keras."
Ferit garnet
Garnet ferrites memiliki struktur garnet mineral silikat dan rumus kimia M 3 (Fe 5 O 12), di mana M adalah yttrium atau ion rare-earth. Selain situs tetrahedral dan oktahedral, seperti yang terlihat di spinel, garnet memiliki situs dodecahedral (terkoordinasi 12). Ferrimagnetisme bersih dengan demikian merupakan hasil kompleks dari penyelarasan putaran antiparalel di antara ketiga jenis situs. Garnet juga magnetis keras.
Pengolahan ferrites keramik
Ferit keramik dibuat dengan cara pencampuran tradisional, kalsinasi, pengepresan, pembakaran, dan finishing. Kontrol komposisi kation dan atmosfer gas sangat penting. Sebagai contoh, magnetisasi saturasi ferit spinel dapat sangat ditingkatkan dengan substitusi parsial dari Zn (Fe 2 O 4) untuk Ni (Fe 2 O 4) atau Mn (Fe 2 O 4). Kation seng lebih suka koordinasi tetrahedral dan memaksa Fe 3+ tambahan ke situs oktahedral. Ini menghasilkan lebih sedikit pembatalan putaran dan magnetisasi saturasi yang lebih besar.
Pemrosesan lanjutan juga digunakan untuk pembuatan ferit, termasuk kopresipitasi, pengeringan beku, pemanggangan semprot, dan pemrosesan sol-gel. (Metode-metode ini dijelaskan dalam artikel keramik tingkat lanjut.) Selain itu, kristal tunggal ditanam dengan menarik dari peleburan fluks (metode Czochralski) atau dengan pendinginan gradien meleleh (metode Bridgman). Ferrite juga dapat disimpan sebagai film tipis pada substrat yang sesuai dengan deposisi uap kimia (CVD), epitaxy fase cair (LPE), dan sputtering. (Metode ini dijelaskan dalam kristal: Pertumbuhan kristal: Pertumbuhan dari lelehan.)
Aplikasi
Magnet permanen
Ferit magnetik keras digunakan sebagai magnet permanen dan dalam gasket segel kulkas. Mereka juga digunakan dalam mikrofon dan speaker gasket. Pasar terbesar untuk magnet permanen adalah pada motor kecil untuk peralatan nirkabel dan aplikasi mobil.
