Cerâmica magnética, materiais óxidos que exibem um certo tipo de magnetização permanente chamada ferrimagnetismo. A cerâmica magnética preparada comercialmente é usada em uma variedade de aplicativos de ímã permanente, transformador, telecomunicações e gravação de informações. Este artigo descreve a composição e as propriedades dos principais materiais cerâmicos magnéticos e examina suas principais aplicações comerciais.
Ferritas: composição, estrutura e propriedades
As cerâmicas magnéticas são feitas de ferritas, que são minerais cristalinos compostos de óxido de ferro em combinação com algum outro metal. Eles têm a fórmula química geral M (Fe x O y), M representando outros elementos metálicos do que ferro. A ferrita mais familiar é a magnetita, uma ferrita ferrosa de ocorrência natural (Fe [Fe 2 O 4] ou Fe 3 O 4), comumente conhecida como magnetita. As propriedades magnéticas da magnetita são exploradas em bússolas desde os tempos antigos.
O comportamento magnético exibido pelas ferritas é chamado ferrimagnetismo; é bem diferente da magnetização (chamada ferromagnetismo) exibida por materiais metálicos como o ferro. No ferromagnetismo, existe apenas um tipo de sítio de treliça, e os elétrons "emparelhados" (os movimentos dos elétrons que causam um campo magnético) se alinham em uma direção dentro de um determinado domínio. No ferrimagnetismo, por outro lado, há mais de um tipo de sítio de treliça, e os spins dos elétrons se alinham de modo a se oporem um ao outro - alguns sendo "spin-up" e outros "spin-down" - em um determinado domínio. O cancelamento incompleto de giros opostos leva a uma polarização líquida, que, embora um pouco mais fraca que nos materiais ferromagnéticos, pode ser bastante forte.
Três classes básicas de ferritas são transformadas em produtos de cerâmica magnética. Baseados em sua estrutura cristalina, são os espinélio, as ferritas hexagonais e as granadas.
Spinels
Os espinélio têm a fórmula M (Fe 2 O 4), onde M é geralmente um cátion divalente, como manganês (Mn 2+), níquel (Ni 2+), cobalto (Co 2+), zinco (Zn 2+), cobre (Cu 2+) ou magnésio (Mg 2+). M também pode representar o cátion de lítio monovalente (Li +) ou até vagas, desde que essas ausências de carga positiva sejam compensadas por cátions de ferro trivalentes adicionais (Fe 3+). Os ânions de oxigênio (O2-) adotam uma estrutura cristalina cúbica compactada e os cátions metálicos ocupam os interstícios em um arranjo incomum de duas redes. Em cada célula unitária, contendo 32 ânions de oxigênio, 8 cátions são coordenados por 4 oxígenos (sítios tetraédricos) e 16 cátions são coordenados por 6 oxígenos (sítios octaédricos). O alinhamento antiparalelo e o cancelamento incompleto de rotações magnéticas entre as duas sublátulas levam a um momento magnético permanente. Como os espinélio são de estrutura cúbica, sem direção preferida de magnetização, eles são "macios" magneticamente; isto é, é relativamente fácil mudar a direção da magnetização através da aplicação de um campo magnético externo.
Ferrites hexagonais
As ferritas chamadas hexagonais têm a fórmula M (Fe 12 O 19), onde M é geralmente bário (Ba), estrôncio (Sr) ou chumbo (Pb). A estrutura do cristal é complexa, mas pode ser descrita como hexagonal com um eixo c exclusivo ou eixo vertical. Este é o eixo fácil de magnetização na estrutura básica. Como a direção da magnetização não pode ser alterada facilmente para outro eixo, as ferritas hexagonais são chamadas de "rígidas".
Ferritas de granada
As ferritas de granada têm a estrutura da granada mineral de silicato e a fórmula química M 3 (Fe 5 O 12), onde M é ítrio ou um íon de terras raras. Além de locais tetraédricos e octaédricos, como os observados em espinélio, as granadas têm locais dodecaédricos (coordenados em 12). O ferrimagnetismo líquido é, portanto, um resultado complexo do alinhamento de rotação antiparalelo entre os três tipos de locais. Granadas também são magneticamente difíceis.
Processamento de ferritas de cerâmica
As ferritas de cerâmica são feitas pelas etapas tradicionais de mistura, calcinação, prensagem, queima e acabamento. O controle da composição do cátion e da atmosfera de gás é essencial. Por exemplo, a magnetização de saturação de ferritas de espinélio pode ser bastante aprimorada pela substituição parcial de Zn (Fe 2 O 4) por Ni (Fe 2 O 4) ou Mn (Fe 2 O 4). Os cátions de zinco preferem a coordenação tetraédrica e forçam Fe 3+ adicionais aos locais octaédricos. Isso resulta em menos cancelamento de rotações e maior magnetização de saturação.
O processamento avançado também é usado para a fabricação de ferrita, incluindo co-precipitação, liofilização, torrefação por spray e processamento sol-gel. (Esses métodos são descritos no artigo cerâmica avançada.) Além disso, cristais únicos são cultivados puxando a partir de fundidos fundidos (o método Czochralski) ou por um gradiente de resfriamento de fundidos (o método Bridgman). Os ferritos também podem ser depositados como filmes finos em substratos adequados por deposição de vapor químico (CVD), epitaxia em fase líquida (LPE) e pulverização. (Esses métodos são descritos no cristal: Crescimento do cristal: crescimento do derretimento.)
Formulários
Imãs permanentes
Ferritas magnéticas duras são usadas como ímãs permanentes e em juntas de vedação de geladeira. Eles também são usados em microfones e juntas de alto-falante. O maior mercado de ímãs permanentes está em pequenos motores para aparelhos sem fio e em aplicações automotivas.
