磁性セラミックス

磁性セラミックス、フェリ磁性と呼ばれる特定の種類の永久磁化を示す酸化物材料。市販の磁性セラミックは、さまざまな永久磁石、変圧器、通信、情報記録アプリケーションで使用されています。この記事では、主要な磁性セラミック材料の組成と特性について説明し、主な商用アプリケーションについて概説します。

フェライト：組成、構造、特性

磁性セラミックはフェライトでできています。フェライトは酸化鉄と他の金属を組み合わせた結晶鉱物です。一般的な化学式M（Fe _x O _y）が与えられ、Mは鉄以外の金属元素を表します。最もよく知られているフェライトはマグネタイトです。これは、一般にロードストーンとして知られている天然に存在するフェライトフェライト（Fe [Fe ₂ O ₄]、またはFe ₃ O ₄）です。マグネタイトの磁気特性は、古くからコンパスで利用されてきました。

フェライトが示す磁気的挙動はフェリ磁性と呼ばれます。これは、鉄などの金属材料が示す磁化（強磁性）とはかなり異なります。強磁性では、格子サイトは1種類だけであり、不対電子の「スピン」（磁場を発生させる電子の動き）は、特定のドメイン内で一方向に並んでいます。一方、フェリ磁性では、複数の種類の格子サイトが存在し、電子スピンは特定のドメイン内で互いに向き合うように整列します（一部は「スピンアップ」、一部は「スピンダウン」）。反対のスピンの不完全な相殺は正味の分極をもたらしますが、これは強磁性体の場合よりはやや弱いですが、かなり強い場合があります。

フェライトの3つの基本クラスは、磁性セラミック製品になります。それらは結晶構造に基づいて、スピネル、六方晶フェライト、およびガーネットです。

スピネル

スピネルの式はM（Fe ₂ O ₄）です。Mは通常、マンガン（Mn ²⁺）、ニッケル（Ni ²⁺）、コバルト（Co ²⁺）、亜鉛（Zn ²⁺）、銅などの2価の陽イオンです。（Cu ²⁺）、またはマグネシウム（Mg ²⁺）。Mは、追加の3価の鉄カチオン（Fe ³⁺）によってこれらの正電荷の欠如が補償される限り、1価のリチウムカチオン（Li ⁺）または空孔さえも表すことができます。酸素アニオン（O ²⁻）は最密充填の立方晶構造を採用しており、金属カチオンは異常な2格子配列の隙間を占めています。各ユニットセルでは、32個の酸素アニオンを含み、8個のカチオンは4個の酸素（四面体サイト）によって調整され、16個のカチオンは6個の酸素（八面体サイト）によって調整されます。2つの副格子間の磁気スピンの逆平行配列と不完全なキャンセルにより、永久磁気モーメントが発生します。スピネルは立方体の構造であり、好ましい磁化方向はないため、磁気的には「ソフト」です。すなわち、外部磁場の印加によって磁化の方向を変えることは比較的簡単です。

六方晶フェライト

いわゆるヘキサゴナルフェライトの式はM（Fe ₁₂ O ₁₉）で、Mは通常バリウム（Ba）、ストロンチウム（Sr）、または鉛（Pb）です。結晶構造は複雑ですが、独自のc軸または垂直軸を持つ六角形として説明できます。これが基本構造の磁化容易軸です。磁化の方向を別の軸に変えるのは簡単ではないため、六方晶フェライトは「ハード」と呼ばれます。

ガーネットフェライト

ガーネットフェライトは、ケイ酸塩鉱物ガーネットの構造と化学式M ₃（Fe ₅ O ₁₂）を持っています。ここで、Mはイットリウムまたは希土類イオンです。スピネルに見られるような四面体と八面体のサイトに加えて、ガーネットには十二面体（12配位）サイトがあります。したがって、正味のフェリ磁性は、3種類のサイト間の逆平行スピン整列の複雑な結果です。ガーネットも磁気的に硬い。

セラミックフェライトの加工

セラミックフェライトは、従来の混合、焼成、プレス、焼成、仕上げの手順で作成されます。陽イオンの組成とガス雰囲気の制御は不可欠です。たとえば、スピネルフェライトの飽和磁化は、Ni（Fe ₂ O ₄）またはMn（Fe ₂ O ₄）をZn（Fe ₂ O ₄）で部分的に置換することによって大幅に強化できます。亜鉛カチオンは四面体配位を好み、追加のFe ³⁺を八面体サイトに押し付けます。これにより、スピンの相殺が少なくなり、飽和磁化が大きくなります。

高度な処理は、共沈、凍結乾燥、スプレーロースト、ゾルゲル処理などのフェライト製造にも使用されます。（これらの方法は、高度なセラミックの記事で説明されています。）さらに、単結晶は、フラックス溶融物からの引き上げ（チョクラルスキー法）または溶融物の勾配冷却（ブリッジマン法）によって成長します。フェライトは、化学気相成長法（CVD）、液相エピタキシー（LPE）、およびスパッタリングによって、適切な基板上に薄膜として堆積させることもできます。（これらの方法は、結晶：結晶成長：融液からの成長で説明されています。）

用途

永久磁石

硬磁性フェライトは、永久磁石として、および冷蔵庫のシールガスケットに使用されます。また、マイクやスピーカーのガスケットにも使用されています。永久磁石の最大の市場は、コードレス機器用の小型モーターと自動車用途です。