Céramique magnétique

Céramiques magnétiques, matériaux oxydes qui présentent un certain type d'aimantation permanente appelée ferrimagnétisme. Les céramiques magnétiques préparées commercialement sont utilisées dans une variété d'applications d'aimants permanents, de transformateurs, de télécommunications et d'enregistrement d'informations. Cet article décrit la composition et les propriétés des principaux matériaux céramiques magnétiques et passe en revue leurs principales applications commerciales.

Ferrites: composition, structure et propriétés

Les céramiques magnétiques sont faites de ferrites, qui sont des minéraux cristallins composés d'oxyde de fer en combinaison avec un autre métal. On leur donne la formule chimique générale M (Fe _x O _y), M représentant d'autres éléments métalliques que le fer. La ferrite la plus connue est la magnétite, une ferrite ferreuse naturelle (Fe [Fe ₂ O ₄] ou Fe ₃ O ₄) communément appelée lodestone. Les propriétés magnétiques de la magnétite ont été exploitées dans les boussoles depuis l'Antiquité.

Le comportement magnétique présenté par les ferrites est appelé ferrimagnétisme; elle est très différente de l'aimantation (appelée ferromagnétisme) que présentent les matériaux métalliques tels que le fer. Dans le ferromagnétisme, il n'y a qu'un seul type de site de réseau et les «spins» d'électrons non appariés (les mouvements des électrons qui provoquent un champ magnétique) s'alignent dans une direction dans un domaine donné. Dans le ferrimagnétisme, en revanche, il existe plusieurs types de sites de réseau, et les spins d'électrons s'alignent de manière à s'opposer - certains étant «spin-up» et certains étant «spin-down» - dans un domaine donné. L'annulation incomplète des spins opposés conduit à une polarisation nette qui, bien que légèrement plus faible que pour les matériaux ferromagnétiques, peut être assez forte.

Trois classes de base de ferrites sont transformées en produits céramiques magnétiques. Sur la base de leur structure cristalline, ce sont les spinelles, les ferrites hexagonales et les grenats.

Spinelles

Les spinelles ont la formule M (Fe ₂ O ₄), où M est généralement un cation divalent tel que le manganèse (Mn ²⁺), le nickel (Ni ²⁺), le cobalt (Co ²⁺), le zinc (Zn ²⁺), le cuivre (Cu ²⁺) ou magnésium (Mg ²⁺). M peut également représenter le cation lithium monovalent (Li ⁺) ou même des lacunes, tant que ces absences de charge positive sont compensées par des cations fer trivalents supplémentaires (Fe ³⁺). Les anions oxygène (O ²⁻) adoptent une structure cristalline cubique serrée et les cations métalliques occupent les interstices dans un arrangement inhabituel à deux réseaux. Dans chaque cellule unitaire, contenant 32 anions oxygène, 8 cations sont coordonnés par 4 oxygènes (sites tétraédriques) et 16 cations sont coordonnés par 6 oxygènes (sites octaédriques). L'alignement antiparallèle et l'annulation incomplète des spins magnétiques entre les deux sous-réseaux conduisent à un moment magnétique permanent. Parce que les spinelles sont de structure cubique, sans direction d'aimantation préférée, ils sont «doux» magnétiquement; c'est-à-dire qu'il est relativement facile de changer la direction de l'aimantation grâce à l'application d'un champ magnétique externe.

Ferrites hexagonales

Les ferrites dits hexagonaux ont la formule M (Fe ₁₂ O ₁₉), où M est généralement du baryum (Ba), du strontium (Sr) ou du plomb (Pb). La structure cristalline est complexe, mais elle peut être décrite comme hexagonale avec un axe c unique ou un axe vertical. Il s'agit de l'axe d'aimantation facile dans la structure de base. Parce que la direction d'aimantation ne peut pas être changée facilement vers un autre axe, les ferrites hexagonales sont appelées «dures».

Ferrites grenat

Les ferrites de grenat ont la structure du grenat minéral silicate et la formule chimique M ₃ (Fe ₅ O ₁₂), où M est l'yttrium ou un ion des terres rares. En plus des sites tétraédriques et octaédriques, tels que ceux observés dans les spinelles, les grenats ont des sites dodécaédriques (coordonnés 12). Le ferrimagnétisme net est donc un résultat complexe de l'alignement de spin antiparallèle entre les trois types de sites. Les grenats sont également magnétiquement durs.

Traitement des ferrites céramiques

Les ferrites céramiques sont fabriquées par des étapes traditionnelles de mélange, de calcination, de pressage, de cuisson et de finition. Le contrôle de la composition cationique et de l'atmosphère gazeuse est essentiel. Par exemple, l'aimantation à saturation des ferrites spinelles peut être grandement améliorée par substitution partielle de Zn (Fe ₂ O ₄) par Ni (Fe ₂ O ₄) ou Mn (Fe ₂ O ₄). Les cations zinc préfèrent la coordination tétraédrique et forcent du Fe ³⁺ supplémentaire sur les sites octaédriques. Cela se traduit par moins d'annulation des spins et une plus grande aimantation à saturation.

Un traitement avancé est également utilisé pour la fabrication de ferrite, y compris la coprécipitation, la lyophilisation, le grillage par pulvérisation et le traitement sol-gel. (Ces méthodes sont décrites dans l'article Céramiques avancées.) De plus, les monocristaux sont cultivés en tirant des fondus fondus (la méthode Czochralski) ou par un refroidissement par gradient des fondus (la méthode Bridgman). Les ferrites peuvent également être déposées sous forme de films minces sur des substrats appropriés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), épitaxie en phase liquide (LPE) et pulvérisation. (Ces méthodes sont décrites dans Crystal: Crystal Growth: Growth from the melt.)

Applications

Aimants permanents

Les ferrites magnétiques dures sont utilisées comme aimants permanents et dans les joints d'étanchéité du réfrigérateur. Ils sont également utilisés dans les microphones et les joints de haut-parleur. Le plus grand marché des aimants permanents est celui des petits moteurs pour les appareils sans fil et des applications automobiles.