Ceramics 8

Keramische Werkstoffe
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19. Magnetische Keramiken
Da die meisten keramischen Magnete Eisen enthalten,
werden sie auch „Ferrite“ genannt. Sie sind elektrische
Halbleiter oder Isolatoren (im Gegensatz zu metallischen
magnetischen Materialien).
Ferrite halten daher die elektrischen Ströme bei hohen
Frequenzen des magnetischen Wechselfeldes klein Æ
Anwendung für Mikrowellen, Hifi-Lautsprecher.
Entwicklung der Ferrite bei Philips, Eindhoven in den
30er Jahren; Verständnis der magnetischen Eigenschaften
durch Néal (1948).
Da sich eine Spule wie ein Stabmagnet verhält, wird
ihr ein magnetisches Moment mmagn. zugeschrieben.
Analog dazu wird den magnetischen Effekten in
Materialien die Bewegung der Elektronen im Atom
zugrundegelegt (Orbitalbewegung und effektiver Spin)
mit Quantisierung des Drehimpulses in Einheiten von
h = 1.055x10 -34 Js .
Zusammenhang des magnetischen Dipolmoments
mmagn. mit dem Drehimpulsmoment I:
Q
2m
(gyromagnetisches Verhältnis)
m magn. = gI
;g =
(19.1)
Q, m: Ladung, Masse des sich bewegenden Teilchens.
Quantisierung des Drehimpulsmoments Æ Quantisierung
des magnetischen Moments:
Bohrsches Magneton
mB =
q
h = 9, 274x10- 24 Am 2
2 me
(19.2)
Das nukleare magnetische Moment ist von der Größe 10-3
des Bohrschen Magnetons und daher im allgemeinen
vernachlässigbar.
Beschreibung der Orbital- und Spinzustände eines
Elektrons durch die Quantenzahlen n, l, me, s und des
gesamten Drehimpulsmoments eines Atoms mit einer
Reihe von Elektronen durch J Æ
Ein Elektron mit der Orbitalquantenzahl l besitzt ein
totales magnetisches Moment
Infolge des Spin-Dipolmoments liegt eine Komponente des magnetischen Dipolmoments in Feldrichtung
1
von 1 mB vor Æ m magn. = 2[s(s+ 1)] 2 mB .
Für ein System mit Elektronen, die sowohl Orbitalals auch Spin-Drehimpulse besitzen, gilt für das
gyromagnetische Verhältnis
g =g
q
3 S (S + 1) - L( L + 1)
mit g = +
2me
2
2J( J + 1)
(19.3)
g kann Werte von 1 bis 2 annehmen. Für viele Ferrite ist
g nahe 2, d. h. das gesamte magnetische Dipolmoment
des Spins macht den dominierenden Beitrag zur Magnetisierung aus. Die Orbital-Magnetisierung ist „eingefroren“.
Makroskopische Betrachtung
v der Magnetisierung.
Magnetische Induktion B (= magnetischer Feldvektor,
der die Kraft eines elektrischen Stromes bestimmt) am
Ort P (Abb. 19.1) aus der Vektorsumme aller Elemente
v
dB
v
v m0 Ê Id l xvr ˆ
dB =
4p ÁË r3 ˜¯
(19.4)
v m Ê Idlsinq ˆ
˜
dB = 0 Á
4p Ë r 2 ¯
(19.5)
m0 (Permeabilität des Vakuums Induktionskonstante:) =
4p x 10-7 H/m.
Die magnetische
Feldstärke
ist so definiert, daß im
v
v v
Vakuum H = B / m0 ist. B hängt von dem dem den Draht
v
umgebundenen Medium ab, während H nur vom Strom
abhängt.
Abb. 19.2.: Magnetisierung eines kreisförmigen Toroids,
mit dem Querschnitt A: Das Material wird magnetisiert,
d. h. erhält ein magnetisches Moment pro Einheitsvoluv
men (Magnetisierung M ). Dieses rührt von mikroskopischen Strömen Ampèresche Ströme ID) her.
12
[l (l + 1) ] mB
Dieses kann durch ein magnetisches Feld in einer solchen
Weise orientiert werden, daß die Komponente des
magnetischen Dipolmoments in Feldrichtung mit Werten
vin me mB quantisiert ist.
Abb. 19.1. Magnetische Induktion ausgehend von einem Stromelement.
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Keramische Werkstoffe
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Abb. 19.2. Effekte, die von der Anwesenheit eines magnetischen Materials herrühren; Ia ist der amperometrische Strom per
Einheitslänge des Toroids.
Abb. 19.3. Der Effekt einer Luftspalte in einem Toroid.
Mit Gleichung (19.9) folgt
Ê B
ˆ
He = Ha + NDÁ
- He˜
Ë m0
¯
Anwendung des Ampèreschen Theorems
v v
Ú Bd l = m I
(19.6)
0 total
(19.12)
Division durch m0 / B und m re := B / m0 Ha (effektive
relative Permeabilität) liefert
auf die unterbrochene Linie in Abb. 19.2. links ergibt für
nicht-magnetisches Material
B = m0 nI
(19.7)
n: Zahl der Windungen / Einheitslänge
Bei Verwendung magnetischer Materialien gilt wegen der
Ampèreschen Ströme
B = m0 nI + m0 I a
(19.8)
(
)
und unter der Annahme, daß die Magnetisierung
proporv
v
tional dem magnetischen Feld ist M = c m H :
v
w
v
v
v
B = m0 H + cm H = m0mr H = mH
(
)
Magnetische Materialien in Wechselfeldern
Anwendung der magnetischen Materialien in Tranformatoren oder Wechselwirkung mit elektromagnetischen
Wellen in Mikrowellenherden.
Beschreibung durch komplexe Permeabilität
m* = m' - jm' ' j = -1 bzw. komplexe relative Per-
(
*
(19.9)
(
(19.13)
)
'
''
meabilität m r = m r - jm r .
Wegen I a dlA = MdlD (Abb. 19.2., rechts) folgt
v
v v
B = m0 H + M
Ê
1
1
1ˆ
=
+ N D Á1+ ˜
m re mr
m
Ë
r¯
)
(19.10)
Betrachtung des Toroids Abb. 19.2. mit sinusförmigem
Strom
I = I0 ejwt
(19.14)
Für die Spannung gilt (o. Abl.):
U = jAln2 wIm' + A ln2 wIm''
(19.15)
m: Permeabilität, m r = 1 + cm: relative Permeabilitätskonstante.
Einfluß der Gestalt, z. B. von Luftspalten:
Erniedrigung des effektiven Feldes
v
v
v
H e = Ha - N D M
(19.11)
v
H a : angelegtes magnetisches Feld, ND: Demagnetisierungsfaktor.
Abb. 19.4. Phasendiagramm, das die Komponenten der
Spannung U im Gleichtakt und außerhalb des Gleichtakts mit
dem Antriebsstrom I zeigt.
Keramische Werkstoffe
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-1
Da m'' << m' ist d m = tan
m''
klein.
m'
D. h. die Spannung läuft dem Strom um nahezu 90°
voraus.
Mittlere Ladung P , die über einen Zyklus der Periode t
abgegebeb wird:
t
P=
1
IU i dt = 12 I20 An 2lwm'' = 12 I 20 n2wm' tan dm
t0
Ú
(19.16)
Ui: Spannungskomponente in Phase.
m' tan d m ist eine Materialkonstante, die der erzeugten
Wärme / Einheitsvolumen eines magnetischen Körpers
im Wechselfeld proportional ist.
m' und d m sind stark feldabhängig.
Klassifizierung magnetischer Materialien
Klassifizierung nach den magnetischen Suszeptibilitäten
cm.
Diamagnetische Materialien (meiste Materialien).
Sehr kleine negative Suszeptibilitäten (c - 10-6). Beispiel:
Inertgase, H2, viele Metalle, die meisten Nichtmetalle,
viele organische Verbindungen.
Die Elektronenbewegungen erzeugen ein Nettomagnetisches Feld 0. Anwendung eines magnetischen
Feldes: die Elektronenbewegungen werden modifiziert
und eine geringe Netto-Magnetisierung ist umgekehrt
zum angelegten Feld induziert.
Paramagnetische Materialien.
Atome haben ein permanentes magnetisches Dipolmoment, das durch Spin- und Orbitalbewegungen der Elektronen erzeugt wird. Angelegtes magnetisches Feld Æ
Orientierung der magnetischen Momente.
Das resultierende magnetische Moment zeigt in die
gleiche Richtung wie das angelegte Feld. cm > 0, aber
klein (ª +10-3 ... + 10-6).
Viele paramagnetische Materialien gehorchen dem Curieschen Gesetz
c µ
m
1
T
(19.17)
(der ordnende Effekt des angelegten Feldes ist dem
unordnenden Edffekt der thermischen Energie entgegengesetzt).
Beispiele: Verbindungen mit Übergangsmetallen oder
Seltenen Erden, Ferromagnetika und Ferrite oberhalb der
Curie-Temperatur.
Ferromagnetische Materialien.
Spontane Magnetisierung unterhalb der Curie-Temperatur.
Ohne äußeres Magnetfeld: Bildung von Domänen mit
eigener Magnetisierungsrichtung, so daß sich die Magnetisierung aufhebt.
Mit äußerem Magnetfeld: Domänen, deren Magnetisierung näher parallel zum Feld sind, wachsen zu Lasten
der näher antiparallel magnetisierten.
Die spontane Magnetisierung kann mehrere Größenordnungen größer als das angelegte Feld sein. Daher
haben ferromagnetische Materialien sehr hohe Permeabilitäten.
Abschalten des angelegten Feldes: Teile der induzierten Domänenausrichtung bleiben erhalten. Das Material ist jetzt ein Magnet.
Die spontane Magnetiesierung ist ein relativ seltenes Phänomen und auf die Elemente Fe, Co, Ni und
einige Legierungen beschränkt. Einige ferromagnetische
Oxide (CrO2) werden in Tonbändern verwendet.
Die spontane Magnetisierung beruht auf der Ausrichtung
unkompensierter Elektronenspins durch starke quantenmechanische Austauschkräfte.
Antiferromagnetische Materialien.
Die unkompensierten Elektronenspins benachbarter Kationen orientieren sich unterhalb der Néel-Temperatur in
der Weise, daß sich ihre Magnetisierungen gegenseitig
neutralisieren und die gesamte Magnetisierung ist 0.
Beispiel: Mn, Cr, viele Übergangsmetalloxide. Niedrige
cm (ª 10-3).
Bei der Néel-Temperatur bricht die antiferromagnetische Kopplung zusammen, und die Materialien werden
paramagnetisch.
Ferrimagnetische Materialien.
Antiferromagnetische Kopplung besteht zwischen Kationen auf kristallographisch unterschiedlichen Plätzen; die
Magnetisierung eines Untergitters ist antiparallel zu dem
eines anderen Untergitters.
Da beide Magnetisierungen von ungleicher Stärke
sind, existiert eine Netto-spontane Magnetisierung.
Mit steigender Temperatur (ab OK) nimmt die Magnetisierung ab, erreicht am Néel-Punkt 0.
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Keramische Werkstoffe
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Paramagnetischer Effekt, Spontane Polarisierung
bei: N Atome / Einheitsvolumen; magnetisches Dipolmoment soll vom Spin eines Elektrons herrühren Æ
Magnetisches Moment in Richtung des angelegten Magnetfeldes: ± 1 m B; einige sind parallel und einige
antiparallel zum Feld ausgerichtet Æ Energieunterschied
zwischen den beiden Zuständen: 2 mBB
Temperaturabhängigkeit der relativen Besetzung nach der
Boltzmann-Statistik:
nØ
Ê zm B ˆ
= exp Á - B ˜
Ë kT ¯
n↑
(19.18)
= tanhx
Mit N = n↑ + nØ folgt für die induzierte Magnetisierung
M = (n↑ - nØ) mB:
Ê m Bˆ
M = NmB tanh Á B ˜
Ë kT ¯
Abb. 19.5. Graphen, die die Möglichkeit spontaner Magnetisierung unter einer kritischen Temperatur qc darstellen.
mit
x=
(19.19)
(19.25)
mBm 0 wM
kT
(19.26)
Mit Gleichung (19.25) folgt
Für mB B << kT gilt näherungsweise
Nm2BB
Mª
kT
(19.20)
M
kT
T
=
x=
x
Ms m2B m0 wN
qc
(19.27)
qc: Curie-Temperatur
oder
Nm2Bm0 C
cm =
=
kT
T
(19.21)
d. h. das Curiesche Gesetz.
Weiß 1907: Das magnetische Feld Hi, das im Innern eines
Festkörpers von einem individuellen Dipol gesehen wird,
ist das makroskopische innere Fel d H, das durch
benachbarte Dipole modifiziert wird:
H i = H + wM
(19.22)
w: molekulare Feldkonstante. Aus Gleichung (19.19)
folgt
Ï mBm 0
( H + wM ) ¸˝
M = NmB tanhÌ
Ó kT
˛
(19.23)
Bei spontaner Polarisation M ≠ =, wenn H = 0. Aus
Gleichung (19.23) folgt für H = 0 mit NmB : = Ms (Sättigungsmagnetisierung):
M
Ê m m wM ˆ˜
= tanh Á B 0
Ë
Ms
kT ¯
Abbildung 19.5.: Darstellung von Gleichungen (19.25)
und (19.27): Möglichkeit der spontanen Polarisation
unterhalb einer kritischen Temperatur qc.
Sowohl Gleichung (19.25) als auch Gleichung (19.27)
müssen gleichzeitig erfüllt sein.
Für T > qc existiert kein Schnittpunkt und keine spontane
Polarisation ist möglich.
Für T < qc ist spontane Polarisation möglich.
Magnetokristalline Anisotropie.
Der Spin eines Elektrons kann durch ein unendlich
kleines Feld ausgerichtet werden. Das impliziert eine
unendlich hohe Permeabilität.
Endliche Permeabilitäten resultieren aus der Kopplung zwischen den Spins und dem Kristallgitter aufgrund
der Orbitalbewegung des Elektrons (Spin-Orbit-GitterKopplung). Sie führt zur Orientierung der Spins relativ
zum Kristallgitter in einer Richtung minimaler Energie.
Ausrichtung in anderen Richtungen führt zu einer
Erhöhung der Energie (Anisotropie-Energie EK):
e K = K1 (a12 a22 + a 22a 23 + a 23 a12 ) + K2 a12 a22 a 23 +L
(19.24)
(19.28)
ai: cos (Magnetisierungs-Vektor, kristallographische
Achse)
Keramische Werkstoffe
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Tab. 19.1. Raumtemperatur-Anisotropie-Konstanten einiger
wichtiger Ferrite.
Tab. 19.2. Sättigungskonstanten der Magnetostriktion für einige
polykristalline Ferrite.
Abb. 19.7. Idealisierte magnetische Figuren-Konfigurationen:
(a) antiparallele Figuren; (b) Flußmengen-Figur
Oft kann K2 in der Reihenentwicklung vernachlässigt
werden (Tab. 19.1.).
Magnetostriktion.
Spin-Orbital-Gitter-Kopplung Æ Änderungen in den
Spin-Richtungen führen zu Änderungen in der
Orientierung der Orbitale, die wegen der Behinderung
durch das Gitter den Effekt leichter Änderungen der
Gitterdimensionen haben (Magnetostriktion). Dieser
Effekt wird durch die Magnetostriktionskonstante l m
beschrieben = Verformung durch ein gesättigtes Feld.
(+, wenn die Dimension in Feldrichtung ansteigt.)
Abb. 19.8. Magnetische B-H Hysterese-Schleife
Weißsche Domänen
s. Abb. 19.6. - 19.9.
Abb. 19.6. Die Änderung in der Spin-Orientierung über die
Breite einer Bloch-Mauer.
Abb. 19.9. Hysterese-Schleifen die den Unterschied zwischen
magnetischen „weichen“ und „harten“ Materialien darstellen.
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Keramische Werkstoffe
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Ferrite
besetzen (inverser Spinell, Abb. 19.11. unten).
Spinel-Ferrite; z. B. NiOFe2O3
Frühestes bekanntes, natürlich vorkommendes magnetisches Material: Fe3O4 (Magnetit) = FeOFe2O3
Viele andere Zusammensetzungen der allgemeinen
2+
2+
2+
2+
Formel MeOFe2O3 mit Me = M 2+
n , Fe , Co , Ni , Cu
oder Zn2+ (oder Kombinationen davon) sind möglich.
Betrachtung der magnetischen Spin-Momente der verschiedenen Kationen.
Für NiOFe2O3 sind die resultierenden Spinquantenzahlen
für Ni2+ = 1 und für Fe3+ Æ magnetische Momente: 2 mB
bzw. 5 mB.
Alle magnetischen Momente von A sind antiparallel zu
dnen von B Æ es resultieren 16 m B als magnetisches
Moment pro Einheitszelle (8 Ni2+-Ionen).
Spinell-Struktur: 0 bildet ein dicht gepacktes Gitter, din
dem 2 Zwischenräume (tetraedrisch, oktaedrisch)
existieren.
8 Formeleinheiten / Einheitszelle mit 64 Tetraeder (A)und 32 Oktaeder (B)-plätzen.
8 A-Plätze und 16 B-Plätze sind besetzt.Abb. 19.10.: Die
Pfeile geben die Richtungen der magnetischen Momente
an. Die B-Ionen haben ihre magnetischen Momente antiparallel zu denen der A-Ionen (antiferromagnetische
Kopplung).
Darstellung der Besetzung der Plätze in Spinellen: Abb.
19.11.
Im Falle des Mineral-Spinells (MgOAl2O3) besetzt Mg
die A-Plätze und Al die B-Plätze (normale Spinellstruktur)
In NiFe2O4 besetzen die Ni2+-Ionen die B-Plätze
zusammen mit der gleichen Zahl von zufällig verteilten
Fe3+-Ionen, während die restlichen Fe3+-Ionen A-Plätze
Sättigungs-Magnetisierung:
Ms =
16m B
ª 2,5x105 Am -1
Einheitszellvolumen
Die Zugabe eines nichtmagnetischen Stoffs wie Zn zu
einem Spinell-Ferrit führt zu einer Erhöhung der
Sättigungs-Magnetisierung:
ZnFeO4 ist ein normaler Spinell mit der Präferenz von Zn
auf A-Plätzen. Durch Substitution von Ni durch Zn
entsteht
2+
( Fe3+1-d Zn 2+d )( Fe3+1+ d Ni1-d
)O 4
Die antiparallele Kopplung zwischen den magnetischen
Momenten von A und B ist reduziert, da die Besetzung
von A-Plätzen durch magnetische Ionen reduziert ist.
Folglich ist der Curie-Punkt erniedrigt. Es ist jedoch der
Überschuß der magnetischen Momente der Ionen auf
Oktaederplätzen gegenüber den auf Tetraederplätzen
angestiegen, und damit steigt die Magnetisierung (siehe
Abb. 19.12. bis d = 0,4). Der spätere Abfall beruht auf
der reduzierten Kopplung zwischen den A- und BPlätzen. Der Wert wird 0 mit d = 1.
Die Spinell-Ferrite haben geringe magnetische Anisotropien und sind magnetisch weich.
Abb. 19.10. Die Einheitszelle eines magnetischen inversen
Spinells.
Abb. 19.11. Diagrammartige Darstellung von Seitenbesetzung
in (a) normalen und (b) inversen Spinellen.
Abb. 19.12. Sättigungs-Magnetisierung per „Formel-Einheit“
3+
2+
3+
2+
Fe1+
für die Ferrite Fe1dZ nd
dN i1-d O 4 als Funktion von d.
(
)(
)
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Hexaferrite
Bariumhexaferrit (BaFe12O19) ist Modellsubstanz einer
Klasse wichtiger hexagonaler Ferrite. Die Kristallstruktur
ist der der Spinelle verwandt, aber sehr viel komplexer.
Die Ba2+ und O2--Ionen bilden zusammen eine dichtgepackte Struktur; einige Schichten sind kubisch dichtgepackt und andere hexagonal dichtgepackt.
Von den 12 Fe3+-Ionen sind 9 auf Oktaederplätzen, 2
auf Tetraederplätzen und 1 auf einem fünffach koordinierten Platz. 7 der Ionen auf Oktaederplätzen und das
eine auf dem fünffach koordinierten Platz haben ihren
Spin in einer Richtung,; die übrigen sind entgegengesetzt
gerichtet Æ Überschuß von 4 Ionen mit Spin in einer
Richtung. Da jedes Fe3+-Ion 5 Elektronen mit parallelem
Spin aufweist, existieren 20 ungepaarte Spins je Formeleinheit. Das führt zu einer Sättigungsmagnetisierung von
20 mB pro Einheitszelle.
BaFe12O19 weist eine extrem hohe magnetische
Anisotropie auf (siehe Tab. 19.1.), mit der „leichten“
Richtung entlang der c-Achse.
es zwischen den Ionen der ersten Übergangsreihe erwartet wird.
Schreibweise der Granate nach Besetzung der Gitterplätze
{R3 }c[ Fe2 ]a (Fe 3 )d O1 2
{ }c :
[ ]a :
( )d :
12-fach koordinierter Platz
Oktaederplatz
Tetraederplatz
Es existiert eine starke Kopplung durch antiparallele
Spins zwischen den Ionen auf den a- und d-Plätzen. Der
Nettobeitrag / Formeleinheit ist 5mB.
Die SE-Ionen auf den c-Plätzen haben ihre ungepaarten Spins antiparallel mit denen der Fe-Ionen auf den dPlätzen gekoppelt und tragen daher mit -3m R bei, wobei
mR das magnetische Moment des R-Ios im Vielfachen des
Bohrschen Magnetrons darstellt. Die gesamte Magnetisierung beträgt daher pro Formeleinheit
M = 5 - 3mR
Granate
Granate sind eine Reihe isostruktureller Minerale mit der
Zusammensetzung
3R' O⋅ R '2' O3 ⋅3SiO2 .
Beispiel: 3CaO ⋅Al 2O 3 ⋅ 3SiO2 , 3CaO ⋅Fe 2O 3 ⋅ 3SiO2 ,
3MnO⋅ Al 2O 3 ⋅ 3SiO2 .
Y 3 Fe5 O1 2 (Yttrium-Eisen-Granat, YIG) ist das bekannteste Beispiel einer Klasse ferrimagnetischer Granate, die
als Mikrowellenmaterial von Bedeutung ist. die kubische
Einheitszelle enthält 8 Formeleinheiten (a ª 1200 pm)
Y kann vollständig oder teilweise durch die Lanthanide (La, Ce, Nd, Gd etc.) ersetzt werden. Die Struktur
enthält daher 2 Arten magnetischer Ionen (Fe und SE).
In den Lanthaniden sind die ungepaarten 4f-Elektronen durch die 5s5p-Elektronen abgeschirmt. als Konsequenz der geringeren Orbital-Gitter-Kopplung existiert
daher ein Beitrag der Orbitale zusätzlich zu dem der
ungepaarten Spins. Die Lanthaniden tragen daher stärker
zur Magnetisierung bei als es nach den Regeln, die für
die Elemente der ersten Übergangsreihe gelten, erwartet
wird.
Als weitere Folge der Abschirmung ist die Kopplung
der Lanthaniden-Ionen mit anderen Ionen schwächer als
mR > 7 für Gd, Tb, Dy; m R ª 3,5 für Tm; mR ª 2,7 für Yb;
mR ª 0 für Lu und Y.
Für m R >
5
3
ist M negativ; M ist bei OK vom Beitrag der
SE-Ionen dominiert. Für höhere Temperaturen nimmt
dieser Beitrag der SE-Ionen wegen der schwachen Kopplung zwischen dem Fe auf d-Plätzen und dem R auf cPlätzen ab. Die Magnetisierung fällt auf 0 und steigt dann
wieder.
0-Magnetisierung: = Kompensationspunkt
Da bei hohen Temperaturen die Magnetisierung
Abb. 19.13. Abhängigkeit der Sättigungs-Magnetisierung von
der Temperatur für unterschiedliche Granate.
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Keramische Werkstoffe
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Abb. 19.14. Abhängigkeit der Sättigungs-Magnetisierung von
der Temperatur für Y3(1-x)Gd3xFe5O12 für verschiedene x-Werte.
hauptsächlich von der
( Fe3+ )d - [ Fe3+ ]a -Kopplung
abhängt, zeigen alle SE-Granat-Ferrite ohne Substitution
für Fe etwa den gleichen Curie-Punkt.
Abhängigkeit der Sättigungs-Magnetisierung: Abb.
19.13.
Durch das Auftreten des Kompensationspunkts kann
die Magnetisierung nahezu - innerhalb eines gewissen
Temperaturbereichs - temperaturunabhängig gemacht
werden: Abb. 19.14. für Y3(1-x)Gd3xFe5O12 mit verschiedenen x-Werten als Parameter.
Sintern der Granate in Luft möglich, da nur Fe3+
vorliegt.
Eigenschaften wie die Gitterdimensionen, Temperaturkoeffizient der Magnetisierung, Expansion und magnetische Anisotropie können durch Anpassung der
Zusammensetzung eingestellt werden.
Granate können als Einkristalle und epitaktische
einkristalline dünne Schichten hergestellt werden. Sie
sind die Basis für magnetische Bubble-Memories.
Eigenschaften, die das magnetische Verhalten beeinflussen - Weichferrite
Beispiele: Abb. 19.15.
Die wesentlichen Materialeigenschaften werden im Hinblick auf die
Beeinflussung durch Zusammensetzung und Mikrostruktur diskutiert.
Abb. 19.15. Eine Auswahl von Weichferrit-Gegenständen: (a) gewundenes TV
Ablenkjoch und ungewundenes Joch; (b) Ferrit-Kerntransformatoren; (c) Transformatorenkerne; (d) Gefäßkerne
Ursprüngliche Permeabilität
(mri)
Hohe Permeabilität wird durch
Kontrolle der Zusammensetzung und
der Mikrostruktur in komplexer Weise
durch hohe Sättigungsmagnetisierung,
niedrige magnetische Anisotropie und
niedrige Magnetostriktion erreicht.
Da die magnetische Anisotropie
sehr schnell am Curie-Punkt mit der
Abnahme der Sättigungsmagnetisierung abnimmt, ergibt sich als Ergebnis
der beiden Einflüsse ein Peak in der
Permeabilität gerade unterhalb der
Curie-Temperatur.
Abb. 9.16. zeigt die Abhängigkeit
von m ri von der Temperatur für MnZnund NiZn-Ferrite für verschiedene ZnGehalte. Sie stimmt mit der Änderung
der Curie-Temperatur und dem ZnGehalt überein.
In NiZn-Ferriten kann durch
Substitution geringer Mengen von Co
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Abb. 19.16. DieWirkung von Temperatur auf die relative Ausgangsdurchlässigkeit mri für verschiedene d Werte in (a) Mn1dZndFe2O4 und (b) Ni1-d ZndFe2O4.
für Ni die Anisotropie erniedrigt werden, da Co-Ferrite
ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.
Die Magnetostriktion kann durch die Sinteratmosphäre reduziert werden, indem eine geringe Menge Fe2+
gebildet wird (Die Magnetostriktionskonstante hat für
Fe3O4 ein umgekehrtes Vorzeichen im Vergleich zu den
meisten anderen Ferriten; siehe Tab. 19.2.)
Wesentlicher Beitrag zu m ri von der Bewegung der
Bloch-Wände. Daher hat die Mikrostruktur einen wesentlichen Einfluß. In hohem Maße beweglicher Domänenwände dürfen nicht von Mikrostrukturdefekten „gepinnt“
sein. Es werden daher für hohe Permeabilitäten große
deflektierte Körner mit niedriger magnetischer Anisotropie verlangt.
Abb. 19.18. Abhängigkeit der relativen Anfangspermeabilität
von der Korngröße.
Abb. 19.19. Abhängigkeit der relativen Anfangspermeabilität
von der Porosität: Kurve A, Ni0.5Zn0.5Fe2O4; Kurve B, NiFe2O4.
Abb. 19.18. und 19.19. zeigen die Abhängigkeit von
der Konrgröße und der Porosität.
ii) Verlustfaktor (tan d)/mri
Der Verlustfaktor wird meist
durch seine 3 Hauptbeiträge
ausgedrückt:
tan d tan dh tand e tan dr
=
+
+
mri
mri
m ri
m ri
(19.28)
h: Hysteres, e: Wirbelstrom, r:
Rest (z. B. ferrimagnetische
Resonanz, Domänenwand-Resonanz).
Abb. 19.17. Mikrostruktur der hohen Permeabilität von Mn-Zn Ferriten mit unterschiedlichen
Korngrößen: (a) mri = 6500; (b) mri = 10000; (c) mri = 16000; (d) mri = 21500
Bei niedrigen Strömen und
hohen Frequenzen kann tan dr
dominieren. Bei hohen Amplituden (> 10 mT), n = 15...100
kHz wird die Verlustleistung
90
Keramische Werkstoffe
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Abb. 19.21. Abhängigkeit des spezifischen Widerstands der
Ferrite Ni0.3Zn0.7Fe2+dO4-x vom Eisengehalt.
Abb. 19.20. Temperaturabhängigkeit vom spezifischen Widerstand für NiZn und MnZn Ferrite.
hauptsächlich durch Hysterese verursacht.
iii) Spezifischer elektrischer Widerstand
Der elektrische Widerstand eines Ferritkerns bestimmt
die Wirbelstromverluste.
Typische RT-Widerstände von Ferriten: 10 - 108 W .
(Vergleich ferromagnetische Legierungen: 10-4 W cm)
Abb. 19.20.: Widerstand versus Temperatur fpr MnZn
und NiZn-Ferrite.
Leitfähigkeitsmechanismus: vermutlich durch Hopping zwischen Ionen derselben Art auf äquivalenten
Gitterplätzen, z. b. Fe3+ ´ Fe2+, Mn3+ ´ Mn2+, Ni3+ ´
Ni2+.
In der idealen inversen Spinellstruktur (NiFe2O4,
MnFe2O4) gibt es keine Möglichkeit für Hopping. Jeder
reale Kristall zeigt jedoch gleiche Ionen unterschiedlicher
Oxidationszustände auf äquivalenten Plätzen (beispielsweise durch Sintern unter etwas reduzierenden Bedingungen).
Beispiel der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit
von der Zusammensetzung, den Sinterbedingungen und
der Mikrostruktur: Abb. 19.21, Ni0.3Zn0.7Fe2+dO4-x mit
Variation von d.
d = 0: gesamtes Eisen ist Fe3+, deshalb kein Hopping;
d > 0: Bildung von Fe2+ (Fe2+ ´ Fe3+-Hopping); d < 0:
Bildung von Ni3+, wobei der Prozeß Ni2+ Æ Ni3+, daher
(teilweise) Bildung von Sauerstoffleerstellen. Daher
ergibt sich ein sehr hoher Anstieg des Widerstands.
Abb. 19.22. Abhängigkeit des spezifischen Widerstands der
Ferrite NiFe1.9CodO4 auf den Kobaltgehalt.
Abb. 19.23. Schematisches Diagramm von Ferriten mit halbleitenden Körnern umgeben von isolierenden Korngrenzen.
Erhöhung des Widerstandes von Ni-Ferrit durch Einbau
von Co: Abb. 19.22.
Das Co wird eher reduziert (Co3+ Æ Co2+) als Fe. Das
Fe3+ bleibt also in diesem Oxidationszustand. (Co3+ ´
Co2+ hat nur einen geringen Einfluß wegen der großen
Distanz)
Beispiel der Bedeutung der Abkühlrate nach dem
Sintern: Ni0.4Zn0.6Fe2O4 zeigt nach dem Sintern in Luft
bei 1300 °C nach dem Abschrecken einen spezifischen
Widerstand von 103 W cm. Nach langsamem Abkühlen
zeigt sich ein Wert von 105 W cm. Bei hohen Tempera-
Keramische Werkstoffe
91
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Abb. 19.26. Durchkreuzung einer BlochWand durch eine Pore.
Abb. 19.24. Einfluß von SiO2 und CaO Verbindungen mit den
Fen0.68Zn0.2Fe2O4 auf den spezifischen Widerstand (Wm).
turen ist Fe2+ begünstigt, das nur durch langsames
Abkühlen zu Fe3+ oxidiert werden kann. Ebenso kann die
Mikrostruktur eine Rolle spielen. Bei der Abkühlung
können die Korngrenzen bevorzugt oxidiert werden und
eine Region hohen Widerstands bilden (Abb. 19.23.).
Weitere Möglichkeit: Zugabe geringer Mengen von
CaO oder SiO2 (Abb. 19.24) Æ Segregation mit isolierender Region an der Korngrenze.
iv) Permittivität (er).
MnZn-Ferrite:
Bei n = 1 Ghz ist er ª 10; bei n = 1 kHz ist er = 104...106.
Ursache: relativ isolierende Korngrenzen (vgl. iii)).
v) Resonanzeffekte.
Die magnetokristalline Anisotropie von NiZn-Ferriten ist
größer als von MnZn-Ferriten (Tab. 19.1.). Resonanz tritt
auf, wenn die Frequenz des angelegten Feldes mit der
natürlichen Präzessionsfrequenz, d. h. der Larmorfrequenz, übereinstimmt. Æ Permeabilität nimmt ab und
Verluste nehmen zu (siehe Abb. 19.25 für NiZn-Ferrite).
Der Einsatz dieser “ferrimagnetischen Resonanz“
beschränkt die Anwendung von MnZn-Ferriten auf n < 2
Mhz. Bei höheren Frequenzen (bis ª 200 Mhz) sind
Zusammensetzungen des magnetokristallinen anisotropen
NiZn-Ferrits zu verwenden.
Ein anderes Resonanzphänomen hängt mit der Domänenwand-Bewegung zusammen. Es tritt bei ª 1/10 der
ferrimagnetischen Resonanzfrequenz auf.
Am Anfang der jungfräulichen
Magnetisierungskurve tritt eine reversible
Bewegung der Bloch-Wände auf. Bei
höheren Feldern werden die Bewegungen
irreversibel. Betrachtung des Zusammentreffens der Wand mit einer 2. Phase, z.
B. einer Pore (Abb. 19.26.). Die Pore besitzt
eine hohe magnetische Energie aufgrund der
freien Pole an ihrer Oberfläche. Diese
Energie kann beim Zusammentreffen mit
einer Pore reduziert werden.
Es besteht daher eine Tendenz für Wände,
so viele Poren zu treffen wie möglich. Die
Wände sind an die Poren (oder Einschlüsse)
„gepinnt“. Ein gewisses Schwellenfeld muß
angelegt werden, um sie zu lösen.
Kleine Felder Æ leichte Verschiebung
aus dem Energieminimum; beim Abschalten
des Feldes reversible Rückkehr.
Hohe Felder Æ Verschiebung über die
Potentialbarriere in ein neues, entferntes
Minimum; irreversible Verschiebung.
Abb. 19.25. Magnetische Eigenschaften der polykristallinen Ni1-dZndFe2O4 als
Funktionen von d und Frequenz: Kurve A, d = 0; Kurve B, d = 0.2; Kurve c. d
= 0.36; Kurve D, d = 0.5; Kurve E, d = 0.64; Kurve F, d = 0.7;
92
Keramische Werkstoffe
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Hartferrite
Permanent magnetische Werkstoffe unterscheiden sich
von den weichmagnetischen durch ihre hohe Koerzivität
Hc, typischerweise > 150 kAm-1.
i) Remanenz Br.
Remanenz ist teilweise durch die Sättigungsmagnetisierung Ms und teilweise durch das Ausmaß der Disorientierung des Magnetisierungsvektors durch die Domänenentwicklung nach Entfernen des Sättigungsfeldes gegeben.
Da der Magnetismus in Hexaferriten au der ferrimagnetischen Kopplung beruht und ein großer Teil der Ionen
(Ba, Sr, O) nichtmagnetisch ist, ist ihre Sättigungsmagnetisierung niedrig im Vergleich zu metallischen Magneten.
Hexaferrite haben hohe uniaxiale Anistotropien; die
Remanenz kann deshalb durch eine Mikrostruktur mit der
Orientierung der Kristallite in c-Richtung („leichte“
Richtung) verbessert werden.
Polykristalle haben wegen der willkürlichen Orientierung der Kristallite geringere Remanenz als Einkristalle.
ii) Koerzitivität Hc
Die hohe Koerzitivität der Hexaferrite beruht primär auf
ihren hohen magnetokristallinen Anisotropien, die zu
Anisotropiefeldern von ª 1400 kA/m führt. Die praktisch
erzielbaren Koerzitivfelder sind nur ein Bruchteil dieses
Betrages, da kleinere Felder die Bewegung von Blochwänden verursachen kann.
Es wurde beobachtet, daß das Koerzitivfeld ein Maximum aufweist, wenn die mittlere Korngröße ª 1 mm ist
(Abb. 19.27). Bei kleineren Teilchengrößen wird der
Gehalt an Domänenwänden reduziert, da deren Existenz
Abb. 19.28. Demagnetisierungs- und Energieproduktkurven.
energetisch unvorteilhaft wird.
iii) Maximalenergieprodukt (BH)max
Wir betrachten einen Permanentmagneten, der zum
Aufbau eines magnetischen Feldes zwischen seinen Polen
dienen soll.
Ampèresches Theorem:
( Bg H g ) V g = - ( BmH m ) Vm
(19.29)
Bg, Bm, Hg, Hm: Flüsse und Felder in dem Luftgap und
dem magnetischen Material; Vg, Vm: Gap- und Materialvolumina.
Typische Demagnetisierungskurven: Abb. 19.28 (mit der
Energie-Produkt-Kurve). Die horizontale Linie durch
(BH)max schneidet bei P die Demagnetisierungskurve, um
den optimalen Arbeitspunkt zu definieren.
Bei Remanenz ist Br = m 0 Mr (Mr: remanente Magnetisierung). Dann ist das Demagnetisierungsfeld gegeben
durch
H D = -N DM r = -
ND Br
m0
(19.30)
Es ist notwendig, daß HD nicht eine bestimmte Feldstärke
Hi überschreitet, da sonst die remanente Magnetisierung
permanent reduziert wird.
HD < Hi
(19.31)
d. h.
N DB r
m H
< Hi oder N D < 0 i
m0
Br
Abb. 19.27. Die Abhängigkeit der Koerzitivität von der
Teilchengröße von einem Barium-Hexaferrit-Pulver.
(19.32)
Keramische Werkstoffe
93
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Tab. 19.3. Mikrowellenband Bezeichnungen
Das bedeutet, daß geometrische Formen mit hohen Demagnetisierungsfaktoren nicht ihre remanente Magnetisierung beibehalten.
In grober Näherung kann für Hi der
Wert von Hc eingesetzt werden. Die
Größe von m 0Hc/Br ist für permanente
magnetische Materialien nahe 1 Æ
Verwendung von Formen mir hohen
Demagnetisierungsfaktoren
(beispielsweise großen dünnen Scheiben).
Keramische Scheiben sind besonders effizient, wenn ihr Dicken-/
Durchmesserverhältnis 1:2 ist, da sie
dann nahe dem Punkt P in Abb. 19.28
liegen.
Ni-Al-Co-Magnete haben dagegen
m0Hc/Br-Verhältnisse von ª 0.1, so daß
sie in der Form von Würfeln (ND ª
0.3) beispielsweise die remanente
Magnetisierung nicht beibehalten.
Metallische Magnete sind besonders
in der Form von Stäben mit Längen-/
Durchmesser-Verhältnissen von ª 5
effizient.
Mikrowellen-Ferrite
Typischer Frequenzbereich: 1 Ghz 300 Ghz (l = 30 cm - 1 mm).
Die Mikrowellenfrequenzbänder sind
mit Codes belegt: Tab. 19.3.
Neuerdings gewinnt die Triservice-Klassifizierung an
Akzeptanz.
Mikrowellen können entlang Wellenleisten ausgebreitet
werden, die einfach ein Metallrohr sind. Durch das Einführen von Materialien in die Wellenleiter kann die
Ausbreitungscharakteristik geändert werden. Daraus entstanden Isolatoren, Gyratoren, Phasenverschieber, Zirkulatoren etc.
Eine wichtige Rolle spielen einige Ferrite, hauptsächlich solche mit hohem elektrischen Widerstand gekoppelt
mit geringen magnetischen Verlusten. Mikrowellen
können durch Ferrite eine beträchtliche Distanz zurücklegen und werden dabei in einer vorgegebenen Weise
durch die Wechselwirkung zwischen den magnetischen
und elektrischen Feldkomponenten der Welle und den
magnetischen und dielektrischen Eigenschaften des
Materials modifiziert. (Wenn elektromagnetische Wellen
durch ein Dielektrikum hindurchgehen, ist nur die
Wechselwirkung zuwischen der elektrischen Feldkomponente und dem Material von Bedeutung.)
Wenn H auf ein Elektron mit Spin einwirkt, ist der
Drehimpulsvektor gegenüber der Feldrichtung in einem
Winkel geneigt. Da mit dem Drehimpuls ein magnetisches Moment verbunden ist, erfährt das Elektron eine
Präzession um die Feldrichtung mit der Larmorfrequenz
w L = gm 0H
(19.33)
Im Falle ferro- und ferrimagnetischer Materialien sind die
Spins stark innerhalb des Gebiets einer Domäne gekoppelt. Wenn ein hinreichend starkes Magnetfeld angelegt
94
Keramische Werkstoffe
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Abb. 19.29. Präzessionsbewegung der Magnetisierung: (a) M2,
das sich mit H als Präzessionsenergie in eine Gerade schraubt,
wird zerstreut; (b) Präzession wird durch ein angelegtes
Radiofrequenzfeld aufrechterhalten.
wird, verschwindet die Domänenstruktur und das Material besitzt einen Magentisierungsvektor Ms, der mit der
Larmorfrequenz um H präzessiert. Wegen der SpinOrbit-Gitterkopplung wird die Präzessionsenergie stetig
dissipiert, und Ms richtet sich langsam in H-Richtung aus
(Abb. 19.25.a).
Notwendige Zeit für den Energieübertrag: Relaxationszeit t.
Die Präzessionsbewegung kann durch ein geeignetes
Radiofrequenzfeld, das dem stationären Feld überlager
ist, aufrechterhalten werden.
Abb. 19.25.b: Hrf liegt in x-y-Ebene an und rotiert in
der gleichen Richtung mit der gleichen Frequenz wie die
Präzession („Gyromagnetische Resonanz“).
In der Praxis wird das stationäre Feld, das die
Larmor-Frequenz bestimmt, von dem extrem angelegten
Feld, dem Demagnetisierungsfeld und dem Anisotropiefeld aufgebaut: ≡ effektives Feld He. Abb. 19.30 zeigt He,
bei dem in einigen wichtigen Kommunikations- und
Radarfrequenzbändern Resonanz eintritt.
Niedrige Felder, wenn die Ferrite magnetisch ungesättigt sind: breitbandige Verluste („Niedrigfeld-Verluste“). Das Radiofrequenzfeld ist in Resonanz mit der
Magnetisierung in individuellen Domänen, die um das
Anisotropiefeld HA präzessiert. diese Resonanz tritt in
einem Frequenzbereich zwischen m0gHA und m 0g(HA +
Ms) auf. Für Niederfrequenz-Anwendungen sollten daher
HA und Ms so klein wie möglich sein.
Abb. 19.30. Effektive Feldwerte He bei denen in einigen
wichtigen Frequenzbändern Resonanz auftritt.
Abb. 19.31. Abhängigkeit der Permeabilität He für rechts- und
linksdrehend polarisierte Komponenten einer eben polarisierten
Mikrowelle der Frequenz w=gm0H0.
sind, aufgelöst werden. Diese 2 Komponente wechselwirken sehr unterschiedlich mit dem Material, was zu
verschiedenen komplexen relativen Permeabilitäten führt:
*
'
*
*
'
''
m r+ = mr + - jm r + ,mr - = mr - - jm r (Abb. 19.31). Dadurch unterscheiden sich die Phasengeschwindigkeiten der beiden Komponenten. Das Zurückbleiben der negativen (oder linksdrehenden) Komponente führt zu einer Rotation der Polarisationsebene im
Uhrzeigersinn.
Die Drehung relativ zu He hängt nicht von der Ausbreitungsrichtung ab; bei Reflexion erfolgt weitere
Drehung (statt Rückdrehung).
Ohne Ableitung: Drehung q pro Länge L:
q
er
=
m 0 gMs
L
2c
(19.34)
Zum Verständnis wichtiger Mikrowellen-Anwendungen:
Betrachtet wird die Ausbreitung einer in einer Ebene
polarisierten Mikrowelle in einem Ferriten in der Richtung eines Sättigungsfeldes He.
Mit typischen Werten von eR = 10, Ms = 170 kA m-1 folgt
q/L = 10°/mm.
Die Welle kann in 2 Komponenten gleicher Amplituden,
die in entgegengesetzter Richtung zirkular polarisiert
Beiträge zur Resonanzlinienbreite:
i) intrinsische Linienbreite des 1-Kristalls (N 1t )
Keramische Werkstoffe
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ii) polykristalline Materialien: magnetische Anisotropien, mikrostrukturelle Eigenschaften. Jeder Kristallit
erfährt sein eigenes effektives Feld. Wegen der
verschiedenen Orientierungen der Kristallite entsteht
eine Verteilung von Resonanzfrequenzen. Magnetische Inhomogenitäten, (z. b. Einschlüsse oder Poren)
stören ebenfalls das lokale effektive Feld. Æ Porenfreie, einphasige Mikrostruktur ist für eine minimale
Linienbreite notwendig. Es besteht ebenfalls eine
Abhängigkeit vom Oberflächenfinish.
Bei hohen Mikrowellenleistungen werden Spinwellen
angelegt (statt an der bisher diskutierten Präzession). Die
Leistung des radiofrequenten Feldes ist dann in das
Spinwellen-System eingekoppelt, und die Energiedissipation wächst stärker als proportional mit wachsender
Leistung an.
Die Leistungsschwelle Pc, bei der Spinwellen-Resonanz eintritt, wird als Materialparameter DHk, der Spinwellen-Linienbreite, gemessen, die ein Maß für die
Dämpfung der Spinwellen ist.
2 Methoden, um DHk, zu erhöhen (und damit die
Möglichkeit, Leistung zu handhaben):
— Modifizierung der Zusammensetzung, beispielsweise
Substitution von Gd in Y2.9Gd0.1Fe5O12 durch H0 und
Dy. (10fache Erhöhung von DHk)
— Kleine Korngrößen (30 mm Æ 1 mm: 50-fache
Erhöhung von DHk).
D. h. 1-Kristalle sind optimale Mikrowellenmaterialien bei niedrigen Feldern; feinkörnige Materialien
sind
für
hohe
Leistungen
zufriedenstellender.
Fe2O3 und Fe3O4 treten mit > 90% Reinheit in großen
Mengen auf.
Die meisten Übergangselemente sind rein als Metalle
verfügbar, die in Säuren gelöst werden können. eine
Mischung der Nitrate kann eingedampft und calciniert
werden, um Ausgangsoxidmischungen zur Herstellung
der Spinelle und Granate zu bilden.
Alternativ können Mischungen aus Oxiden, Karbonaten
und Oxalaten ausgefällt werden.
Mischen, Calcinieren, Mahlen.
Kugelmühle mit Stahlkugeln (Æ Erhöhung des FeGehalts um 0,5 - 1 w/o).
Calcinierung in einzelnen Chargen oder kontinuierlich in
Rotationsöfen. Verwendung von Luftatmosphäre zur
Bildnung eines hohen Mn3+-Anteils, da ein geringer
Mn3+-Anteil im frühen Stadium des Sinterns (ª 430 °C)
nachteilig ist.
Sintern.
Niedrige P O 2 : N2 (bei 1000 - 1300 °C). Aufrechterhalten
des niedrigen P O 2 bis Abkühlung auf 500 °C.
Einkristalline Ferrite.
Anwendung in Tonköpfen, die hochabriebbeständig sein
müssen.
(MnZn)Fe2O4: Bridgman-Stockbarger-Methode.
Granat-Ferrite (Schmelzen inkongruent): Zucht aus
Lösungen in Mischungen auf der Basis von Bleioxid.
GdGa-Granate (schmelzen kongruent): Czochralski-
Herstellung von Ferriten
Für die meisten Anwendungen geeignet:
(MnZn)- und (NiZn)-Ferrite [(MnZn)
Fe2O4, (NiZn)Fe2O4].
(MnZn)-Ferrite haben die niedrigeren
Materialkosten, haben sonstige günstige
Eigenschaften außer der Eignung bei
hohen Frequenzen, haben aber den
Nachteil des Sinterns unter geeigneten
reduzierenden Bedingungen.
(NiZn)-Ferrite können in der Luft
gesintert werden.
Rohstoffe
Mineralien (mechanische oder chemische
Reinigung).
Abb. 19.32. Orientierung von Teilchen während des Extrudierens.
96
Keramische Werkstoffe
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Verwendet werden nur Ferrite mit der hexagonalen
Magnetoplumbit-Struktur (MO · 6 Fe2O3 , M = Ba, Sr).
Methoden zur Orientierung der „leichten“ Magnetisierungsachsen in gesinterten Keramiken:
Pressen von Mischungen aus Fe2O3 und BaCO3 und
Sintern bei 1300 °C in Luft oder Calcinieren von Fe2O3 +
BaCO3 und analoge Behandlung wie für Weichferrite.
Orientieren durch Herstellen eines Schlickers mit Wasser,
das durch Pressen in einer besonderen Preßform enfernt
wird. Demagnetisierung und statische Felder werden
durch Spulen um die Preßform herum angewandt.
Anisotropie kann auch durch Anlegen eines Feldes
während des Extrudierens erzeugt werden. Verwendung
einer Paste aus Ba-Ferrit-Pulvr und eines viskos-flüssigen
Mediums.
Abb. 19.33. Orientierung von Teilchens beim Kalendern.
Methode.
Magnete mit orientierten Mikrostrukturen.
Wesentlich für Permanentmagnete:
— Hohes Koerzitivfeld,
— hohe remanente Magnetisierung,
— Erhalt dieser Eigenschaften über den Betriebstemperaturbereich.
Ba-Ferrit-Pu.ver wird auch in Gummi oder PolymerMatrizen eingebracht. Das Pulver kann durch Kalendern
hinzugefügt werden (Abb. 19.33), d. h. durch das
Passieren einer Mischung aus Polymer und Ferrit
zwischen Rollen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten rotieren. die starke Scherung verteilt das Pulver
und orientiert die plättchenähnlichen Teilchen.
Anwendungen.
Induktoren und Transformatoren für kleine Signale.
Ersatzschaltkreis: Abb. 19.35.
Uc
1
w L
=
= 0 =Q
U w0 RC
R
Q: Qualitätsfaktor; U: Spannungsabfall über R
Abb. 19.34. Diagramm des Preß-Kreislaufs: M, Gießform; S, S’, Stanzen; P,
Injektionspumpe; F, Suspension; C, Magnetspule. Die Stanzen enthalten Filter und
Drainagetunnel für das Wasser. (i) Bevor und (ii) nachem das Material inden Komprssionszwischenraum eingefüllt wird, wird der Raum von 40% auf 13% Wassergehalt
verdichtet und die Teilchen orientieren sich am magnetischen Feld: (iii) nach Verdichtung
durch leichte Aufwärtsbewegung der unteren Stanze hängt der Grad der Bewegung von
der Dicke des Materials ab; Demagnetisierung; (iv) Entfernen des kompakten Produktes.
Abb. 19.35. Reihen-LCR-Schaltkreis