W 11 - 17 V 2010

Właściwości magnetyczne

Nanomateriały ceramiczne charakteryzują się różnymi właściwościami magnetycznymi. Ogólnie można je podzielić na:

• magnetyczne (ferromagnetyki, ferrimagnetyki - inaczej ferrymagnetyki)

• niemagnetyczne (diamagnetyki, paramagnetyki, antyferromagnetyki)

Diamagnetykiem jest ceramika o zerowym momencie magnetycznym, orbitalnym i spinowym i podatności magnetycznej mniejszej od zera.

Paramagnetyki są to tworzywa ceramiczne, w których zewnętrzne pole magnetyczne powoduje powstanie w próbce namagnesowania. W paramagnetykach brak jest silnych wzajemnych oddziaływań orientujących momenty magnetyczne atomów, a podatność magnetyczna > 0.

Natomiast występowanie silnych oddziaływań jest cechą ferromagnetyzmu. Poniżej temperatury Curie w tych materiałach występuje orientacja momentów magnetycznych nawet bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego.

W przypadku antyrównoległej wzajemnej orientacji momentów magnetycznych atomu występuje zjawisko antyferromagnetyzmu, które nie znajduje zastosowań praktycznych.

Materiały ceramiczne, w których nie występuje całkowita kompensacja momentów magnetycznych zaliczamy do ferrymagnetyków. Przedstawicielami tej klasy materiałów są ferryty zbudowane z 2 tlenków: Fe₂O₃ i tlenku metalu dwuwartościowego.

Ferrymagnetyki mają one duże znaczenie praktyczne, ponieważ oprócz właściwości magnetycznych wykazują również własności półprzewodnikowe.

Skład chemiczny ferrytu opisuje następujący wzór: (M^k+O^2-)_m(Fe₂³⁺O₃^2-)_n

M - inny metal

k - wartościowość tego metalu

m, n - liczby całkowite

Najczęściej k = 2, m = 1, n = 1

M^k+ = Ni²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺

Ta grupa ferrytów nazywana jest ferrospinelami, ponieważ ma strukturę spinelu:
MgO · Al₂O₃.

Ferryty lantanowców mają nieco inny skład chemiczny: (M^k+O^2-)₃(Fe₂³⁺O₃^2-)₅. Krystalizują w strukturze granatu i wiele z nich jest ferromagnetykami.

Ferryty ferromagnetyczne, nazywane również ceramiką magnetyczną, mają szerokie zastosowanie we współczesnej technice jako miękkie i twarde materiały magnetyczne.

Jako materiał na magnesy trwałe szeroko stosowany jest heksaferryt o wzorze
MO · Fe₂O₃, gdzie M = Ba lub Pb. Krystalizuje on w strukturze heksagonalnej.

Do nowoczesnych materiałów nanoceramicznych o właściwościach magnetycznych należą nanokrystaliczne borki, azotki, węgliki, których fazy mają następujący przykładowy skład chemiczny: Nd₂Fe₁₄B; Nd(Fe,Mo)₁₂N_x; Sm₂Fe₁₇N_x (Nd - neodym, Sm - samar)

Właściwości chemiczne

Do najważniejszych właściwości materiałów ceramicznych należy ich odporność na korozję i wpływy środowiska, w którym się znajdują.

Ceramika należy do materiałów o najwyższej odporności korozyjnej. Bardzo dobrą odporność na działanie silnych kwasów wykazują szkła, Al₂O₃, SiC, Si₃N₄, krzemionka i kwarc (SiO₂), a słabszą odporność posiadają MgO i ZrO₂.

Bardzo dobra odporność na działanie silnych zasad wykazują ZrO₂ i Al₂O₃, a gorszą odporność mają SiC, Si₃N₄, natomiast nieodporne na działanie alkaliów są krzemionka i ceramika szklana.

Wszystkie rodzaje ceramiki odporne są na działanie roztworów związków organicznych. Atmosfera ziemska nie ma żadnego wpływu na zachowanie ceramiki tlenkowej, która jest całkowicie stabilna w takich warunkach.

Zdolność do reagowania materiałów ceramicznych z tlenem można ocenić, mierząc reakcję konieczną do zajścia reakcji utlenienia.

materiał + O₂ + energia tlenek materiału

Jeżeli energia jest dodatnia, to materiał jest stabilny, a jeżeli jest ujemna, to materiał utlenia się. Duże energie dodatnie mają MgO, Al₂O₃.

(nieco dodatnie dla Au, duża ujemna dla Zr - ale to są metale a nie ceramika)

Warstwa tlenku utworzona na powierzchni materiału wskutek korozyjnego działania środowiska działa jak bariera oddzielająca atomy tlenu i materiału wyjściowego, zmniejszając szybkość utleniania (pasywacja).

Szybkość utleniania można mierzyć przez przyrost masy materiału, który utlenia się w jednostce czasu, gdyż utlenianie polega na przyłączaniu atomów tlenu do powierzchni materiału, pomiar szybkości utleniania wykonuje się zwykle w podwyższonej temperaturze, w której rośnie szybkość utleniania.

Pokrywanie szczelnymi warstwami ceramiki bez pęknięć innych materiałów np. metali skutecznie zabezpiecza je przed postępem utleniania. Jest to istotne w przypadku pracy w podwyższonej temperaturze.

Niektóre rodzaje ceramiki są wrażliwe na utlenianie, gdyż mają ujemną energię utleniania (tj. SiC, Si₃N₄), jednak jeżeli się utleniają, to znajdujący się na ich powierzchni SiO₂ stanowi warstwę ochronną zapobiegającą dalszej korozji.

Często powstałe produkty korozji nie są przyczepne do podłoża, dlatego pomiar odporności korozyjnej polega też na mierzeniu ubytku masy w jednostce czasu i porównaniu z ubytkami w innych środowiskach lub z innymi materiałami w danym środowisku. Wyraża się w jednostkach [g · doba/m² powierzchni].

Niektóre rodzaje ceramiki mogą być wrażliwe na działanie środowiska wodnego. Na skutek wzajemnego chemicznego oddziaływania ceramiki z wodą lub parą wodną w mikropęknięciach, które prawie zawsze są obecne w ceramice, cząsteczki wody wchodzą w reakcję chemiczną z cząsteczkami materiału. W wyniku reakcji następuje hydroliza wiązań chemicznych np. ugrupowań siloksanowych Si-O-Si lub ugrupowań M-O-M.

Pod wpływem wody powstają grupy silanolowe:

Po długim okresie eksploatacji, gdy długość szczeliny osiągnie wartość krytyczną dla danego naprężenia, element ulegnie gwałtownemu zniszczeniu.

---