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铁氧体磁性材料概述
铁氧体是一种非金属磁性材料,又称磁性陶瓷。早在我国春秋战国时代就有“慈石召铁”的记载。其中所谓的“慈石”就是现代称之的磁铁矿
石,也就是铁氧体的一种,其主要成分是Fe3O4,可以称其为自然的铁氧体。人类争论铁氧体是从20世纪30年月开头的,至今已有70多年历
史了。早期有日本、荷兰等国家对铁氧体进展了系统争论,于20世纪
40年月开头有软磁铁氧体的商品问世。在其次次世界大战期间,由于无
线电、微波、雷达和脉冲技术的飞速进展,迫切需要能由于高频段,并具有损耗低的型磁性材料。当时的金属磁性材料由于存在严峻的趋肤效应和涡流损耗,而无法使用。铁氧体根本上是绝缘体,电阻率高,涡
流损耗小,在当时得到了快速的争论和开发。20世纪50年月是铁氧体
蓬勃进展的时期。1952年磁铅石型硬磁铁氧体研制成功。1956年又在
此晶系中开发出平面型的超高频铁氧体,同时觉察了含稀土元素的石榴石型铁氧体,从而形成了尖晶石型、磁铅石和石榴石型三大晶系铁氧体材料体系。应当说铁氧体的问世,是强磁性磁学和磁性材料进展史上的一个重要里程碑。至今铁氧体磁性材料已在播送、通讯、收音机、电视、音像技术、电子计算机技术、自动把握、雷达、宇航与卫星通讯、仪器、仪表、印刷、显示以及生物医学、光电子技术等众多高技术领域得到了广 泛 应 用 。
尖晶石型铁氧体
磁铅石型铁氧体
从化学组成上看,铁氧体是由铁族离子、氧离子及其他金属离子所组成的复合金属氧化物。但也有少数不含铁的磁性氧化物,近年来显示出明显的科学意义和高技术方面的应用前景。
铁氧体磁性材料的种类和应用--《功能陶瓷材料》
铁氧体材料分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁等五类。
软磁铁氧体材料这类铁氧体是最先得到广泛运用的,也是日常生活中人们常常接触到的。所谓软磁铁氧体材料是指在较弱的磁场作用下,很简洁被磁化也简洁被退磁的一类铁氧体材料。其典型的代表是锰锌铁氧体Mn-ZnFe2O4,如
图
《
镍锌铁氧体Ni-ZnFe2O4,如图O
其次是锂锌铁氧体和镍铜铁氧体等。在晶体构造上,软磁铁氧体有两种。一种是由氧离子和金属阳离子组成的尖晶石构造的金属氧化物,其导电性属半导体,电阻率在102~。它的涡流损耗很小,是很适合在高频段使用的磁性材料之一。通过转变各种金属元素的比例或参与少量某些元素以及调整制备过程,可以得到性能不同、分别适于在各种线路设计中应用的铁氧体。软磁铁氧体材料的化学成分和制备过程从20世纪30年月以后不断有所进展。目前国际上成批生产的有三四十个品种。全世界铁氧体软磁材料的年生产量在万吨以上。这一类铁氧体被应用的数量最大、经济价值最高。收音机里的天线磁芯和中频变压器磁芯
〔一般是镍-锌铁氧体〕以及电视接收机里的回扫变压器磁芯〔一般是镍-锌铁氧体〕都大量使用软磁铁氧体成品。作为有线电讯中的增感器、滤波器等的磁芯,使用也很广泛。近年来,在高频磁记录换能器(磁头)中的应用也很广泛。
〔主
永磁铁氧体材料永磁铁氧体是铁氧体材料里的又一个重要分支。它是相对于软磁铁氧体材料而言的。指材料被磁化后不易退磁,而能长期保持磁性的铁氧体材料。钡铁氧体,如图
要成分BaFe12O19〕研制成功后,20世纪50年月后被制成至今被大量使用的永磁铁氧体主要有钡铁氧体BaFe12O19-。这种铁氧体材料作为永磁材料使用,才真正成了能与合金永磁材料竞赛优劣的品种。
永磁铁氧体在工业、农业、医疗等领域中有了格外广泛的应用。用永磁铁氧体制成的永磁电动机,在小轿车中大约有十四处被使用,在汽车的刮雨器、通风器、玻璃窗的升降器以及车灯用的沟通发电机等,全是永磁铁氧体材料制作而成
的。
旋磁铁氧体材料 又称微波铁氧体。在高频磁场作用下,平面偏振的电磁波在
铁氧体中按确定方向传播时,偏振面会不断绕传播方向旋转的铁氧体材料。主要有多晶型的和单晶型的两大类。单晶型的现不常用。多晶型的,按构造分,主要有:(1)尖晶石型,如MgFe2O4系、NiFe2O4系、LiFe系、Mg-Mn-Al系、Nb-Co-A1系、Li-Zn-Ti-Co系等;(2)石榴石型,如Y3F5O12、Y-Al系、Y-Gd系、Y-Gd-Al系等;(3)磁铅石型,如BaFe12O19等。具有铁磁共振线宽小、自旋波共振线宽大、在低频段,饱和磁化强度低和磁晶各向异性常数小、介质损耗低、稳定性高等性能。承受电子陶瓷工艺,热压烧结或氧气氛中烧结制造而成。主要用于制作毫米波铁氧体器件。
矩形铁氧体材料 具有矩形磁滞回线、剩余磁感强度Br和工作时最大磁感应强度Bm的比值,即Br/Bm接近于1和矫顽力较小的铁氧体材料。主要有两大类:一类是常温矩磁铁氧体材料,如Mn-Mg系、Mn-Zn系、Cu-Mn系和Cd-Mn系等;另一类是宽温(-50~150℃)矩磁材料,如Li系(Li-Mn、Ni、Cu、Zn等),Ni系(Ni-Mn、Zn、Cd等)。大量使用的矩磁铁氧体主要是Mn-Mg系和Li系铁氧体材料。这类材料具有磁性记忆功能,极高的牢靠性。主要用于电子计算机随机存取的记忆装置。还可作为磁放大器、变压器,脉冲变压器等使用。用这类材料作为磁性涂层可制成磁鼓、磁盘、磁卡和各种磁带等
各种铁氧体的主要特性和应用范围比较
类别代表性铁氧体
晶 构造 主要特性 频率范围 应用举例系
锌锰铁氧体
立 尖晶石高μi、Q、Bs,1kHz~5MHz
多路通讯及电视用的各
软磁〔MnO-Zn-Fe
2O3〕
方 型 低α
μ、DA
种磁芯和录音、录像等各种记录磁头等
镍锌铁氧体系列
2 3
〔NiO-ZnO-FeO〕
甚高频铁氧体系列 六
角
高Q、f、ρ,1kHz~300MHz
r
低tgδ
磁铅石高Q、f,低tg 300M~1000MHz
r
型 δ
多路通讯电感器、滤波器、磁性天线和记录磁头等
多路通讯及电视用的各种磁芯
硬磁钡铁氧体系列
六 磁铅石高bHc,高〔BH〕1k~20kHz
录音器、微音器、拾音器
2 3
〔〕 角 型
鍶铁氧体系列
〔〕
max
和机等各种电声器件以及各种仪表和把握器件的磁芯
2 3
旋磁镁锰铝铁氧体系列 立
尖晶石ΔH较宽
500M~100000M
雷达、通讯、导航、遥测、
〔MgO-MnO-Ale2O3〕
2O3
-F 方 型
Hz 遥控等电子设备中的各种微波器件
s
2 3
锂锰铁氧体系列
w
〔LiO-MnO-FeO〕
2
2 3
压磁镍锌铁氧体系列
〔NiO-ZnO-FeO〕
2 3
立
方
尖晶石
型
高α、KQ,耐
蚀性强
r
约100kHz
超声和水声器件以及电
讯、自控、磁声和计量器件
镍铜铁氧体系列
〔NiO-CuO-FeO〕
2 3
銥石榴石型铁氧体
〔〕
2 3 2 3
石
型
榴
石
ΔH较窄
100M~10000MH
z
矩磁镁锰铁氧体系列 立
〔MgO-MnO-FeO〕方
尖型
晶
石
高α、R,低τ
S
、
300kHz~1MHz 各种电子计算机的磁性
存储器磁芯
铁氧体材料的制备工艺
工艺方法。在成型方面有用粉末干压、湿压、冲压、等静压和注浆成型等工艺方法。这类工艺方法的缺点是本钱较高、工艺和设备比较简洁。
随着磁记录共业和微波器件研制的进展需要,多晶铁氧体材料已满足不了使用需求。科技工作者又研制成功了各种单晶铁氧体的各种制备工艺,并且到达了批量生产的水平。其中较成熟的有布里兹曼法、熔岩法、提拉法、水热合成法和焰熔法等。
配料 选择和确定配方是一个比较简洁的问题。通常是依据已有的阅历和理论分析作为定性指导。配方一经确定以后,依据各种元素的摩尔分数或计量分数作为投料量。上述两种
可以相互变换。例如需要三种氧化物的原料,质量分数分别为X,Y,Z,摩尔分数分别为x,y,z,他们的摩尔质量分别为M1,M2,M3。则从质量分数求出摩尔分数的公式为
承受同样的方法可以计算出Y和Z。
制备铁氧体的化学原料是用金属氧化物或碳酸盐,有时也可以用可用性***盐、硫酸盐、草酸盐。对于软磁性铁氧体的配方选择,是在充分争论各种成分的磁特性的根底上,按磁导率μ、品质因素Q和磁导
率的温度系数dμ相互最正确关系来确定。为了保证配方在质量上满足各项物理特性的要求和生产上简洁把握,往往要求有较宽的单项固溶体区域。而这个单项固溶体区域也称之为配方区。在配方区内,物理性能最好的部位的各种成分比例称为配方点〔或最优配方〕。
最常用的多晶软磁铁氧体有Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体。它们分别是由MnO-ZnO-Fe2O3)和
干式法
称各组成重量
称各组成重量
金属离子溶
强碱
湿式法
NiO-ZnO-Fe2O3)等三种成分组合的复合铁氧体。调整各个成安排比就可以转变铁氧体的物理性能。实际上,铁氧体的性能还和原料来源、球磨、烧结、压制等工艺有关。
过滤
过滤
枯燥 洗涤
空气氧化
结晶沉淀
粉碎 制粒
枯燥 过滤
粉碎 枯燥
过滤
预烧
湿式粉碎
粘结剂、润滑剂混合
制粒
成型
烧结
研磨加工
检查
包装
图为--多晶铁氧体的制备工艺流程
总之,可以将配方设计归为以下三个主要原则:首先,配方必需保证产品的使用要求;其次是做到原料就地取材,贯彻综合运用的同时,尽量承受性能好、成分稳定、来源广泛和价廉的原料。
球磨 球磨就是把配好的粉料和确定大小与比例的钢球、液体〔通常用水〕
放在钢桶中,然后装在球磨机上不断的转动,利用钢球与原料之间的撞击,钢球之间和钢球与桶内壁的研磨,将原料磨细和混匀。第一次球磨的作用,主要是将各种细粉末混合均匀。
预烧 将混合后的配料在高温炉中加热,促进固相反响,形成具有确定物理性
能的多晶铁氧体。也称为烧结铁氧体。这种预烧过程是在低于材料熔融温度状态下,通过固体粉末间的化学反响来完成固相反响。在固相反响中,一般来说,铁氧体所用的各种固态原料,在常温下是相对稳定的,各种金属离子受晶格制约,只能在原来的结极其点做一些微小的变动。随着温度上升,金属离子在结点上的热震惊的振幅越来越大,从而原来的结点发生了位移,由于一种原料的颗粒进入另一种原料的颗粒。形成了离子集中现象。
成型经过预烧已经成了铁氧体材料,通常把它做成粒料。由于铁氧体种类多,
大小各异,成型方法也很不一样,一般有干压成型、热压住成型、等静压成型等,其中,以干压成型最为普遍。干压成型就是将粒料装入钢制的模具中压制成各种需要的产品外形的毛坯过程。为了保证毛坯的性能,需要在物料中添加少量的胶黏剂,如
5%的聚乙烯醇溶液。干压成型的加压方式又有单向加压和双向加压之分。压制较长
的毛坯,为了保证毛坯上下的密度均匀,多承受双向加压法。由于成型压力的均匀与否会影响烧结产品的成败。因此,在生产上必需认真选择成型方式和把握成型的压力。对于大型产品,为了使毛坯有较大的成型密度而又各处受力均匀的坯件,往往承受静水压的成型方法。首先把粒料装入所需要的橡胶模具中,然后把密封的模具置于能承受高压的高压容器内,利用高压泵将油或水压入高压容器内,从而使橡胶模具的各个局部均匀受力。
在制备小尺寸而外形比较简洁的铁氧体材料时,通常承受注浆成型的方法。把粒料溶在加热的液体石蜡中,做成流淌的浓浆料,通过液压法把浆料注入到可开启的金属模具中,待冷却后凝固成毛坯,在凝固之前,需经过排蜡工序。此法的挤压效率较高,可连续地压制出外形较简洁的小型铁氧体坯件。
烧结铁氧体材料的烧结温度一般在1000~1400oC。由于铁氧体烧结时四周气氛
对性能影响很大。铁氧体生成时的固相化学反响不能在复原气氛中进展。对于某些有特别要求的铁氧体材料,必需在特别的炉子中烧结,如高磁导率的锰锌铁氧体,必需在真空炉子中烧结。
铁氧体烧结过程中,要发生一系列氧化和复原反响、固溶体的发生和分解过程。其中以氧化和复原过程中的化学变化最重要,对铁氧体的物理性能影响最大。在烧结的过程中的氧化和复原过程,实质上是烧结体与四周气氛共同作用、进展吸氧或放氧的过程。氧化和复原的进展,与四周气氛的氧分压力大小以烧结温度的凹凸有亲热关系。