6.1磁性陶瓷本章主要內(nèi)容：1磁學(xué)基本概念1.1物質(zhì)的宏觀磁性1.2抗磁性1.3順磁性1.4鐵磁性1.5反鐵磁性1.6亞鐵磁性1.7磁疇1.8磁致伸縮2磁性陶瓷（鐵氧體陶瓷）分類3鐵氧體材料6.1磁性陶瓷本章主要內(nèi)容：13.1軟磁鐵氧體3.1.1軟磁鐵氧體材料及性能3.1.2軟磁鐵氧體的制備過程3.1.3軟磁鐵氧體制備中的影響因素3.1.4軟磁鐵氧體的應(yīng)用3.2硬磁鐵氧體3.3其他鐵氧體3.3.1磁記錄材料3.3.2旋磁鐵氧體（微波鐵氧體）3.3.3矩磁鐵氧體3.3.4磁泡材料3.3.5磁光材料3.3.6壓磁鐵氧體3.1軟磁鐵氧體21磁學(xué)基本概念1.1物質(zhì)的宏觀磁性當(dāng)一個外加磁場作用于材料時，磁場H導(dǎo)致磁偶極子形成，并作定向排列，產(chǎn)生磁化。物質(zhì)的磁化性能可以用磁化強度M與磁場強度H的比值來度量，稱為磁化率χ，即χ=M/H=C/T1磁學(xué)基本概念31.2抗磁性磁化率是物質(zhì)的一種性質(zhì)，它與外磁場H無關(guān)。對一些材料來說，磁化的方向與外磁場的方向相反，即χ<0。此時若外加磁場H時，材料內(nèi)部感生一個與外磁場方向相反的感生磁場，這樣材料內(nèi)部總的磁通密度小于外磁場的磁通密度。這種性質(zhì)被稱為抗磁性，具有這種性質(zhì)的材料稱為抗磁材料。1.2抗磁性41.3順磁性對于過渡金屬離子或稀土離子，其結(jié)構(gòu)中有未成對電子，就存在由此種電子所產(chǎn)生的磁矩。在外磁場作用下，這些磁矩沿著磁場方向擇優(yōu)取向排列而產(chǎn)生宏觀的凈磁矩。由于凈磁矩的方向是沿外磁場方向的，所以磁化率χ>0，材料內(nèi)部總的感通密度大于外磁場的磁通密度，材料的這種性質(zhì)被稱為順磁性，具有這種性質(zhì)的材料稱為順磁材料。1.3順磁性51.4鐵磁性鄰近原子由于互相作用，在加上外磁場H時，能使磁矩趨向于外磁場方向而整齊排列。這種現(xiàn)象稱為鐵磁性，具有這種性能的材料稱為鐵磁體。一般鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場內(nèi)也可得到很高的磁場強度，使物質(zhì)顯示出較高的磁導(dǎo)率，在外磁場移去后仍保留很強的磁性。鐵磁材料在較弱外場下達到飽和磁化是因為在沒有外磁場的作用下已經(jīng)以某種方式整齊排列達到一定程度的磁化，即自發(fā)磁化。1.4鐵磁性61.5反鐵磁性把磁矩反向平行且大小相等的情況稱之為反鐵磁性，具有這種性質(zhì)的物質(zhì)稱為反鐵磁物質(zhì)。當(dāng)提高溫度時，這種反鐵磁體的磁矩的排列混亂，成為順磁體。把此轉(zhuǎn)化溫度稱為尼爾溫度（Neeltemperature）。在反鐵磁體中，由于磁矩相互抵消，所以不產(chǎn)生自發(fā)磁化。1.5反鐵磁性71.6亞鐵磁性在反鐵磁體的磁矩排列中，若磁矩的大小不相同，沒有完全相互抵消時，相減時磁矩不為零，會產(chǎn)生自發(fā)磁化，這種物質(zhì)稱為亞鐵磁體。亞鐵磁性實質(zhì)上是兩種晶格上的反向磁矩未完全抵消的反鐵磁性。1.6亞鐵磁性81.7磁疇鐵磁或亞鐵磁材料中含有許多已經(jīng)自發(fā)磁化了的微區(qū)（或疇），也就是說，每個疇內(nèi)部所有磁矩都按相同方向排列，這種疇被稱為磁疇。當(dāng)塊狀材料未被磁化時，這些磁疇排列方向雜亂，故整個材料的凈磁矩等于零。從一個磁疇到另一個方向不一致的磁疇要經(jīng)過一個漸變的區(qū)域，稱為疇壁。1.8磁致伸縮鐵磁性和亞鐵磁性材料磁化時，在磁化反向所發(fā)生的伸長或縮短現(xiàn)象稱為磁致伸縮。1.7磁疇92磁性陶瓷（鐵氧體陶瓷）分類磁性陶瓷(magneticceramics)分為含鐵(ferrite)的鐵氧體陶瓷和不含鐵的磁性陶瓷。鐵氧體陶瓷是以氧化鐵和其他鐵族或稀土族氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物。按鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)分：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁鉛石型（MFe12O19）（M為鐵族元素，R為稀土元素）。按鐵氧體的性質(zhì)及用途分：軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、磁泡、磁光、磁記錄材料等。按其結(jié)晶狀態(tài)分：單晶體和多晶體鐵氧體。按其外觀形態(tài)分：粉末、薄膜和體材等。2磁性陶瓷（鐵氧體陶瓷）分類103鐵氧體材料3.1軟磁鐵氧體3.1.1軟磁鐵氧體材料及性能軟磁鐵氧體是一種在通訊、廣播、電視等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的磁性材料，主要作為各種電感元件的磁芯。衡量軟磁鐵氧體性能的一個重要指標(biāo)是磁導(dǎo)率u，一般來說u值越高，則滿足相同電感量要求的線圈體積就越少。根據(jù)不同的使用條件，u值有不同的類型。對于在高頻弱磁場線性區(qū)域下工作的磁芯，一般以起始磁導(dǎo)率ui表示。3鐵氧體材料11衡量軟磁鐵氧體的第二個指標(biāo)是損耗因子tanδ或其倒數(shù)，即品質(zhì)因素Q。Q值表示軟磁材料在交變磁化時，能量的儲存和消耗的性能，所以Q值越高越好，實際中常將Q與磁導(dǎo)率u的乘積作為技術(shù)指標(biāo)。第三個指標(biāo)是工作頻率范圍，隨著頻率增加，u和Q都有所下降，通常將u和Q大大下降的頻率稱為應(yīng)用頻率極限。第四個指標(biāo)為工作溫度范圍，軟磁鐵氧體的ui值隨溫度而顯著變化，以致使磁芯工作不穩(wěn)定。磁導(dǎo)率的溫度穩(wěn)定性以磁導(dǎo)率的溫度不穩(wěn)定系數(shù)αu表示。衡量軟磁鐵氧體的第二個指標(biāo)是損耗因子tanδ或其倒數(shù)，即品123.1.2軟磁鐵氧體的制備過程軟磁鐵氧體的制備過程如下圖所示：

稱量→混合→煅燒→球磨造粒→成型→燒結(jié)→機械加工→包裝用于制備鐵氧體的原料可以采用機械方法處理過的礦物原料，或用化學(xué)方法制備的高純化合物。將氧化鐵和其他氧化物或碳酸鹽采用球磨的方法進行混合，然后進行煅燒。經(jīng)煅燒的粉末在球磨罐中重新球磨以獲得所要求的顆粒尺寸（通常為1um左右）。將煅燒后的粉末、黏合劑和表面活性劑等一起配成漿料，然后在噴霧干燥器中干燥造粒，形成50~300um的顆粒，隨后干壓成型。經(jīng)燒結(jié)好的產(chǎn)品經(jīng)表面打磨包裝即成。3.1.2軟磁鐵氧體的制備過程133.1.3軟磁鐵氧體制備中的影響因素（1）組成目前主要使用的軟磁材料有Mn-Zn鐵氧體和Ni-Zn鐵氧體兩大類。軟磁鐵氧體的配方是在充分研究各種成分的磁特性的基礎(chǔ)上，按磁導(dǎo)率u、品質(zhì)因素Q和溫度系數(shù)αu相互間最佳的關(guān)系來確定的。

Ni-Zn鐵氧體的組成區(qū)大致范圍是Fe2O350%~70%，ZnO5%~40%，NiO5%~40%，至于最優(yōu)組成點，則取決于使用性能的要求。3.1.3軟磁鐵氧體制備中的影響因素14例如，Ni-Zn鐵氧體在使用上分高起始磁導(dǎo)率、高頻和高飽和磁感應(yīng)三種，相應(yīng)的最優(yōu)配方有三個。高起始磁導(dǎo)率的Ni-Zn鐵氧體的最佳配方為：NiO15%；ZnO35%；Fe2O350%。其相應(yīng)的化學(xué)分子式為Ni0.3Zn0.7Fe2O4。高頻Ni-Zn鐵氧體（使用頻率范圍為10~100MHz），要求有高的電阻率ρ，其最優(yōu)配方大致為：NiO：25~30%；ZnO：15~20%；Fe2O3：50%。高飽和磁感應(yīng)強度Ni-Zn鐵氧體的最佳配方點為：NiO：30%；ZnO：20%；Fe2O3：50%。例如，Ni-Zn鐵氧體在使用上分高起始磁導(dǎo)率、高頻和高飽和磁15Mn-Zn鐵氧體組成的確定原則上與Ni-Zn的相同。但由于Mn-Zn鐵氧體的Mn和Fe離子容易變價，如果工藝條件控制不當(dāng)，不僅會使配方點偏移，物理性能惡化，甚至變成非磁性材料。因此在這一系統(tǒng)氧化鐵的制造中，各工藝條件如燒結(jié)溫度、氣氛及冷卻方式等控制極為重要。此外，添加劑對鐵氧體的制備也有極為重要的作用。比如在Mn-Zn鐵氧體中加入少量的WO3，可以促進晶粒生長，有利于提高磁導(dǎo)率；在鐵氧體中添加2%~5%的CuO，可以促進液相產(chǎn)生從而使燒結(jié)溫度降低，制品密度提高。少量SiO2

的存在有利于燒結(jié)，但含量過多會導(dǎo)致性能變壞和制品開裂。Mn-Zn鐵氧體組成的確定原則上與Ni-Zn的相同。但由于M16（2）燒結(jié)氣氛由于軟磁鐵氧體的制備中存在多種變價離子，因此氣氛在制備過程中的影響極其復(fù)雜和重要。對于Mn鐵氧體，在空氣中燒結(jié)會使Mn形成三價離子而使磁性能顯著變壞，由此所得的最大磁導(dǎo)率為138，起始磁導(dǎo)率為50。而在CO2中燒結(jié)所得材料的最大磁導(dǎo)率為3200，起始磁導(dǎo)率為228。（3）晶粒大小和氣孔如果其他因數(shù)保持不變，多晶鐵氧體的磁導(dǎo)率隨晶粒增大而提高。而起始磁導(dǎo)率隨著氣孔率的增加而減少。（2）燒結(jié)氣氛17（4）冷卻速率快速冷卻比慢速冷卻的鐵氧體，其電阻率低些，F(xiàn)eO含量高些。其原因是因為高溫有利于Fe2+的形成，在快速冷卻時，F(xiàn)e2+狀態(tài)保持不變，當(dāng)慢冷時，F(xiàn)e2+重新氧化，其含量低，則電子躍遷導(dǎo)電的機會變少，電阻率提高。（4）冷卻速率183.1.4軟磁鐵氧體的應(yīng)用軟磁鐵氧體最簡單的應(yīng)用是做成變壓器鐵芯。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，初級線圈中施以電訊號，則次級線圈中感生電壓、感生電流產(chǎn)生，從而獲得電壓升高、降低和穩(wěn)壓的作用。根據(jù)訊號不同，可有音頻變壓器、脈沖變壓器、選頻倒相變壓器等。另一類應(yīng)用是作為電感元件，這類應(yīng)用如諧振回路中的電感、日光燈鎮(zhèn)流器、天線的磁芯、變壓器磁芯、天線磁芯、偏轉(zhuǎn)磁芯以及磁帶錄音磁頭等。3.1.4軟磁鐵氧體的應(yīng)用193.2硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體又稱永磁鐵氧體或恒磁鐵氧體，是一種磁化后不易退磁，能長期保持磁性的鐵氧體。具有以下幾個特征：

①剩余磁感應(yīng)強度Br較高。剩余磁感應(yīng)強度即材料經(jīng)外場磁化達飽和并除去外場后，在閉合磁路中所剩余的磁感應(yīng)強度，正是由于Br的存在，硬磁材料才能在沒有外磁場時，對外保持一定的磁場。一般Br為0.3-0.5T左右。3.2硬磁鐵氧體20

②矯頑力Hc大。矯頑力Hc即處于飽和磁化狀態(tài)的磁性材料，將磁場單調(diào)減小至零并反向增加，使磁化強度沿飽和磁滯回線減小到零時的磁場強度。它表示材料抵抗退磁的能力。一般為0.1-0.4T左右。

③最大磁能積（BH）max高。磁能積是衡量硬磁材料的一項重要參數(shù)，它是指磁滯回線在第Ⅱ象限（退磁曲線）內(nèi)磁感應(yīng)強度B和磁場強度H的乘積。目前，已知的硬磁鐵氧體材料多為磁鉛石型，主要有Ba鐵氧體（Ba0.6Fe2O3）、Sr鐵氧體（Sr0.6Fe2O3）、Pb鐵氧體（Pb0.6Fe2O3）及它們的復(fù)合鐵氧體。②矯頑力Hc大。矯頑力Hc即處于飽和磁化狀態(tài)的磁性材料213.3其他鐵氧體3.3.1磁記錄材料磁記錄材料主要指用于磁帶錄音機、磁帶錄像機、電子計算機、磁帶存儲器、磁印刷等用的磁性材料。它是一種軟磁鐵氧體。對磁頭材料要求：較高的起始磁化率和飽和磁化強度以保證高靈敏度；較低的磁強度以減少噪聲和損耗；較高的耐磨性、可加工性和抗剝離性以延長壽命周期和保證機械加工黏度。3.3其他鐵氧體223.3.2微波鐵氧體微波鐵氧體也稱旋磁鐵氧體。常用的微波旋磁鐵氧體有尖晶石型和石榴石型兩大類，前者價格便宜，后者性能優(yōu)良，此外在毫米波段也可使用六方晶系鐵氧體。3.3.2微波鐵氧體233.3.3矩磁鐵氧體矩磁鐵氧體是具有矩形磁滯回線，且矯頑力較小的鐵氧體，廣泛應(yīng)用于電子計算機、自動控制和遠程控制等尖端科學(xué)技術(shù)中，用于制作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件，磁放大器、磁光存儲器及磁聲存儲器等。常溫下的矩磁鐵氧體材料有Mn-Mg系、Mn-Zn系、Cu-Mn系等；在-65~+125℃溫度范圍內(nèi)的寬溫矩磁材料有Li系（如Li-Mn、Li-Ni、Li-Cu等）等。目前大量使用的矩磁鐵氧體材料主要是Mn-Mg系和Li系。3.3.3矩磁鐵氧體243.3.4磁光材料磁光材料主要用于制作大型電子計算機的外存儲器——磁光存儲器。這種存儲器具有很高的存儲密度（107位/厘米2），比一般的磁鼓、磁盤存儲器要高102~1