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61 磁性陶瓷解析

作者:德扑游戏    更新时间:2020-05-18 08:57

  6.1 磁性陶瓷 本章主要内容: 1 磁学基本概念 1.1 物质的宏观磁性 1.2 抗磁性 1.3 顺磁性 1.4 铁磁性 1.5 反铁磁性 1.6 亚铁磁性 1.7 磁畴 1.8 磁致伸缩 2 磁性陶瓷(铁氧体陶瓷)分类 3 铁氧体材料 3.1 软磁铁氧体 3.1.1 软磁铁氧体材料及性能 3.1.2 软磁铁氧体的制备过程 3.1.3 软磁铁氧体制备中的影响因素 3.1.4 软磁铁氧体的应用 3.2 硬磁铁氧体 3.3 其他铁氧体 3.3.1 磁记录材料 3.3.2 旋磁铁氧体(微波铁氧体) 3.3.3 矩磁铁氧体 3.3.4 磁泡材料 3.3.5 磁光材料 3.3.6 压磁铁氧体 1 磁学基本概念 1.1 物质的宏观磁性 当一个外加磁场作用于材料时,磁场H导致磁偶极 子形成,并作定向排列,产生磁化。物质的磁化性 能可以用磁化强度M与磁场强度H的比值来度量,称 为磁化率χ,即 χ = M/H= C/T 1.2 抗磁性 ? 磁化率是物质的一种性质,它与外磁场H无关。对 一些材料来说,磁化的方向与外磁场的方向相反, 即χ0。此时若外加磁场H时,材料内部感生一个 与外磁场方向相反的感生磁场,这样材料内部总 的磁通密度小于外磁场的磁通密度。这种性质被 称为抗磁性,具有这种性质的材料称为抗磁材料。 1.3 顺磁性 对于过渡金属离子或稀土离子,其结构中有未成对电 子,就存在由此种电子所产生的磁矩。在外磁场作用 下,这些磁矩沿着磁场方向择优取向排列而产生宏观 的净磁矩。由于净磁矩的方向是沿外磁场方向的,所 以磁化率χ0,材料内部总的感通密度大于外磁场的 磁通密度,材料的这种性质被称为顺磁性,具有这种 性质的材料称为顺磁材料。 1.4 铁磁性 ? 邻近原子由于互相作用,在加上外磁场H时,能使 磁矩趋向于外磁场方向而整齐排列。这种现象称 为铁磁性,具有这种性能的材料称为铁磁体。 一般铁磁性物质即使在较弱的磁场内也可得到很 高的磁场强度,使物质显示出较高的磁导率,在 外磁场移去后仍保留很强的磁性。铁磁材料在较 弱外场下达到饱和磁化是因为在没有外磁场的作 用下已经以某种方式整齐排列达到一定程度的磁 化,即自发磁化。 ? 1.5 反铁磁性 ? 把磁矩反向平行且大小相等的情况称之为反铁磁性, 具有这种性质的物质称为反铁磁物质。当提高温度时, 这种反铁磁体的磁矩的排列混乱,成为顺磁体。把此 转化温度称为尼尔温度(Neel temperature)。 在反铁磁体中,由于磁矩相互抵消,所以不产生自发 磁化。 ? 1.6 亚铁磁性 ? 在反铁磁体的磁矩排列中,若磁矩的大小不相同, 没有完全相互抵消时,相减时磁矩不为零,会产生 自发磁化,这种物质称为亚铁磁体。 亚铁磁性实质上是两种晶格上的反向磁矩未完全抵 消的反铁磁性。 ? 1.7 磁畴 ? 铁磁或亚铁磁材料中含有许多已经自发磁化了的微区 (或畴),也就是说,每个畴内部所有磁矩都按相同 方向排列,这种畴被称为磁畴。 ? 当块状材料未被磁化时,这些磁畴排列方向杂乱,故 整个材料的净磁矩等于零。从一个磁畴到另一个方向 不一致的磁畴要经过一个渐变的区域,称为畴壁。 1.8 磁致伸缩 铁磁性和亚铁磁性材料磁化时,在磁化反向所发生的 伸长或缩短现象称为磁致伸缩。 2 ? 磁性陶瓷(铁氧体陶瓷)分类 磁性陶瓷(magnetic ceramics)分为含铁(ferrite)的 铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。铁氧体陶瓷是以 氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复 合氧化物。 按铁氧体的晶体结构分:尖晶石型(MFe2O4);石 榴石型(R3Fe5O12);磁铅石型(MFe12O19)(M 为铁族元素,R为稀土元素)。 按铁氧体的性质及用途分:软磁、硬磁、旋磁、矩 磁、磁泡、磁光、磁记录材料等。 按其结晶状态分:单晶体和多晶体铁氧体。 按其外观形态分:粉末、薄膜和体材等。 ? ? ? ? 3 铁氧体材料 3.1 软磁铁氧体 3.1.1 软磁铁氧体材料及性能 ? 软磁铁氧体是一种在通讯、广播、电视等领域中广 泛应用的磁性材料,主要作为各种电感元件的磁芯。 衡量软磁铁氧体性能的一个重要指标是磁导率u,一 般来说u值越高,则满足相同电感量要求的线圈体积 就越少。根据不同的使用条件,u值有不同的类型。 对于在高频弱磁场线性区域下工作的磁芯,一般以 起始磁导率ui 表示。 ? ? 衡量软磁铁氧体的第二个指标是损耗因子tanδ 或其 倒数,即品质因素Q。Q值表示软磁材料在交变磁化 时,能量的储存和消耗的性能,所以Q值越高越好, 实际中常将Q与磁导率u的乘积作为技术指标。 第三个指标是工作频率范围,随着频率增加,u和Q 都有所下降,通常将u和Q大大下降的频率称为应用 频率极限。 第四个指标为工作温度范围,软磁铁氧体的ui值随 温度而显著变化,以致使磁芯工作不稳定。磁导率 的温度稳定性以磁导率的温度不稳定系数αu表示。 ? ? 3.1.2 软磁铁氧体的制备过程 ? 软磁铁氧体的制备过程如下图所示: 称量→混合→煅烧→球磨造粒→成型→烧结→机 械加工→包装 ? 用于制备铁氧体的原料可以采用机械方法处理过的矿 物原料,或用化学方法制备的高纯化合物。将氧化铁 和其他氧化物或碳酸盐采用球磨的方法进行混合,然 后进行煅烧。经煅烧的粉末在球磨罐中重新球磨以获 得所要求的颗粒尺寸(通常为1um左右)。将煅烧后 的粉末、黏合剂和表面活性剂等一起配成浆料,然后 在喷雾干燥器中干燥造粒,形成50~300um的颗粒, 随后干压成型。经烧结好的产品经表面打磨包装即成。 3.1.3 软磁铁氧体制备中的影响因素 (1)组成 ? 目前主要使用的软磁材料有Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧 体两大类。软磁铁氧体的配方是在充分研究各种成分 的磁特性的基础上,按磁导率u、品质因素Q和温度系 数αu相互间最佳的关系来确定的。 ? Ni-Zn铁氧体的组成区大致范围是Fe2O350%~70%, ZnO5%~40%,NiO5%~40%,至于最优组成点,则 取决于使用性能的要求。 ? 例如,Ni-Zn铁氧体在使用上分高起始磁导率、高频和高饱 和磁感应三种,相应的最优配方有三个。 高起始磁导率的Ni-Zn铁氧体的最佳配方为: NiO 15%;ZnO 35%;Fe2O3 50%。 其相应的化学分子式为Ni0.3Zn0.7Fe2O4。 高频Ni-Zn铁氧体(使用频率范围为10~100MHz),要求 有高的电阻率ρ ,其最优配方大致为: NiO:25~30%;ZnO:15~20%;Fe2O3:50%。 高饱和磁感应强度Ni-Zn铁氧体的最佳配方点为: NiO:30%;ZnO:20%;Fe2O3:50%。 ? ? ? ? Mn-Zn铁氧体组成的确定原则上与Ni-Zn的相同。但由于 Mn-Zn铁氧体的Mn和Fe离子容易变价,如果工艺条件控制 不当,不仅会使配方点偏移,物理性能恶化,甚至变成非 磁性材料。 因此在这一系统氧化铁的制造中,各工艺条件如烧结温度、 气氛及冷却方式等控制极为重要。 ? ? 此外,添加剂对铁氧体的制备也有极为重要的作用。比如 在Mn-Zn铁氧体中加入少量的WO3 ,可以促进晶粒生长, 有利于提高磁导率;在铁氧体中添加2%~5%的CuO,可以 促进液相产生从而使烧结温度降低,制品密度提高。少量 SiO2 的存在有利于烧结,但含量过多会导致性能变坏和制 品开裂。 (2)烧结气氛 由于软磁铁氧体的制备中存在多种变价离子,因此气 氛在制备过程中的影响极其复杂和重要。对于Mn铁氧 体,在空气中烧结会使Mn形成三价离子而使磁性能显 著变坏,由此所得的最大磁导率为138,起始磁导率为 50。而在CO2中烧结所得材料的最大磁导率为3200, 起始磁导率为228。 (3)晶粒大小和气孔 如果其他因数保持不变,多晶铁氧体的磁导率随晶粒 增大而提高。而起始磁导率随着气孔率的增加而减少。 (4)冷却速率 快速冷却比慢速冷却的铁氧体,其电阻率低些, FeO含量高些。其原因是因为高温有利于Fe2+的 形成,在快速冷却时,Fe2+状态保持不变,当慢 冷时,Fe2+重新氧化,其含量低,则电子跃迁导 电的机会变少,电阻率提高。 3.1.4 软磁铁氧体的应用 ? 软磁铁氧体最简单的应用是做成变压器铁芯。根据电 磁感应原理,初级线圈中施以电讯号,则次级线圈中 感生电压、感生电流产生,从而获得电压升高、降低 和稳压的作用。根据讯号不同,可有音频变压器、脉 冲变压器、选频倒相变压器等。 另一类应用是作为电感元件,这类应用如谐振回路中 的电感、日光灯镇流器、天线的磁芯、变压器磁芯、 天线磁芯、偏转磁芯以及磁带录音磁头等。 ? 3.2 硬磁铁氧体 ? 硬磁铁氧体又称永磁铁氧体或恒磁铁氧体,是一种 磁化后不易退磁,能长期保持磁性的铁氧体。 ? 具有以下几个特征: ①剩余磁感应强度Br较高。剩余磁感应强度即材料 经外场磁化达饱和并除去外场后,在闭合磁路中所 剩余的磁感应强度,正是由于Br的存在,硬磁材料才 能在没有外磁场时,对外保持一定的磁场。一般Br为 0.3-0.5T左右。 ②矫顽力Hc大。矫顽力Hc即处于饱和磁化状态的磁性材 料,将磁场单调减小至零并反向增加,使磁化强度沿饱 和磁滞回线减小到零时的磁场强度。它表示材料抵抗退 磁的能力。一般为0.1-0.4T左右。 ③最大磁能积(BH)max高。磁能积是衡量硬磁材料的 一项重要参数,它是指磁滞回线在第Ⅱ象限(退磁曲线) 内磁感应强度B和磁场强度H的乘积。 ? 目前,已知的硬磁铁氧体材料多为磁铅石型,主要有 Ba铁氧体(Ba0.6Fe2O3 )、Sr铁氧体(Sr0.6Fe2O3 )、 Pb铁氧体( Pb0.6Fe2O3 )及它们的复合铁氧体。 3.3 ? 其他铁氧体 3.3.1 磁记录材料 磁记录材料主要指用于磁带录音机、磁带录像机、 电子计算机、磁带存储器、磁印刷等用的磁性材料。 它是一种软磁铁氧体。 对磁头材料要求:较高的起始磁化率和饱和磁化强 度以保证高灵敏度;较低的磁强度以减少噪声和损 耗;较高的耐磨性、可加工性和抗剥离性以延长寿 命周期和保证机械加工黏度。 ? 3.3.2 微波铁氧体 ? 微波铁氧体也称旋磁铁氧体。常用的微波旋磁铁 氧体有尖晶石型和石榴石型两大类,前者价格便 宜,后者性能优良,此外在毫米波段也可使用六 方晶系铁氧体。 3.3.3 矩磁铁氧体 ? 矩磁铁氧体是具有矩形磁滞回线,且矫顽力较小的 铁氧体,广泛应用于电子计算机、自动控制和远程 控制等尖端科学技术中,用于制作记忆元件、开关 元件和逻辑元件,磁放大器、磁光存储器及磁声存 储器等。 ? 常温下的矩磁铁氧体材料有Mn-Mg系、Mn-Zn系、 Cu-Mn系等;在-65~+125℃ 温度范围内的宽温矩 磁材料有Li系(如Li-Mn、Li-Ni、Li-Cu等)等。目 前大量使用的矩磁铁氧体材料主要是Mn-Mg系和Li 系。 3.3.4 磁光材料 ? 磁光材料主要用于制作大型电子计算机的外存储 器——磁光存储器。这种存储器具有很高的存储密 度(107位/厘米2),比一般的磁鼓、磁盘存储器要 高102~103倍。 磁光材料的基本要求是有较好的透光性,一定的磁 化强度和矫顽力,以及合适的转变温度等。除了研 究得较多的晶态和非晶态合金薄膜外,铁氧体方面 有钇铁石榴石铁氧体(YIG)单晶等等。 ? 3.3.5 压磁铁氧体 ? 以磁致伸缩效应为应用原理的铁氧体称为压磁铁氧体, 主要应用于超声器件(如超声探伤器、超声钻头、超 声焊接器等)、水声器件、机械滤波器、混频器、压 力传感器等方面。 主要的压磁铁氧体材料有Ni-Zn、Ni-Cu、Ni-Mg及NiCo铁氧体等。其中以Ni-Zn铁氧体应用最广泛。 ?

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