特種陶瓷6章功能陶瓷-61磁性陶瓷20091113課件

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3.1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(guò)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1磁學(xué)基本概念1.1物質(zhì)的宏觀磁性當(dāng)一個(gè)外加磁場(chǎng)作用于材料時(shí)，磁場(chǎng)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(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值來(lái)度量，稱為磁化率χ，即χ=M/H=C/T1.3順磁性對(duì)于過(guò)渡金屬離子或稀土離子，其結(jié)構(gòu)中有未成對(duì)電子，就存在由此種電子所產(chǎn)生的磁矩。在外磁場(chǎng)作用下，這些磁矩沿著磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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。1.4鐵磁性鄰近原子由于互相作用，在加上外磁場(chǎng)H時(shí)，能使磁矩趨向于外磁場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)也可得到很高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使物質(zhì)顯示出較高的磁導(dǎo)率，在外磁場(chǎng)移去后仍保留很強(qiáng)的磁性。鐵磁材料在較弱外場(chǎng)下達(dá)到飽和磁化是因?yàn)樵跊](méi)有外磁場(chǎng)的作用下已經(jīng)以某種方式整齊排列達(dá)到一定程度的磁化，即自發(fā)磁化。1.5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(shí)，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。1.7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(shuō)，每個(gè)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(shí)，這些磁疇排列方向雜亂，故整個(gè)材料的凈磁矩等于零。從一個(gè)磁疇到另一個(gè)方向不一致的磁疇要經(jīng)過(guò)一個(gè)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(shí)，在磁化反向所發(fā)生的伸長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象稱為磁致伸縮。2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：?jiǎn)尉w和多晶體鐵氧體。按其外觀形態(tài)分：粉末、薄膜和體材等。3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(gè)重要指標(biāo)是磁導(dǎo)率u，一般來(lái)說(shuō)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(duì)于在高頻弱磁場(chǎng)線性區(qū)域下工作的磁芯，一般以起始磁導(dǎo)率ui

表示。3.1.2軟磁鐵氧體的制備過(guò)程軟磁鐵氧體的制備過(guò)程如下圖所示：

稱量→混合→煅燒→球磨造粒→成型→燒結(jié)→機(jī)械加工→包裝用于制備鐵氧體的原料可以采用機(jī)械方法處理過(guò)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(jìn)行混合，然后進(jìn)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。3.1.3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(lái)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(diǎn)，則取決于使用性能的要求。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(gè)。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(qiáng)度Ni-Zn鐵氧體的最佳配方點(diǎn)為：NiO：30%；ZnO：20%；Fe2O3：50%。（2）燒結(jié)氣氛由于軟磁鐵氧體的制備中存在多種變價(jià)離子，因此氣氛在制備過(guò)程中的影響極其復(fù)雜和重要。對(duì)于Mn鐵氧體，在空氣中燒結(jié)會(huì)使Mn形成三價(jià)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。（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?yàn)楦邷赜欣贔e2+的形成，在快速冷卻時(shí)，F(xiàn)e2+狀態(tài)保持不變，當(dāng)慢冷時(shí)，F(xiàn)e2+重新氧化，其含量低，則電子躍遷導(dǎo)電的機(jī)會(huì)變少，電阻率提高。3.1.4軟磁鐵氧體的應(yīng)用軟磁鐵氧體最簡(jiǎn)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(jí)線圈中施以電訊號(hào)，則次級(jí)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(hào)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。

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(chǎng)單調(diào)減小至零并反向增加，使磁化強(qiáng)度沿飽和磁滯回線減小到零時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(xiàng)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(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)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。3.3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(jī)、磁帶錄像機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、磁帶存儲(chǔ)器、磁印刷等用的磁性材料。它是一種軟磁鐵氧體。對(duì)磁頭材料要求：較高的起始磁化率和飽和磁化強(qiáng)度以保證高靈敏度；較低的磁強(qiáng)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(zhǎng)壽命周期和保證機(jī)械加工黏度。3.3.2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(jià)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。3.3.4磁光材料磁光材料主要用于制作大型電子計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器——磁光存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器具有很高的存儲(chǔ)密度（107位/厘米2），比一般的磁鼓、磁盤(pán)存儲(chǔ)器要高102~103倍。磁光材料的基本要求是有較好的透光性，一定的磁化強(qiáng)度和矯頑力，以及合適的轉(zhuǎn)變溫度等