特种陶瓷课件6章功能陶瓷-61磁性陶瓷

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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χ<0。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χ>0，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（Neeltemperature）。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(magneticceramics)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：NiO15%；ZnO35%；Fe2O350%。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Ni-Co铁氧体等。其中以Ni-Zn铁氧体应用最广泛。