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铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。就电特性来说,铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多,而且还有较高的介电性能。铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。因而,铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。由于铁氧体单位体积中储存的磁能较低,饱合磁化强度也较低(通常只有纯铁的1/3~1/5),因而限制了它在要求较高磁能密度的低频强电和大功率领域的应用。

基本简介

铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成。一般可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。
永磁铁氧体又叫铁氧体磁钢,就是我们平时见到的黑色小磁铁。其组成原材料主要有氧化铁、碳酸钡或碳酸锶。充磁后,残留磁场的强度很高,并可以长时间保持残留磁场。通常用作永久磁铁材料。例如:扬声器磁铁。
软磁铁氧体是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物(例如:氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶等)配制烧结而成。之所以称之为软磁,是因为当充磁磁场消失后,残留磁场很小或几乎没有。通常用作扼流圈,或中频变压器的磁芯。这和永磁铁氧体是完全不同的。
旋磁铁氧体是指具有旋磁特性的铁氧体材料。磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下,平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中,其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。旋磁铁氧体已广泛应用于微波通信领域。按照晶体类型分,旋磁铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型(六角型)铁氧体。

历史沿革

中国最早接触到的铁氧体是公元前 4世纪发现的天然铁氧体,即磁铁矿(Fe3O4),中国所发明的指南针就是利用这种天然磁铁矿制成的。到20世纪30年代无线电技术的发展,迫切地要求高频损耗小的铁磁性材料。而四氧化三铁的电阻率很低,不能满足这一要求。1933年日本东京工业大学首先创制出含钴铁氧体的永磁材料,当时被称为OP磁石。30~40年代,法国、 日本、德国、荷兰等国相继开展了铁氧体的研究工作,其中荷兰菲利浦实验室物理学家J.L.斯诺克于1935年研究出各种具有优良性能尖晶石结构的含锌软磁铁氧体,于1946年实现工业化生产。1952年,该室J.J.文特等人曾经研制成了以 BaFe12O19为主要成分的永磁性铁氧体。这种铁氧体与1956年该室的G.H.永克尔等人所研究的四种甚高频磁性铁氧体具有类似的六角结构。1956年E.F.贝尔托和F.福拉又报道了亚铁磁性的Y3Fe5O12的研究结果。其中代换离子Y有Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、 Tm、Yb和Lu等稀土离子。由于这类磁性化合物的晶体结构与天然矿物石榴石相同,故将其称之为石榴石结构铁氧体。迄今为止,除了1981年日本杉本光男采用超急冷法制得的非晶结构的铁氧体材料以外,从结晶化学的观点看,均未超出上述三种类型的晶体构造。所做的工作多数是为了适合新的用途而进行改性和深入的研究。

基本分类

按照磁学性质和应用情况的不同,铁氧体可分为:软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁等五种类型。

软磁材料

这类材料在较弱的磁场下,易磁化也易退磁,如锌铬铁氧体和镍锌铁氧体等。软磁铁氧体是当前用途广,品种多,数量大,产值高的一种铁氧体材料。它主要用作各种电感元件,如滤波器磁芯、变压器磁芯、无线电磁芯,以及磁带录音和录像磁头等,也是磁记录元件的关键材料。

永磁铁氧体

一种具有单轴各向异性的六角结构的化合物。主要是钡、锶、铅三种铁氧体及其复合的固溶体。有同性磁和异性磁之分。由于这类铁氧体材料在外界磁化场消失以后,仍能长久地保留着较强的恒定剩磁性质,可以用于对外部空间产生恒稳的磁场。其应用很广泛,例如:在各类电表中、发电机、电话机、扬声器、电视机和微波器件中作为恒磁体使用。

硬磁材料

铁氧体硬磁材料磁化后不易退磁,因此,也称为永磁材料或恒磁材料。如钡铁氧体、钢铁氧体等。它主要用于电信器件中的录音器,拾音器、扬声器,各种仪表的磁芯等。

旋磁材料

磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的稳恒磁场和电磁波磁场的作用下,平面偏振的电磁波在材料内部虽然按一定的方向传播,但其偏振面会不断地绕传播方向旋转的现象。金属、合金材料虽然也具有一定的旋磁性,但由于电阻率低、涡流损耗太大,电磁波不能深入其内部,所以无法利用。因此,铁氧体旋磁材料旋磁性的应用,就成为铁氧体独有的领域。旋磁材料大都与输送微波的波导管或传输线等组成各种微波器件。主要用于雷达、通信、导航、遥测等电子设备中。

矩磁材料

这是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的特点是,当有较小的外磁场作用时,就能使之磁化,并达到饱和,去掉外磁场后,磁性仍然保持与饱和时一样。如镁锰铁氧体,锂锰铁氧体等就是这样。这种铁氧体材料主要用于各种电子计算机的存储器磁芯等方面。

压磁材料

这类材料是指磁化时在磁场方向作机械伸长或缩短的铁氧体材料,如镍锌铁氧体,镍铜铁氧体和镍铬铁氧体等。压磁材料主要用作电磁能与机械能相互转化的换能器,作磁致伸缩元件用于超声。

应用范围

范围

磁性材料的应用很广泛,可用于电声、电信、电表、电机中,还可作记忆元件、微波元件等。可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。下面着重谈磁带上所用的磁性材料和作用原理。

原理

硬磁性材料被磁化以后,还留有剩磁,剩磁的强弱和方向随磁化时磁性的强弱和方向而定。录音磁带是由带基、粘合剂和磁粉层组成。带基一般采用聚碳酸脂或氯乙烯等制成。磁粉是用剩磁强的r-Fe2O3或CrO2细粉。录音时,是把与声音变化相对应的电流,经过放大后,送到录音磁头的线圈内,使磁头铁芯的缝隙中产生集中的磁场。随着线圈电流的变化,磁场的方向和强度也作相应的变化。当磁带匀速地通过磁头缝隙时,磁场就穿过磁带并使它磁化。由于磁带离开磁头后留有相应的剩磁,其极性和强度与原来的声音相对应。磁带不断移动,声音也就不断地被记录在磁带上。
放音时,将已录音的磁带以录音时同样的速度紧贴着放音磁头缝隙进。磁头铁芯是用高导磁率铁氧体软磁材料制成的,它对磁通阻力很小。因此,磁带上所录的音频剩磁通,容易通过磁头铁芯而形成回路。磁带上的剩磁通在放音磁头线圈上感应出一个与剩磁通变化规律相同的感应电动势。再经过放音放大器放大后,送去推动扬声器,磁带上所录下的音频信号便还原成原来的声音。

作用

录像磁带与录音磁带所用的材料及作用原理基本相同,不过录音记录的是代表声音的电信号,而录像记录的是代表景物的电视信号。电视信号中不但有声音信号还有图像信号。录像磁带与录音磁带相比,录像磁带记录的密度很高,因为录像磁带记录波长是微米数量级,为在这波长范围能有充分的灵敏度和信噪比,磁性体粒度必须小,磁性层表面必须平滑。而且磁性层表面的耐磨性必须好,才能在同磁头的高速摩擦以及同磁带的输送系统的固定部分摩擦条件下使用。为此,所使用的粘合剂必须耐热、耐磨。
四、计算机磁性存储设备
应用于计算机磁性存储设备和作为乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡所用的磁性材科及作用原理,同磁带所用的磁性材料及作用原理基本相同,只是用处不同而已。在磁性卡上有一窄条磁带,当你乘地铁从甲站到乙站时,在甲站向仪器中投入从甲站到乙站的票钱(硬币),之后投出一张磁性卡,在投出这张磁性卡的过程中已录上了到乙站下车的磁记录,拿这张磁性卡乘车到乙站后投入到仪器中,门开,出站。如果没在乙站下车,而是在比乙站远的丙站下车,投入的硬币不够,出站门不开。要拿磁性卡补票后才能出站。
在乙站或丙站投入磁性卡的过程,就是磁记录经过磁头变成电信号的过程。再用电信号控制站门开关。
电机的铁芯所用的磁性材料一般用硬磁铁氧体,这些材料的特点是磁化后不易退磁。对磁通的阻力小。

生产工艺

根据铁氧体结晶构造和形态,制备工艺大致分为:多晶铁氧体生产工艺;铁氧体化学工艺;单晶铁氧体制造工艺及其他特种工艺,如铁氧体多晶薄膜和非晶铁氧体等。

多晶铁氧体生产工艺

类似陶瓷工业中常用的烧结过程,包括如下步骤:经固相反应形成铁氧体的金属氧化物或碳酸盐或其他化合物,在混合均匀之后,经球磨、干燥,压成特定的形状。在大约1000°C的温度下进行预烧后,再一次充分研磨和混合。加入适量的粘合剂,压成所要求的形状或者作为塑性物质挤压成管状、棒状或条状。然后在1200~1400°C温度下烧结,准确的温度取决于所需的铁氧体特性。在最后的烧结过程中,炉膛中的环境条件起有重要的作用。

铁氧体化学工艺

亦称湿法工艺,有时还称为化学共沉淀法。专门制备较高性能铁氧体的工艺方法,又可分成中和法和氧化法。其过程是:先将制备铁氧体时所需的金属元素,配制成一定浓度的离子溶液,然后根据配方取适量溶液进行混合,通过中和或氧化等化学反应生成铁氧体粉末,其后工艺过程与前面介绍的相同。

单晶铁氧体制造工艺

与非金属单晶生长大致相同。Mn-Zn和Ni-Zn系铁氧体单晶生长一般是采用布里兹曼法,即把多晶铁氧体放入铂坩埚里熔融后,在适当的温度梯度电炉中使坩埚下降,从坩埚底部慢慢固化生成单晶。为了使熔融状态下形成的氧分压达到平衡,晶体生长时在炉膛内需要加几个乃至100个MPa的氧分压。

铁氧体多晶薄膜的制备

如垂直磁化的钡铁氧体薄膜,采用新型的对向靶溅射装置进行溅射。制备石榴石单晶薄膜,多采用在单晶基板上进行气相或液相外延法,其具体工艺过程同半导体单晶薄膜的外延方法极为相近。

非晶铁氧体的制备

当前是采用超急冷方法和溅射法,所谓超急冷法即把铁氧体原料和适量的类金属元素混合后,在高温熔融状态下,骤然施行大温度梯度的超急冷却的方法。这方面的研究工作刚刚开始,制品的性能还不甚理想。

粉料制备方法

铁氧体粉料的制备就是完成从原料到铁氧体粉料的制造过程,铁氧体粉的制造方法有许多种。
(1)溶胶凝胶法
溶胶凝胶法是金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。溶胶凝胶法是制备材料的湿化学方法中一种常用的方法,广泛应用于制备铁氧体纳米材料。
(2)化学共沉淀法
化学共沉淀法是制备铁氧体的一种常见的方法。它是利用沉淀剂(如OH-、CO32-等)将溶液中的金属离子共同沉淀,经过过滤、洗涤、干燥、灼烧等过程得到产物。
(3)氧化物法
氧化物法制备铁氧体的要点是把原材料混合、加热,通过故态物质间的反应而获得铁氧体粉料。为了有效地促进固相反应而获得均匀的、性质好的铁氧体粉料,除了注意原材料的选择外,还要注意混和、预烧和粉碎条件的确定。氧化物法是大规模工业生产的手段。

性能牌号表

烧结永磁铁氧体磁铁的主要性能牌号参数
牌号Grade
剩磁(Br)
磁感矫顽力(HcB)
内禀矫顽力(HcJ)
最大磁能积(BH)max
mT
KGauss
KA/m
KOe
KA/m
KOe
KJ/m3
MGOe
Y8T
200~235
2.0~2.35
125-160
1.57-2.01
210-280
2.64-3.51
6.5-9.5
0.8-1.2
Y22H
310~360
3.10~3.60
220-250
2.76-3.14
280-320
3.51-4.02
20.0-24.0
2.5-3.0
Y25
360~400
3.60~4.00
135-170
1.70-2.14
140-200
1.76-2.51
22.5-28.0
2.8-3.5
Y26H-1
360~390
3.60~3.90
200-250
2.51-3.14
225-255
2.83-3.20
23.0-28.0
2.9-3.5
Y26H-2
360~380
3.60~3.80
263-288
3.30-3.62
318-350
3.99-4.40
24.0-28.0
3.0-3.5
Y27H
350~380
3.50~3.80
225-240
2.83-3.01
235-260
2.95-3.27
25.0-29.0
3.1-3.6
Y28
370~400
3.70~4.00
175-210
2.20-3.64
180-220
2.26-2.76
26.0-30.0
3.3-3.8
Y28H-1
380~400
3.80~4.00
240-260
3.01-3.27
250-280
3.14-3.52
27.0-30.0
3.4-3.8
Y28H-2
360~380
3.60~3.80
271-295
3.40-3.70
382-405
4.80-5.08
26.0-30.0
3.3-3.8
Y30H-1
380~400
3.80~4.00
230-275
2.89-3.46
235-290
2.95-3.64
27.0-32.5
3.4-4.1
Y30H-2
395~415
3.95~4.15
275-300
3.45-3.77
310-335
3.89-4.20
27.0-32.0
3.4-4.0
Y32
400~420
4.00~4.20
160-190
2.01-2.39
165-195
2.07-2.45
30.0-33.5
3.8-4.2
Y32H-1
400~420
4.00~4.20
190-230
2.39-2.89
230-250
2.89-3.14
31.5-35.0
3.9-4.4
Y32H-2
400~440
4.00~4.40
224-240
2.81-3.01
230-250
2.89-3.14
31.0-34.0
3.9-4.3
Y33
410~430
4.10~4.30
220-250
2.76-3.14
225-255
2.83-3.20
31.5-35.0
3.9-4.4
Y33H
410~430
4.10~4.30
250-270
3.14-3.39
250-275
3.14-3.45
31.5-35.0
3.9-4.4
Y34
420~440
4.20~4.40
200-230
2.51-2.89
205-235
2.57-2.95
32.5-36.0
4.1-4.4
Y35
430~450
4.30~4.50
215-239
2.70-3.00
217-241
2.73-3.03
33.1-38.2
4.1-4.8
Y36
430~450
4.30~4.50
247-271
3.10-3.40
250-274
3.14-3.44
35.1-38.3
4.4-4.8
Y38
440~460
4.40~4.60
285-305
3.58-3.83
294-310
3.69-3.89
36.6-40.6
4.6-5.1
Y40
440~460
4.40~4.60
330-354
4.15-4.45
340-360
4.27-4.52
37.6-41.8
4.7-5.2

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本书从材料科学的角度出发,结合生产实际与科研,积多年的教学与实践成果编写而成。
图书目录
第一章 绪论
第二章 尖晶石型铁氧体
第三章 六角晶系铁氧体
第四章 石榴石型铁氧体
第五章 多晶铁氧体的制备
第六章 铁氧体单晶的制备
第七章 铁氧体薄膜的制备
第八章 永磁铁氧体
第九章 软磁铁氧体
第十章 矩磁铁氧体
第十一章 微波铁氧体
第十二章 磁记录材料
第十三章 磁泡材料
第十四章 压磁铁氧体
第十五章 磁性液体
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