磁性材料常识之——铁氧体

日期: 2024-07-27 15:07:35|浏览: 68|编号: 83822

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磁性材料常识之——铁氧体

铁氧体磁性材料是一类有着十分广泛的实际应用前景的材料,本文就铁氧体磁性材料的发展、定义、分类、制备工艺及应用等方面进行简单分析,了解铁氧体在工业生产和生活中的应用。

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铁氧体的历史

中国最早接触的铁氧体是天然铁氧体,即磁铁矿(Fe3O4),发现于公元前4世纪,中国发明的指南针就是利用这种天然磁铁矿制成的。

20世纪30年代无线电技术的发展,迫切要求高频损耗较小的铁磁材料,但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,当时称之为OP磁铁。20世纪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。其中,荷兰飞利浦实验室物理学家JL斯诺克于1935年开发出尖晶石结构、性能优异的各种含锌软磁铁氧体,并于1946年实现工业化生产。

1952年JJ文特尔()等人在实验室中研制出以铁氧体为主要成分的永磁铁氧体,这种铁氧体与1956年GH永克尔()等人在实验室中研究的四种甚高频磁性铁氧体十分相似,氧化物具有类似的六方结构。1956年EF贝尔托(Berto)和F.福拉(Fora)报道了亚铁磁性研究的结果,其中置换离子Y包括Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu等稀土离子。

由于该类磁性化合物的晶体结构与天然矿物石榴石相同,故称石榴石结构铁氧体。迄今为止,除1981年日本杉本光雄用超急速冷却法制成非晶态结构铁氧体外,其他材料从晶体化学角度看,尚无一种超越上述三类晶体结构的。所作的工作大多是对其进行改性和进一步研究,以求得新的用途。

铁氧体粉末

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什么是铁氧体?

铁氧体是一种铁磁性金属氧化物,是由三氧化二铁与一种或多种其它金属氧化物(如氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶等)经烧结而成。在电性能方面,铁氧体的电阻率远大于金属和合金磁性材料,还具有较高的介电性能。

铁氧体的磁性能还体现在高频下具有较高的磁导率,因此铁氧体成为高频弱电领域中应用十分广泛的一种非金属磁性材料。但由于饱和磁化强度也较低(通常只有纯铁的1/3~1/5),限制了它在对磁能密度要求较高的低频大功率及大功率领域的应用。

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铁氧体的分类

根据磁性能和用途不同,铁氧体可分为软磁、永磁、回转磁体、力矩磁体和压电磁体五种类型。

软磁材料

该类材料在弱磁场中容易磁化和退磁,如锌铬铁氧体、镍锌铁氧体等。软磁铁氧体是目前应用面广、品种多、数量大、产值高的一种铁氧体材料。主要用作各种电感元件,如滤波器铁芯、变压器铁芯、收音机铁芯以及磁带录音、录像用的磁头等,也是磁记录元件的关键材料。

永磁铁氧体

具有六方结构和单轴各向异性的化合物。主要由钡、锶、铅三种类型的铁氧体及其复合固溶体组成。铁氧体有各向同性和各向异性两种类型。磁化场消失后,仍能长时间保留较强的恒定剩磁性能,可用来在外界空间产生恒定磁场。用途十分广泛,如在各类电表、发电机、电话机、扬声器、电视机和微波装置中用作永久磁铁。

硬磁材料

铁氧体硬磁材料磁化后不易退磁,故又称永磁材料或恒磁材料。如钡铁氧体、钢铁氧体等。主要用于电讯设备中的录音机、拾音器、扬声器、各种仪器的磁芯等。

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作用下,平面极化的电磁波在材料内部虽然按一定的方向传播,但是其极化面会围绕传播方向不断旋转的现象。金属、合金材料虽然也有一定的旋磁性,但是由于它们的电阻率小,涡流损耗过大,电磁波不能深入其内部,所以不能利用。

因此铁氧体旋磁材料的应用已成为铁氧体的一个独特领域,旋磁材料多与波导或传输线组合成各种微波器件,主要用于雷达、通讯、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时,它就能被磁化并达到饱和状态。撤去外磁场后,磁性仍保持饱和状态。镁锰铁氧体、锂锰铁氧体等也是如此。这种铁氧体材料主要用于各种电子计算机的存储器磁芯。

压磁材料

该类材料是指磁化后沿磁场方向产生机械拉伸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,压磁材料主要用于将电磁能、机械能转换成磁致伸缩能的换能器,在超声波中用作磁致伸缩元件。

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铁氧体磁性材料的制备工艺

(一)多晶铁氧体的生产过程与陶瓷工业中常用的烧结工艺相似,包括以下步骤:通过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,混合均匀,然后球磨、干燥、压制成特定形状。在约1000℃的温度下预烧结后,再次充分研磨、混合。加入适量的粘结剂,压制成所需形状或作为塑性材料挤成管、棒或条。然后在1200~1400℃下烧结,确切的温度​​取决于所需的铁氧体性能。在最后的烧结过程中,炉内的环境条件起着重要作用。

(二)铁氧体化学法又称湿法,有时也称化学共沉淀法。专门用于制备高性能铁氧体的工艺方法可分为中和法和氧化法。其工艺过程为:先将制备铁氧体所需的金属元素配制成一定浓度的离子溶液,然后按配方配制适量溶液,通过中和或氧化等化学反应生成铁氧体粉末。后续工艺与上述相同。

(三)单晶铁氧体的制造过程与非金属单晶的生长过程大致相同,Mn-Zn、Ni-Zn铁氧体的单晶生长一般采用法,即将多晶铁氧体置于铂坩埚中熔化后,将坩埚置于具有适当温度梯度的电炉中下降,从坩埚底部缓慢凝固,形成单晶,为了平衡熔融状态下形成的氧分压,几高达的氧分压。

(四)铁氧体多晶薄膜的制备,如垂直磁化钡铁氧体薄膜,多采用新型对向靶溅射装置溅射制备,石榴石单晶薄膜的制备多采用在单晶衬底上气相溅射或液相外延法,其具体过程与半导体单晶薄膜的外延法十分相似。

(五)非晶铁氧体的制备目前采用超急冷法和溅射法,所谓超急冷法就是将铁氧体原料与适量的类金属元素混合,然后在高温熔融状态下突然加热至高温,然后采用梯度超快速冷却法。这方面的研究才刚刚开始,产品的性能还不理想。

铁氧体磁性材料具有技术性能优异、种类多样、应用广泛的特点,选择合适的技术工艺进行材料生产和材料应用可以取得较好的效果。

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铁氧体的应用领域

铁氧体是一种磁性材料,具有磁滞、磁饱和、磁导率等磁特性,因此被广泛应用于电子电路、电感器、磁性材料等方面,此外,铁氧体还具有很强的吸声、导波性能,还可作为光学金属材料应用于太赫兹光谱仪的制备、全息成像等领域,在电子、材料、光学、生物等领域发挥着越来越重要的作用。

其中在能源领域也有重要应用,是驱动电动机和发电机中的重要磁体,广泛应用于电动汽车、风力涡轮机和工业自动化。

以下是铁氧体磁体在汽车电机和变频家电电机中的典型应用。

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