铁氧体是20世纪40年代发展起来的一种新型非金属磁性材料。 由于其制备工艺和外观与陶瓷相似，有时也称为磁性瓷。 铁素体通常是指铁族与一种或多种其他适当金属元素的复合氧化物。 它是一种半导体，用作磁介质。
磁铁矿的主要成分是Fe3O4，是最简单的铁氧体，也是人类最早使用的非金属磁性材料。 我国早在3000多年前就发现了磁铁的相互吸引和磁铁吸铁的磁性现象。 11世纪末，我国发明了指南针，并将其应用于航海。 1
简介：氧化铁与一种或几种其他金属氧化物（如BaO·、MnO·Fe2O3·ZnO·Fe2O3等）组成的复合氧化物称为铁氧体。 铁氧体具有亚铁磁性，是一种强磁性材料，俗称铁氧体磁性材料。 FeO·Fe2O3（Fe3O4）是世界上最简单、使用最早的天然铁氧体磁性材料。 铁氧体磁性材料可分为软磁、硬磁（包括粘结）、旋磁、矩磁和压磁等铁氧体材料。 它们的组成、晶体结构、特性及应用领域如下表所示。 其主要特点是：软磁材料具有高磁导率库、低矫顽力和低损耗； 硬磁材料具有高矫顽力Hc和高磁能积(BH)m； 旋磁材料具有旋磁特性。 即当电磁波沿恒定磁场方向传播时，振动面沿传播方向不断旋转。 旋磁材料主要应用于微波通信器件。 矩磁材料具有矩形B~H磁滞回线，主要用于计算机存储磁芯； 压磁材料具有较大的线性磁致伸缩系数λs。 铁氧体磁性材料广泛应用于计算机、微波通讯、电视、自动控制、航空航天、仪器仪表、医疗、汽车工业等领域。 其中以硬磁和软磁铁氧体材料用量最大。 2
铁磁材料的原理 关于铁氧体材料的铁磁性来源，它并不是像一般金属磁性材料那样由相邻磁性原子之间电子自旋的直接交换形成的，而是由两个磁性离子之间的电子自旋交换形成的。 距离比较远，中间夹着氧离子。 事实上，形成铁磁性的电子自旋交换是由氧离子的存在引起的。 这种类型的交换相互作用在铁磁理论中称为超交换相互作用。 由于超交换的作用，氧离子两侧的磁性离子的磁矩呈相反方向排列，这就是为什么许多金属氧化物的反铁磁性来源于此。 如果相反方向排列的磁矩不相等且存在残余磁矩，则这种磁性称为亚铁磁性，或铁氧体磁性。 由于铁氧体材料中氧离子和磁性离子之间存在许多相对位置，因此它们之间或多或少存在超交换相互作用。 研究表明，当氧离子与金属离子距离较近，且磁性离子与氧离子夹角约为180°时，超交换效应最强。 铁氧体中磁性离子的排列方向主要基于最强的超交换效应。 因此，铁氧体材料的磁性能不仅与晶体结构有关，还与晶体结构中磁性离子的分布有关。 改变铁氧体中磁性离子或非磁性离子的成分，可以改变磁性离子在晶体结构中的分布。 此外，在铁氧体制备过程中，烧结工艺条件也对磁性离子的分布产生影响。 因此，为了掌握铁氧体材料的基本特性，有必要了解各种铁氧体的晶体结构； 金属离子在晶体结构中的分布； 以及如何改变它们的分布。 3
铁氧体磁性材料的分类及应用随着生产的发展，铁氧体磁性材料的用途和品种越来越多。 根据用途，铁氧体可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁五类。
软磁材料软磁材料是指在弱磁场下容易磁化和退磁的铁氧体材料（如下图）。 软磁材料的典型代表是锰锌铁氧体Mn-和镍锌铁氧体Ni-。
软磁铁氧体是各类铁氧体中用途最广、数量最多、品种最多、产值最高的铁氧体材料。 目前，世界上批量生产的品种有数十种，年产量达数万吨以上。
软磁铁氧体主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压器磁芯、天线磁芯、偏转磁芯以及磁带录音和录像磁头、多通道通信等用磁芯。
一般软磁铁氧体的晶体结构为立方尖晶石型，用于音频甚至高频段（1kHz-）。 但六方磁铅石晶体结构软磁材料的应用频率上限比尖晶石型软磁材料高出数倍。
硬磁材料 硬磁材料是相对于软磁材料而言的。 是指磁化后不易退磁、能长期保持磁性的铁氧体材料。 因此，有时也称为永磁材料或恒磁材料（下图）。
硬磁材料的晶体结构多为六方磁铅石型。 其典型代表是钡铁氧体（又称钡恒瓷、钡磁瓷），是一种性能良好、成本低廉、适合工业化生产的铁氧体硬磁材料。
这种材料不仅可以用作录音机、麦克风、拾音器、电话和电信设备中各种仪器的磁铁，而且还被用于污染处理、医学生物学和印刷显示器。
永磁铁氧体材料是继铝镍钻硬磁金属材料之后的第二大硬磁材料。 它的出现不仅节省了大量的镍、莱茵石等战略材料，也为高频段（如电视机）的硬磁材料提供了新的机遇。 机器部件、微波器件和其他防御装置）开辟了新的应用途径。
旋磁材料磁性材料的旋磁是指在两个相互垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，当平面偏振电磁波*在材料内部沿一定方向传播时，其偏振面将继续向周围传播。定向旋转现象（下图），这种具有旋磁特性的材料称为旋磁材料。
在直流磁场和电磁波磁场的作用下，当平面偏振电磁波在材料内部沿一定方向传播时，其偏振面将继续绕传播方向旋转（下图）。 这种具有旋磁特性的材料称为旋磁材料。 金属磁性H材料虽然也具有旋磁性，但由于其电阻率小、涡流损耗大而无法使用。 电磁波不能深入内部，只能进入厚度小于1微米的表皮（也称集肤效应）。 。 因此，旋磁在磁性材料中的应用已成为铁氧体独特的领域。
实际应用旋磁现象的频段为100～100,000 MHz（或米波至毫米波范围内），因此铁氧体旋磁材料也称为微波铁氧体。 常用的微波铁氧体有镁锰铁氧体Mg-、镍铜铁氧体Ni-、镍锌铁氧体Ni-和钇石榴石铁氧体（Me为三价稀土金属离子，如Y3+、Sm3+、Gd3+、Dy3+等）。 ）
大多数旋磁材料是传输微波的波导或传输线，以形成各种微波器件。 它们主要应用于雷达、通信、导航、遥测、遥控等电子设备。 微波器件主要应用于雷达、通信、导航、遥测、遥控等电子设备。
矩磁材料 矩磁材料是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料，如下图所示。 磁滞回线是指外部磁场增大到饱和场强+Hs后，从+Hs到-Hs再回到+Hs的往返变化。 磁性材料的磁感应强度也相应地从+Bs变为-Hs。 Bs再次回到+Bs，经历了闭环曲线。 最常用的矩磁材料包括镁锰铁氧体Mg-和锂锰铁氧体Li-。
这类材料主要用作各类电子计算机的存储核心，在自动控制、雷达导航、空间导航、信息显示等诸多方面也有应用。
尽管新兴存储器种类繁多，但由于铁氧体磁矩磁性材料原材料丰富、工艺简单、性能稳定、成本低廉，磁存储器（特别是磁芯存储器）在计算技术中仍然占据着非常重要的地位。
压磁材料压磁材料是指磁化时能沿磁场方向机械拉伸或缩短（磁致伸缩）的铁氧体材料（下图）。 目前应用最广泛的有镍锌铁氧体Ni-、镍铜铁氧体Ni-、镍镁铁氧体Ni-等。
压磁材料主要应用于超声波和水声器件、磁声器件、电讯器件、水下电视、电子计算机以及电磁能和机械能相互转换的自动控制装置等。
虽然压磁材料和压电陶瓷材料（如钛酸钡等）的应用领域几乎相同，但由于其特性不同，在不同的条件下使用。 一般认为，铁氧体压磁材料仅适用于几万赫兹以内的频段，而压电陶瓷则适用于更高的频段。
铁氧体除上述按用途分类外，按化学成分不同还可分为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、铜锌铁氧体等。 具有相同化学成分（系列）的铁氧体可以有多种用途。 例如，Ni-Zn铁氧体既可以用作软磁材料，也可以用作旋磁或压磁材料，但在配方和工艺上存在差异。 刚刚改变。 4
铁氧体磁性材料的制备铁氧体材料的性能虽然与原材料、配方、成型、烧结四个环节密切相关，但也是铁氧体技术原理的重点研究问题。 但同一种原料配方和工艺制成的铁氧体材料性能却有很大差异。 这主要是由于各个具体工艺环节（如球磨、成型和烧结等）具体质量存在差异。 因此，如何充分发挥各工艺环节的作用，提高质量，是改进铁氧体材料的关键问题。
通常，铁氧体多晶材料采用粉末冶金技术制造。 具体制作流程如下图所示。 近年来，国外铁氧体材料规模化生产技术和装备进一步发展。 日本TDK公司采用从配料到铁氧体材料的封闭式流水线生产方式，净化了生产环境，提高了生产效率，改善了劳动条件，保证了铁氧体材料性能的一致性和稳定性。 这有保证，满足大规模现代工业的要求。 另外，为了获得更高性能的铁氧体材料，常采用化学方法来制备高质量的铁氧体材料。 如酸式盐混合热分解法、化学共沉淀法、喷射燃烧法和电解共沉淀法等。化学法可以克服粉末冶金法固相反应不易完善的缺点粉体混合不均匀，分离不易细化，原料的活性对产品性能影响很大，从而显着提高铁氧体材料的性能。 缺点是成本较高，工艺相对复杂。
随着现代磁记录工业和微波器件的快速发展，铁氧体多晶材料已不能满足要求。 近年来出现了铁氧体单晶的制备工艺，并已达到规模化生产的水平。 例如，布里兹曼法（温度梯度法）可以生长出重达数公斤的锰锌铁氧体单晶，用于生产磁记录技术中使用的磁头。 此外，用于微波器件和磁光器件的石榴石型铁氧体单晶材料也有相当大的需求。 一般用于生长铁氧体单晶的主要工艺方法有温度梯度法、直拉法、水热法、浮区法、熔盐法和火焰熔融法。
由于磁记录技术、磁光技术和微波集成等新技术的快速发展，多晶、单晶、非晶和纳米晶磁性薄膜材料的研究和应用日益受到关注，其制备工艺方法也得到了广泛的应用。磁性薄膜的制备方法也得到了迅速发展，常用的制备方法有液相外延、化学气相沉积、溅射、激光沉积和蒸发等。
最常用的软磁和各向同性硬磁铁氧体材料的制备工艺主要由配料——混合——预烧结——成型——烧结——热处理六个步骤组成。
配料是根据一定的配方（根据过去的实践经验和理论认识确定所需的化学成分和所需的化工原料），计算出各种化工原料的具体用量，并称量得足够准确。 大多数情况下，化工原料是金属氧化物或碳酸盐，少数情况下使用可溶性硝酸盐、硫酸盐或草酸盐。
球磨混合铁氧体制造过程中的破碎过程与其他化学制造过程中的破碎过程相同。 按配方要求称量各种化工原料后，根据原料颗粒大小和粉碎后的尺寸选择不同的材料。 破碎机械。 由于铁氧体的原料一般都是化工原料，其粉末颗粒已经很细，可以直接研磨。 在铁氧体制备过程中，为了提高产品质量，常采用预烧结工艺。 为了完成预烧过程中的固相化学反应，预烧前将坯料压制成坯。 预烧后，坯料已形成铁素体，因此质地很硬。 为此，需要先进行粗碎、中碎后才能进行加工。 精细研磨工艺。 因为在铁氧体制备过程中，粗碎机和中碎机的使用量比细磨过程少。 因此，我们这里主要讨论破碎过程中的细磨过程。 通常用于细磨的机器有滚动球磨机和振动球磨机。
预锻将混合配料在高温炉中加热，促进固相反应，形成具有一定物理性能的多晶铁氧体。 这种类型的多晶铁氧体也称为烧结铁氧体。 这种预烧过程是在材料熔化温度以下，通过固体粉末之间的化学反应完成的固相化学反应。 在固相反应中，一般来说，铁氧体所用的各种固态原料在室温下都比较稳定。 各种金属离子受其性质的限制，只能在原始节点处产生一些极小的热变化。 振动。 然而，随着温度的升高，节点处金属离子热振动的幅度越来越大，导致金属离子远离原来的节点，从一种原料的颗粒移动到另一种原料的颗粒中。原料。 。 形成离子扩散现象。
铁氧体材料经过成型和预锻后生成，通常制成颗粒。 近年来，厂家根据用户或后续工厂的要求，专门生产各种性能的铁氧体颗粒。 成型工艺是将预烧好的颗粒压制成晶体生产所需的各种形状，形成一定的坯体。 成型也是保证产品质量的重要环节。
由于铁氧体产品种类繁多，尺寸不同，成型方法也有很大差异。 一般生产中常用的成型方法有干压、热压铸、等静压等，其中以干压最为常见。
烧结铁氧体材料的烧结温度一般在1000~1400℃左右。 因为铁氧体烧结时周围的气氛对性能影响很大。 如前所述，铁素体形成过程中的固相化学反应不能在还原气氛中进行。 因此，铁氧体材料的烧结通常在硅碳棒加热的电炉（窑）中进行。 对于一些有特殊要求的铁氧体材料，必须在专用炉中烧结。 例如，高导磁率的锰锌铁氧体必须在真空炉中烧结，钇铁石榴石多晶铁氧体必须在真空炉中烧结。 在1400℃以上的炉中烧结。 烧结过程中会发生化学和物理变化。 3
本条目内容的贡献者是：
王培 - 中国科学院工程热物理研究所，副研究员、副研究员