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鐵氧體磁性材料的性質、分類,以及制備工藝分析

2019-12-21 11:52:24 海寧市三林電子有限公司 瀏覽次數 5065

一、鐵氧體磁性材料的性質

        鐵氧體(ferrites)是一種非金屬磁性材料,它是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物(例如:氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等)配制燒結而成。它的相對磁導率可高達幾千,電阻率是金屬的1011倍,渦流損耗小,適合于制作高頻電磁器件。鐵氧體有硬磁、軟磁、矩磁、旋磁和壓磁五類。舊稱鐵淦氧磁物或鐵淦氧,其生產過程和外觀類似陶瓷,因而也稱為磁性瓷。

        鐵氧體是鐵和其他一種或多種適當的金屬元素的復合氧化物,性質屬于半導體,通常作為磁性介質應用,鐵氧體磁性材料與金屬或合金磁性材料之間最重要的區別在于導電性。通常前者的電阻率為102~108Ω·cm,而后者只有10-6~ 10-4Ω·cm。中國最早接觸到的鐵氧體是公元前4世紀發現的天然鐵氧體,即磁鐵礦,中國所發明的指南針就是利用這種天然磁鐵礦制成的。到20世紀30年代無線電技術的發展,迫切地要求高頻損耗小的鐵磁性材料。而四氧化三鐵的電阻率很低,不能滿足這一要求。

        1933年日本東京工業大學首先創制出含鈷鐵氧體的永磁材料,當時被稱為OP磁石。30~40年代,法國、日本、德國、荷蘭等國相繼開展了鐵氧體的研究工作,其中荷蘭菲利浦實驗室物理學家J.L.斯諾克于1935年研究出各種具有優良性能尖晶石結構的含鋅軟磁鐵氧體,于1946年實現工業化生產。

二、鐵氧體磁性材料的分類

        (1)軟磁材料這類材料在較弱的磁場下,易磁化也易退磁,如鋅鉻鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。軟磁鐵氧體是目前用途廣,品種多,數量大,產值高的一種鐵氧體材料。它主要用作各種電感元件,如濾波器磁芯、變壓器磁芯、無線電磁芯,以及磁帶錄音和錄像磁頭等,也是磁記錄元件的關鍵材料。

        (2)永磁鐵氧體一種具有單軸各向異性的六角結構的化合物。主要是鋇、鍶、鉛三種鐵氧體及其復合的固溶體。有同性磁和異性磁之分。由于這類鐵氧體材料在外界磁化場消失以后,仍能長久地保留著較強的恒定剩磁性質,可以用于對外部空間產生恒穩的磁場。其應用很廣泛,例如:在各類電表中、發電機、電話機、揚聲器、電視機和微波器件中作為恒磁體使用。

        (3)硬磁材料鐵氧體硬磁材料磁化后不易退磁,因此,也稱為永磁材料或恒磁材料。如鋇鐵氧體、鋼鐵氧體等。它主要用于電信器件中的錄音器,拾音器、揚聲器,各種儀表的磁芯等。

        (4)旋磁材料磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的穩恒磁場和電磁波磁場的作用下,平面偏振的電磁波在材料內部雖然按一定的方向傳播,但其偏振面會不斷地繞傳播方向旋轉的現象。金屬、合金材料雖然也具有一定的旋磁性,但由于電阻率低、渦流損耗太大,電磁波不能深入其內部,所以無法利用。因此,鐵氧體旋磁材料旋磁性的應用,就成為鐵氧體獨有的領域。旋磁材料大都與輸送微波的波導管或傳輸線等組成各種微波器件。主要用于雷達、通信、導航、遙測等電子設備中。

        (5)矩磁材料這是指具有矩形磁滯回線的鐵氧體材料。它的特點是,當有較小的外磁場作用時,就能使之磁化,并達到飽和,去掉外磁場后,磁性仍然保持與飽和時一樣。如鎂錳鐵氧體,鋰錳鐵氧體等就是這樣。這種鐵氧體材料主要用于各種電子計算機的存儲器磁芯等方面。

        (6)壓磁材料這類材料是指磁化時在磁場方向作機械伸長或縮短的鐵氧體材料,如鎳鋅鐵氧體,鎳銅鐵氧體和鎳鉻鐵氧體等。壓磁材料主要用作電磁能與機械能相互轉化的換能器,作磁致伸縮元件用于超聲。

三、鐵氧體磁性材料的制備工藝

        (1)多晶鐵氧體生產工藝類似陶瓷工業中常用的燒結過程,包括如下步驟:經固相反應形成鐵氧體的金屬氧化物或碳酸鹽或其他化合物,在混合均勻之后,經球磨、干燥,壓成特定的形狀。在大約1000°C的溫度下進行預燒后,再一次充分研磨和混合。加入適量的粘合劑,壓成所要求的形狀或者作為塑性物質擠壓成管狀、棒狀或條狀。然后在1200~1400°C溫度下燒結,準確的溫度取決于所需的鐵氧體特性。在最后的燒結過程中,爐膛中的環境條件起有重要的作用。

        (2)鐵氧體化學工藝亦稱濕法工藝,有時還稱為化學共沉淀法。專門制備較高性能鐵氧體的工藝方法,又可分成中和法和氧化法。其過程是:先將制備鐵氧體時所需的金屬元素,配制成一定濃度的離子溶液,然后根據配方取適量溶液進行混合,通過中和或氧化等化學反應生成鐵氧體粉末,其后工藝過程與前面介紹的相同。

        (3)單晶鐵氧體制造工藝與非金屬單晶生長大致相同。Mn-Zn和Ni-Zn系鐵氧體單晶生長一般是采用布里茲曼法,即把多晶鐵氧體放入鉑坩堝里熔融后,在適當的溫度梯度電爐中使坩堝下降,從坩堝底部慢慢固化生成單晶。為了使熔融狀態下形成的氧分壓達到平衡,晶體生長時在爐膛內需要加幾個乃至100個MPa的氧分壓。

        (4)鐵氧體多晶薄膜的制備如垂直磁化的鋇鐵氧體薄膜,采用新型的對向靶濺射裝置進行濺射。制備石榴石單晶薄膜,多采用在單晶基板上進行氣相或液相外延法,其具體工藝過程同半導體單晶薄膜的外延方法極為相近。

        (5)非晶鐵氧體的制備目前是采用超急冷方法和濺射法,所謂超急冷法即把鐵氧體原料和適量的類金屬元素混合后,在高溫熔融狀態下,驟然施行大溫度梯度的超急冷卻的方法。這方面的研究工作剛剛開始,制品的性能還不甚理想。結束語:鐵氧體磁性材料具備技術性能優良、類型多樣,以及應用廣泛等特點,選擇適當技術工藝開展材料生產和材料的應用工作,能夠獲取較好效果。

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