磁性材料 第7章 铁氧体材料.ppt

,西南科技大学材料科学与工程学院,第3章铁氧体磁性材料,第二节尖晶石型铁氧体的晶体结构和基本特性,第三节石榴石型铁氧体的晶体结构和基本特性,第四节六角晶系铁氧体的晶体结构和基本特性,第一节铁氧体磁性材料的概述,第一节铁氧体磁性材料的概述GeneralsofFerriteMagneticMaterials,一、铁氧体磁性材料的发展情况,磁铁矿（Fe3O4）是世界上最早得到应用的一种铁氧体磁性材料；1909年才第一次出现人工合成的铁氧体，1932和1933年，加藤和武井两人研制出Cu-Zn系软磁铁氧体和Co-Fe系永磁铁氧体；二战期间，荷兰菲利普公司系统的研究了各种尖晶石铁氧体，1946年软磁铁氧体商品生产，1950年立方系软磁铁氧体商品化；1952年出现磁铅石型钡铁氧体，19531954年出现矩磁铁氧体，1956年出现石榴石型铁氧体并发现平面型超高频铁氧体；1952年日本冈村敏彦发明了Mn-Zn系铁氧体，并先后在广播、电视和彩色电视偏转、行输出系统得到广泛应用；,我国第一篇Mn-Zn铁氧体材料的试验研究报告由付柏生、白琏如等先生在归国博士胡汉泉指导下于1956年完成，解决了载波频带所用Mn-Zn铁氧体磁芯的制造工艺与技术，全文共75页，直到今天，该报告仍有很强的现实生产指导意义；1959年，我国第一届以铁氧体为主科的磁性材料及器件专业本科大学生在成都电讯工程学院毕业，这批毕业生后来成为了新中国的铁氧体磁性材料发展的骨干,二、铁氧体磁性材料及其特性,铁氧体：是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物；如尖晶石型铁氧体分子式MeFe2O4或MeOFe2O3，其中Me指离子半径与Fe2+相近的二价金属离子（如Mn2+、Zn2+、Co2+等）或平均化合价为二价的多种金属离子组（如Li+0.5Fe3+0.5）；单组分铁氧体，如锰铁氧体、镍铁氧体等和多组分铁氧体（复合铁氧体）如Mn-Zn铁氧体，Ni-Zn铁氧体，Mn-Mg-Zn铁氧体；电特性：其电阻率较大（与金属材料相比），且有较高的介电性能及多铁性材料的发现；磁特性：可视为具有铁磁性的金属氧化物，高频时具有较高的磁导率；,生产工艺与一般陶瓷工艺相似，因此操作方面易于控制；它是高频弱电领域很有发展前途的一种非金属磁性材料；缺点：饱和磁化强度MS较低，一般只有金属合金的1/31/5，说明单位体积材料中储存的磁能较低，无法在较高磁能密度的低频、强电和大功率领域内应用,三、铁氧体磁性材料的分类和应用,1、软磁铁氧体：在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料,是目前各种铁氧体中用途最广、数量最大、品种较多、产值较高的,应用领域：各种电感元件如滤波器磁芯、变压器磁芯以及磁带录音和录象磁头、多路通讯等的记录磁头,结构类型：立方晶系的尖晶石型（应用于音频甚至高频频段1000Hz300MHz）；六角晶系的磁铅石型（用于更高的频段，如吸波材料等）,2、永磁铁氧体：磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的一种铁氧体材料,结构类型：六角晶系的磁铅石型（如典型代表BaFe12O19）,应用领域：电讯器件中的录音器、微音器、电话机以及各种仪表的磁铁，同时在污染处理、医学生物和印刷显示等方面,备注：永磁铁氧体是继Al-Ni-Co系永磁金属材料后的第二种主要永磁材料，且为永磁材料在高频段（如微波器件、其他国防器件）的应用开辟了新的途径,3、旋磁铁氧体（微波铁氧体）：在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，具有平面偏振性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,应用领域：100100000MHz（米波到毫米波），多用于与输送微波的波导管或传输线等组成各种微波器件，如雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备,Mg-Mn铁氧体，Ni-Cu铁氧体，Ni-Zn铁氧体以及钇石榴石铁氧体3Me2O35Fe2O3,4、矩磁铁氧体：具有矩形磁滞回线的铁氧体,应用领域：各种类型电子计算机的存储器磁芯，同时在自动控制、雷达导航、宇宙航行、信息显示等方面也有不少的应用；,代表性铁氧体：Mg-Mn铁氧体，Li-Mn铁氧体等,5、压磁铁氧体：指磁化时能在磁场方向作机械伸长或缩短（磁滞伸缩）的铁氧体材料,代表性铁氧体：Ni-Zn铁氧体，Ni-Cu铁氧体，Ni-Mg铁氧体,应用领域：需要将电磁能和机械能相互转换的超声和水声器件、磁声器件以及电讯器件、水下电视和自动控制器件等方面,备注：压磁铁氧体与压电陶瓷（如BaTiO3）有几乎相似的应用领域，但各自的特点不同，一般认为铁氧体压磁材料只适用于几万Hz的频段内，而压电陶瓷的适用频段却高得多,四、铁氧体的生产工艺,铁氧体材料的生产工艺主要分为2种:将氧化物原料直接球磨混合，经成型和高温烧结制成铁氧体，即所谓的干法。这种方法工艺简单，配方准确，应用较为普遍。但采用氧化物作原料，烧结活性和混合的均性受到限制,制约了产品性能的进一步提高;另一种以化学共沉淀法为主的湿法工艺，此工艺制备的铁氧体粉烧结活性和均匀性好，但是湿法的工艺路线长、条件敏感、稳定性较差。,第二节尖晶石型铁氧体的晶体结构和基本特性CrystalstructureandbasiccharacteristicsofSpinelferrites,一、尖晶石型铁氧体的晶体结构,1、单位晶胞：,面心立方结构，以O2-为骨架构成面心立方，以111轴为密堆积方向，重复按ABC、ABC，其它金属离子在O2-构成的空隙中；,单位晶胞由8个小立方（子晶格）组成；共边的子晶格离子分布相同，而共面的则不同。每个小立方含有4个O2-，则48=32；O2-分布在对角线的1/4、3/4处,而O2-间隙中嵌入A,B离子；由氧离子构成的空隙分两种:4个O2-构成四面体-A位;6个O2-构成八面体-B位；,理论上单位晶胞中有A位64个,B位32个，实际上只有A位8个,B位16个，这为金属离子的扩散提供了条件；单位晶胞含有8个尖晶石铁氧体分子MeFe2O4,2、点阵常数a：单位晶胞的棱边长,理想情况下：,而此时A、B位间隙能容下的离子半径rA0.3，rB0.55：,实际中:a=8.08.9，且a值将随着Me2+半径的增大而稍有增加，,备注:点阵常数a可作为判定物相的一个重要参数,可通过X射线衍射法来测定a值；也可以用a来判断材料中是否有另相出现；点阵常数还可用作求尖晶石铁氧体的理论密度：d=8M/N0a3(M：分子量；N0:阿佛加德罗常数）,氧参数u：描述氧离子真实位置的一个参数，它定义为氧离子与子晶格中一个面的距离，并以点阵常数a为单位表示,在理想的尖晶石结构中，u=3/8=0.375,实际中，由于A位间隙比较小（相对于Me2+半径来说），所以实际氧参量u都比3/8约大一些,3、离子置换的摩尔数比条件（针对多组分铁氧体）：,多元铁氧体：MeFe2O4摩尔数比置换条件:,实际应用中，单组元铁氧体的电磁性能基本不能满足要求，必须用各种金属离子进行置换获得多组元铁氧体；,二、尖晶石型铁氧体中金属离子分布规律,尖晶石型铁氧体中其亚铁磁性产生于A、B位磁性金属离子之间的超交换作用，A、B分布直接影响材料的磁特性；,目前尚无基本理论可以综合、定量的推算出铁氧体晶体中金属离子的分布（即离子分布式），原因在于影响因素太多；但可以从实验研究和生产实践中总结出一些有用的一般规律，以此来估计金属离子的分布，对生产实践具有一定的指导意义，然后再讨论具体的影响金属离子的分布的因素。,尖晶石铁氧体分子式：MeFe2O4离子分布式:(MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4当x=1：(Me)Fe2O4-正尖晶石当x=0：(Fe3+)Me2+Fe3+O4-反型尖晶石当0E,x1/3混乱分布T=0K，若E0，x=0反尖晶石,ETd，|mc|0，特别大;BaM(BaFe12O19)3.3106erg/cm3;SrM(SrFe12O19)3.7106erg/cm3;2.平面型:Y型；Ku10锥面型;Co2Z型材料在T.四面体，八面体占据Fe3+，应不产生强的各向异性;2.六面体占据Fe3+，产生强的各向异性;2、一般