磁性陶瓷赵杰

1、 磁性陶瓷磁性陶瓷2014.6.4 磁性陶瓷（铁氧体陶瓷）分类磁性陶瓷（铁氧体陶瓷）分类o磁性陶瓷磁性陶瓷(magnetic ceramics)分为含铁分为含铁(ferrite)的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。铁氧铁氧体陶瓷体陶瓷是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。要成分的复合氧化物。o按铁氧体的晶体结构分按铁氧体的晶体结构分：尖晶石型（：尖晶石型（MFe2O4）；）；石榴石型（石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（）；磁铅石型（MFe12O19）（M为铁族元素，为铁族元素，R为稀土元素）。为稀土元素

2、）。o按铁氧体的性质及用途分按铁氧体的性质及用途分：软磁、硬磁、旋磁、矩：软磁、硬磁、旋磁、矩磁、磁泡、磁光、磁记录材料等。磁、磁泡、磁光、磁记录材料等。o按其结晶状态分按其结晶状态分：单晶体和多晶体铁氧体。：单晶体和多晶体铁氧体。o按其外观形态分按其外观形态分：粉末、薄膜和体材等。：粉末、薄膜和体材等。*材料科学与工程学院3铁氧体材料铁氧体材料 软磁软磁 磁记忆磁记忆按按HC大小分大小分 半硬磁半硬磁 磁记录磁记录 硬磁硬磁磁性陶瓷 铁氧体材料*材料科学与工程学院4铁氧体材料发展简况和磁性来源铁氧体材料发展简况和磁性来源 春秋战国时期：春秋战国时期：“磁石召铁磁石召铁”的记载，主要成分的记载

3、，主要成分Fe3O4天然铁氧体天然铁氧体。2020世纪世纪3030年代：年代：开始研究铁氧体。开始研究铁氧体。2020世纪世纪4040年代：年代：软磁铁氧体商品问世。软磁铁氧体商品问世。2020世纪世纪5050年代：年代：铁氧体快速发展的时期。铁氧体快速发展的时期。19521952年：年：磁铅石型硬磁铁氧体研制成功。磁铅石型硬磁铁氧体研制成功。19561956年：年：石榴石型铁氧体研制成功。石榴石型铁氧体研制成功。 磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院5软磁铁氧体软磁铁氧体 在较弱的磁场作用下，很容易被磁化在较弱的磁场作用下，很容易被磁化也容易退磁的一类铁氧体材料。也容易退磁的一类铁氧体材料

4、。典型代表：锰锌铁氧体典型代表：锰锌铁氧体MnMnZnFeZnFe2 2O O4 4 镍锌铁氧体镍锌铁氧体NiNiZnFeZnFe2 2O O4 4 等等磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院6衡量软磁铁氧体性能的几个重要指标衡量软磁铁氧体性能的几个重要指标指标指标1 1 磁导率磁导率；指标指标2 2 损耗因子损耗因子tantan（或（或品质因素品质因素Q Q）；）；指标指标3 3 工作频率范围工作频率范围；指标指标4 4 工作温度范围工作温度范围。还有居里点还有居里点TcTc、电阻率、电阻率等等1. 1. 软磁铁氧体材料的性能软磁铁氧体材料的性能 软磁铁氧体主要作为电感元件的磁芯应用于通讯、

5、广播、电视等领域。用途广，品种多，数量大，产值高 。 磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体*材料科学与工程学院7铁氧体磁铁1. 软磁铁氧体的性能磁性陶瓷 铁氧体材料 软磁铁氧体*材料科学与工程学院8指标指标1 磁导率磁导率 对于磁芯来讲，对于磁芯来讲，要求大些好，因这样可减少满足要求大些好，因这样可减少满足同电感量的线圈体积。同电感量的线圈体积。 可通过提高材料的饱和磁化强度可通过提高材料的饱和磁化强度Ms、降低材料的、降低材料的磁致伸缩常数和材料的各向异性等措施来提高。磁致伸缩常数和材料的各向异性等措施来提高。1. 软磁铁氧体的性能 磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体*材料科学与工程学院9指标指标2 2

6、损耗因子损耗因子tan或品质因数或品质因数Q Q 磁性材料的损耗形式有多种，改善方式也因此而异。希望损耗小些、品质高些。1. 软磁铁氧体的性能 磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体*材料科学与工程学院10指标指标3 3 工作频率范围工作频率范围 工作频率增加，导致工作频率增加，导致和和Q Q都下降。都下降。 对应对应和和Q Q迅速下降的频率称为迅速下降的频率称为应用频率极限应用频率极限； 对应对应下降至一半时的频率为下降至一半时的频率为截至频率。截至频率。指标指标4 4 工作温度范围工作温度范围 随工作温度而变化，导致磁芯工作不稳定。所以随工作温度而变化，导致磁芯工作不稳定。所以希望希望磁导率温度系数

7、磁导率温度系数小。可用控制配方（提高含铁量、小。可用控制配方（提高含铁量、添加添加CoOCoO）、控制烧结工艺、减少内应力等来改善。）、控制烧结工艺、减少内应力等来改善。1. 软磁铁氧体的性能 磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体*材料科学与工程学院112. 2. 软磁铁氧体的制备过程软磁铁氧体的制备过程称量称量混合混合煅烧煅烧喷雾喷雾造粒造粒成型成型烧结烧结机械加工机械加工包装包装配料配料磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体磁性陶瓷压力喷嘴铁氧体造粒铁氧体喷雾干燥调试现场 精密陶瓷专用喷雾造粒干燥机 *材料科学与工程学院13人工喷雾美化自然、降低温度、提高湿度人工喷雾美化自然、降低温度、提高湿度*材料科学与

8、工程学院14软磁软磁铁氧体的制备中的影响因素铁氧体的制备中的影响因素组成组成烧结气氛烧结气氛晶粒大小和气孔晶粒大小和气孔冷却速率冷却速率磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体*材料科学与工程学院15磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体 要利用物质的铁磁性，就得在工艺上要充分保证并提要利用物质的铁磁性，就得在工艺上要充分保证并提高磁性能。几个重要基本特性取决于工艺情况：高磁性能。几个重要基本特性取决于工艺情况：（1 1）饱和磁化强度、饱和磁感应强度取决于物质本身成）饱和磁化强度、饱和磁感应强度取决于物质本身成分和配比；分和配比；（2 2）在成分和配比确定的前提下，磁导率、矫顽力等随）在成分和配比确定的前提下，磁导

9、率、矫顽力等随晶体组织结构而变化。晶体组织结构而变化。*材料科学与工程学院16磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体玻璃成分玻璃成分B2O3BaO+BaO,Fe2O3（Ba铁氧体成分）铁氧体成分）+CoO,TiO2（矫玩力调整）（矫玩力调整）熔融急冷凝固熔融急冷凝固Ba铁氧体薄片铁氧体薄片结晶化结晶化Ba铁氧体磁性粉铁氧体磁性粉*材料科学与工程学院173. 3. 软磁铁氧体的应用软磁铁氧体的应用应用一：最简单的应用应用一：最简单的应用 做成做成变压器铁芯变压器铁芯，根据电磁感应原理，初级线圈，根据电磁感应原理，初级线圈中施以电讯号，则次级线圈中有感生电压、感生电流中施以电讯号，则次级线圈中有感生电压、感

10、生电流产生，从而获得电压升高、降低和稳压的作用。据此产生，从而获得电压升高、降低和稳压的作用。据此可制成各种变压器，如可制成各种变压器，如音频变压器、脉冲变压器、选音频变压器、脉冲变压器、选频倒相变压器频倒相变压器等。等。 磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体主要用于电磁能的转换。主要用于电磁能的转换。*材料科学与工程学院18应用二：应用二： 作为作为电感元件电感元件，电感对于电流的变化具有阻抗作用，电感对于电流的变化具有阻抗作用，当交流电压加到具有铁芯的电感线圈上时，交流电压不当交流电压加到具有铁芯的电感线圈上时，交流电压不断变化，而电抗元件对电流的变化具有滞后性。在每一断变化，而电抗元件对电流的变

11、化具有滞后性。在每一瞬间内把输人的功率变成电磁能储存起来，过一会儿又瞬间内把输人的功率变成电磁能储存起来，过一会儿又把它放出来，变成输出功率。这类应用如把它放出来，变成输出功率。这类应用如电源滤波扼流电源滤波扼流器、谐振回路中的电感、日光灯镇流器器、谐振回路中的电感、日光灯镇流器等。等。 应用三：应用三： 磁记录元件的关键材料，如磁记录元件的关键材料，如天线磁芯、偏转磁芯以天线磁芯、偏转磁芯以及磁带录音磁头、多路通讯等的记录头的磁芯及磁带录音磁头、多路通讯等的记录头的磁芯等。等。 磁性陶瓷铁氧体材料软磁铁氧体3. 应用*材料科学与工程学院19硬磁铁氧体硬磁铁氧体 又称永磁铁氧体或恒磁铁氧体，又

12、称永磁铁氧体或恒磁铁氧体，是一种磁化后不易退磁，能长期保是一种磁化后不易退磁，能长期保持磁性的铁氧体，一般作为持磁性的铁氧体，一般作为恒稳磁恒稳磁场源场源。有三大特征。有三大特征。特征特征剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br较高。较高。 Br是材料经外场磁化达饱和并除去外场后，在闭合磁路中所剩的磁感应强度，正是由于Br的存在，硬磁材料才能在没有外磁场时，对外保持一定的磁场。一般Br为0.30.5T左右。磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院20特征特征矫顽力矫顽力Hc大大 矫顽力Hc即处于饱和磁化状态的磁性材料，将磁场单调减小至零并反向增加，使磁化强度沿饱和磁滞回线减小到零时的磁场强度。它表示材料

13、抵抗退磁的能力。一般为0.10.4T左右。特征特征 最大磁能积（最大磁能积（BH）max高高 磁能积是衡量硬磁材料的一项重要参数，它是指磁滞回线在第象限（退磁曲线）内磁感应强度B和磁场强度H的乘积，在单位体积中储存的磁能与BH乘积成正比。（BH）max越大，单位体积中储存的磁能越大，硬磁材料的性能也越好。一般在800040000Jm3左右。 硬磁铁氧体磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院21提高硬磁铁氧体的矫顽力的三条途径提高硬磁铁氧体的矫顽力的三条途径： 磁畴的成核需要高磁场，如果成核场大于畴壁移动磁畴的成核需要高磁场，如果成核场大于畴壁移动的场，那么就需要一个反向场使磁化反转；的场，那么

14、就需要一个反向场使磁化反转； 形成一些势垒阻止畴壁运动，这些势垒只有高反向形成一些势垒阻止畴壁运动，这些势垒只有高反向场才能克服；场才能克服； 材料中的畴不能形成（即极细的晶粒）。材料中的畴不能形成（即极细的晶粒）。研究表明，当铁氧体的晶粒直径从10m减至1m时，其矫顽力从7957.75Am（100Oe）增至159155Am（2000Oe）。硬磁铁氧体磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院22硬磁铁氧体的主要用途硬磁铁氧体的主要用途： 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。硬磁铁氧体磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院23其他铁氧体其他铁氧体

15、 1. 磁记录材料磁记录材料 主要用于磁带录音机、磁带录像机、电子计算机、主要用于磁带录音机、磁带录像机、电子计算机、磁带存储器、磁印刷、磁全息和磁记录复制用的磁性材磁带存储器、磁印刷、磁全息和磁记录复制用的磁性材料。属料。属软磁铁氧体软磁铁氧体。磁头材料要求有较高的起始磁化率。磁头材料要求有较高的起始磁化率ii和和Bs(Bs(保证高灵敏度保证高灵敏度) )；较低的磁强度；较低的磁强度( (减少噪声和损减少噪声和损耗耗) )；较高的耐磨性、抗剥离性；较高的耐磨性、抗剥离性( (寿命长、耐机械加工寿命长、耐机械加工) )。可以选用热压烧结和控制显微结构来制备各种记录磁头可以选用热压烧结和控制显微

16、结构来制备各种记录磁头材料。材料。 磁性陶瓷铁氧体材料*材料科学与工程学院242. 2. 微波铁氧体微波铁氧体 又称旋磁铁氧体。在高频磁场的作用下，平面偏振的又称旋磁铁氧体。在高频磁场的作用下，平面偏振的电磁波在这种铁氧体中按一定方向传播时，偏振面会不断电磁波在这种铁氧体中按一定方向传播时，偏振面会不断绕传播方向旋转。绕传播方向旋转。 常用常用的微波旋磁铁氧体有的微波旋磁铁氧体有尖晶石型尖晶石型和和石榴石型石榴石型两大类，两大类，前者价格便宜，后者性能优良，此外在毫米波段也可使用前者价格便宜，后者性能优良，此外在毫米波段也可使用六方晶系铁氧体。六方晶系铁氧体。磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体*材料

17、科学与工程学院25 尖晶石铁氧体尖晶石铁氧体主要有主要有MgMg、NiNi、LiLi等铁氧体，通常加等铁氧体，通常加入入AlAl、CrCr以控制饱和磁化强度以控制饱和磁化强度M M；加；加MnMn、CoCo以增大电阻以增大电阻率，加率，加CuCu、BiBi作助熔剂以增加密度。作助熔剂以增加密度。LiLi铁氧体具有高居铁氧体具有高居里温度，低磁致伸缩系数，较大的磁各向异性，窄的铁里温度，低磁致伸缩系数，较大的磁各向异性，窄的铁磁共振线宽以及良好的矩形磁滞回线，价格比石榴石铁磁共振线宽以及良好的矩形磁滞回线，价格比石榴石铁氧体便宜，是制造高功率、低温度系数锁式器件的优良氧体便宜，是制造高功率、低温

18、度系数锁式器件的优良材料。材料。 磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体2. 微波铁氧体*材料科学与工程学院26 石榴石型磁铁氧体石榴石型磁铁氧体目前已可满足微波频段大部分器目前已可满足微波频段大部分器件的需要。其中钇铁石榴石铁氧体（件的需要。其中钇铁石榴石铁氧体（YIG）在微波）在微波3cm波波段作为低功率器件的磁性材料，性能十分优异。为了适段作为低功率器件的磁性材料，性能十分优异。为了适应各频段器件的需要，常以多种离子，如应各频段器件的需要，常以多种离子，如In、Sn、Gd钆钆(g)，Ge、Zr、Ti、Al、Ca、V离子置换离子置换Fe、Y等离子，等离子，以改变饱和磁化强度值，提高温度稳定性。以改变

19、饱和磁化强度值，提高温度稳定性。 常用的石榴石铁氧体有：常用的石榴石铁氧体有：YAl石榴石系、石榴石系、YCaV石榴石系、石榴石系、YGd石榴石系等。石榴石系等。磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体2. 微波铁氧体*材料科学与工程学院273. 3. 矩矩磁铁氧体磁铁氧体 具有矩形磁滞回线，且矫顽力较小。在电子计算机、具有矩形磁滞回线，且矫顽力较小。在电子计算机、自动控制和远程控制等尖端科学技术中，用作记忆、开关自动控制和远程控制等尖端科学技术中，用作记忆、开关元件和逻辑元件、磁放大器、磁光存储器及磁声存储器元件和逻辑元件、磁放大器、磁光存储器及磁声存储器磁磁芯芯等。一般密度高、晶粒均匀、结晶各向异性。

20、等。一般密度高、晶粒均匀、结晶各向异性。 较大的尖晶石型铁氧体都可制成磁特性好的矩磁材料。较大的尖晶石型铁氧体都可制成磁特性好的矩磁材料。常温下的有常温下的有MnMnMgMg系、系、MnMnZnZn系、系、CuCuMnMn系、系、CdCd（镉（镉g g）MnMn系等；系等；磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体*材料科学与工程学院284. 4. 磁泡材料磁泡材料 一种新型磁存储材料。磁泡一种新型磁存储材料。磁泡铁氧铁氧体中的圆形磁畴。可在一些薄膜磁性材体中的圆形磁畴。可在一些薄膜磁性材料中产生。直径料中产生。直径1 1100m100m。这些畴从。这些畴从垂直于膜面的方向上看上去就像是气泡，垂直于膜面的方

21、向上看上去就像是气泡，因此称之磁泡。因此称之磁泡。 直径几微米的磁泡，可用于高密度直径几微米的磁泡，可用于高密度信息记录，且希望用于计算机的高速存信息记录，且希望用于计算机的高速存储器。储器。磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体无磁场作用无磁场作用磁场作用磁场作用*材料科学与工程学院295.5. 磁光材料磁光材料 主要用于制作大型电子计算机的外存储器主要用于制作大型电子计算机的外存储器磁光存储磁光存储器。这种存储器具有很高的存储密度（器。这种存储器具有很高的存储密度（107位位cm2），比），比一般的磁鼓、磁盘存储器要高一般的磁鼓、磁盘存储器要高102103倍。倍。 磁光材料要求具有较好的透光性、一定

22、的磁化强度和磁光材料要求具有较好的透光性、一定的磁化强度和矫顽力、以及合适的转变温度等。除了研究较多的晶态和矫顽力、以及合适的转变温度等。除了研究较多的晶态和非晶态合金薄膜外，铁氧体方面有钇铁石榴石铁氧体单晶、非晶态合金薄膜外，铁氧体方面有钇铁石榴石铁氧体单晶、钇铁石榴石铁氧体薄膜、稀土铕的氧化物钇铁石榴石铁氧体薄膜、稀土铕的氧化物EuO及及Eu的硫属的硫属化合物（化合物（EuX，XO、S、Se、Te）等。）等。磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体*材料科学与工程学院306.6. 压磁铁氧体压磁铁氧体 以磁致伸缩效应为原理的铁氧体。主要应用于超以磁致伸缩效应为原理的铁氧体。主要应用于超声器件、水声器件

23、、机械滤波器、混频器、压力传感声器件、水声器件、机械滤波器、混频器、压力传感器等方面。器等方面。 主要材料有主要材料有NiNiZnZn、NiNiCuCu、NiNiMgMg及及NiNiCoCo铁氧铁氧体等。其中以体等。其中以NiNiZnZn铁氧体应用最广泛。在组成方面，铁氧体应用最广泛。在组成方面，可适当增加可适当增加ZnOZnO或渗入少量或渗入少量CuOCuO代替代替NiONiO作助熔剂。作助熔剂。磁性陶瓷铁氧体材料其他铁氧体*材料科学与工程学院31应用应用磁制冷材料磁制冷材料在等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁从外界吸收热量达到制冷的目的。现代文明社会离不开磁性材料！现代文明社会离不开磁性材料！強力磁鐵,衣服用PVC磁鐵,塑膠用磁鐵*材料科学与工程学院33铁氧体材料新发展铁氧体材料新发展信息存储铁氧体材料信息存