电子材料：铁氧体磁性材料基础及尖晶石铁氧体

FundamentalsofFerrimagneticMaterials&SpinelFerrites

铁氧体磁性材料基础及尖晶石铁氧体思考如下问题世界上第一个被发现的磁性材料是什么?铁氧体磁性材料有些什么主要的特征?如果铁氧体材料按晶体结构分类,主要有哪几种?请举出几种软磁铁氧体材料?几种硬磁铁氧体材料?复习铁氧体磁学亚磁性的Neel分子场理论Neel将尖晶石结构抽象成两种次晶格：A位离子组成的晶格和B位离子组成的晶格；A和B位之间的相互作用为主要的相互作用，相互作用系数具有相当大的负值；在T=0K时，由于A和B之间的相互作用导致A位的磁矩都相互平行排列，其磁矩为MA；

B位的磁矩也都平行排列，其磁矩为MB，MA和MB取向相反，数量不等。实验观测到的自发磁化强度等于|MA-MB|。设铁氧体的分子为MO.Fe2O3，考虑一般情况，Fe3+在A位和B位都有分布，分布比例为：，且有：

+=1。对于正型尖晶石铁氧体，=0，=1。反型结构==0.5。一般情况Fe3+离子在A和B位都有分布。为了讨论方便，假定M2+是非磁性的，则和分别表示A位和B位上磁性离子所占的份数。

Neel将分子场理论推广到这种不等量的两个次晶格中，由于结构不等量，在A、B两个次晶格系统中，有四种分子场：Haa=aaMa

Hab=abMbHba=baMaHbb=bbMb式中，Haa是A位近邻磁性离子作用于A位上的分子场；Hab是B位近邻磁性离子作用于A位上的分子场;aa是A次晶格内A-A的分子场系数，ab是A、B两次晶格之间A-B的分子场系数。其它定义类似。一般而言，ba=ab，由于A位和B位离子数不等，Hab

Hba;Ma和Mb分别是1克分子磁性离子在A位和B位上的磁矩。在A位和B位上总的分子场分别为：Hamf=

aaMa

-abMb（2）式

Hbmf=-

baMa

+bbMb（2）’式令=

aa/ab,=

bb/ba,,分别是次晶格内部相互作用与次晶格之间相互作用强度之比。又令wab=wba=w,在A位和B位分别有、克分子离子的情况下，（2）式可以转变为：

Hamf=

（Ma

-Mb）

（3）式

Hbmf=

（-Ma

+Mb)

（3）’式若外加一个磁场H0，则A、B位上的有效磁场分别是：

Hamf=H0+

（Ma

-Mb）

（4）式

Hbmf=H0+

（-Ma

+Mb)

（4）’式Ma

和Mb作为热平衡值，它们仍可由顺磁性布里渊函数描写：Ma=Ngs

BBs(ya)(5)Mb=Ngs

BBs(yb)(5)’1克分子铁氧体中A位和B位上的自发磁化强度分别有MA=Ma和MB=Mb,整个铁氧体的总自发磁化强度为：

Ms=MA+MB=

Ma+

Mb

由（3），（4）和（5）式可知，对于铁氧体材料，它的磁化强度与下列因数有关：，，，和T有关。根据分析，Neel得出在不同区域内Ms（T）曲线的形状可有六种类型：P、Q、N、M、V和R型，如下图所示：不常见的另外三种类型的M-T曲线尖晶石结构铁氧体材料为什么称为尖晶石铁氧体？

（与尖晶石MgAl2O4矿石具有相同的晶体结构）通式：MFe2O4,Ｍ通常为二价金属离子，离子半径应在0.06-0.1nm范围内；M通常为:Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mg和Cd,或几种元素相互替换而成；Ｍ或者由几个不同价态的元素组成，但平均价态必须为２，如：Ｌi+和Fe3+组成的Li0.5Fe2.5O4尖晶石晶胞的部分结构示意图尖晶石结构氧离子密堆积中的A，B位置O2-A位金属离子B位金属离子A位四面体B位八面体单位晶胞结构

1、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。2、单位晶胞由8个小立方（子晶格）组成；共边离子分布相同，共面不同。每个小立方含有4个

O2-，则4

8=32；O2-分布在对角线的1/4、3/4处

,并在B离子对面(有B离子的子晶格)靠近A离子的那个位置。O2-间隙中嵌入A,B离子；3、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；八面体间隙大于四面体间隙；4、单位晶胞中有A位64个,B位32个;实有A位8个,B位16个；5、单位晶胞含有8个尖晶石铁氧体分子；推导：A位:由每个小立方顶点O2-和对应相邻三个面心O2-组成，单位晶胞中8

8=64个A位B位：8个小立方中，6个O2-

组成一个B间隙，每条棱边的2个顶点O2-和相邻4个面心O2-形成一个B间隙,因此单位晶胞8

(1+12

1/4）=32个B位A、B位实有数：单位晶胞中有8个离子占据A位，（有四个小立方中心各占1个，即4×1+每个小立方对角顶点占4个8×4/8）;16个占据B位（有四个小立方的体对角线的3/4处个占1个，即4×4），32个O2-；8

(AB2O4）点阵常数a及氧参数u点阵常数:

单位晶胞(8个子晶格)的棱边长;

理论上，对尖晶石结构:点阵常数a=7.5Å,氧离子半径

=1.32Å。实际上，由于进入A、B间隙中的离子半径在0.6-1Å,晶格要发生膨胀，照成尖晶石铁氧体的点阵常数在8.0-8.9Å注:点阵常数的变化可作为判定是否有其它物相的一个重要参数,可通过X射线衍射测a值。

2.氧参数：用于描述氧离子真实位置的一个参数，它定义为O2-离子与子晶格中最远一个面的距离,单位为点阵常数a,用u表示;在理想的f.c.c中，µ=0.375a;尖晶石铁氧体材料性能（T=200C)FerriteJs=

0MsIonMomentTc(0C)LatticePara(nm)Density(103kg/m3)MnFe2O40.5053000.8505.000FeFe2O40.604.15850.8395.24CoFe2O40.533.75200.8385.29NiFe2O40.342.35850.8345.38CuFe2O40.171.34550.8445.42MgFe2O40.141.14400.8364.52LiFe2O40.392.66700.8334.75-Fe2O30.522.35750.8344.89ZnFe2O400--0.845.4CdFe2O400--0.8735.76Whathappenedto-Fe2O3-Fe2O3常用于磁记录上（如磁带），化学表达式可表示为：

1/3Fe8/3O4

Or(1/3Fe2/33+)Fe23+O4,其中为空位．

Note化学表达式中:Fe:O=2:3磁记录材料-Fe2O3尖晶石铁氧体结构按Ｍ占据四面体或八面体间隙来分：8Mn2+16Fe3+5

B5

B8个4面体间隙１６个8面体间隙1.NormalSpinelStructuresMnFe2O4

SpinelFerrite特点：Ｍn占据的是４面体间隙；Fe占据的是８面体间隙所以，Magneticmoment/unitcell

=85B=40BAt0K:Js=0Ms=040

B/(a3)=0.6TeslaLargerthanexper.Data(0.5T),这是因为部分Ｍn2+被氧化成Ｍn3+,或Mn4+.2.InversedSpinelStructureNiFe2O4Fe3+Fe3+2

B5

B8个4面体间隙8个8面体间隙8个8面体间隙Ni2+特点：Ｍ占据的是８面体间隙；部分Fe占据的是４面体间隙所以，Magneticmoment/unitcell

=82B=16BAt0K:Js=0Ms=016

B/(a3)=0.32TeslaNormalZnFe2O48个四面体间隙1６个八面体间隙Ｚn2+Fe3+M=0，ParamagneticState!铁氧体磁结构FeFe2O4

[Fe3+][Fe2+Fe3+]O4ABCoFe2O4[Fe3+][Co2+Fe3+]O4ABNiFe2O4

[Fe3+][Ni2+Fe3+]O4ABFerrite中A和Ｂ的占位Ferrite4面体（Ａ）８面体（Ｂ）Ａ(

B)Ｂ(

B)

Ａ＋Ｂ(

B)Exper.(

B)MnFe2O4Fe0.23+Mn0.82+Mn0.22+Fe0.83+55+554.6FeFe2O4Fe3+Fe2+Fe3+54+544.1-Fe2O3Fe3+1/3Fe5/33+50+8.33.33.2CoFe2O4Fe3+Co2+Fe3+53+533.7NiFe2O4Fe3+Ni2+Fe3+52+522.3CuFe2O4Fe3+Cu2+Fe3+51+511.3MgFe2O4Mg0.12+Fe0.93+Mg0.92+Fe1.13+0+4.50+5.51.01.0Li0.5Fe2O4Fe3+Li0.5+Fe1.53+50+7.52.52.6ZnFe2O4Zn2+Fe3+Fe3+55-5RandomParamagnetic-Fe2O3的磁结构5

Beach6Fe3+10Fe3+5

Beach4面体间隙8面体间隙4/3[Fe2O3]=Fe8/3O4=FeFe5/3O4[Fe3+][

1/3Fe3+5/3]O4

AB单位分子式的磁矩为:=(5/3-1)5B=3.33B-Fe2O3的分子式可表示为:-Fe2O3为inversedferrite,Fe3+

不均匀地分布在A和B的位置CuFe2O45

Beach8Fe3+8Fe3+8Cu2+1

Beach4面体间隙8面体间隙1

Beach5

Beach7Fe3+9Fe3+7Cu2+4面体间隙8面体间隙1

B1Cu2+

理想InversedSpinelState高温退火得到的结构,1个4面体间隙的Fe3+被Cu2+离子替代。MixedNormalandInversedSpinelFerrites（1）Zn2+0

B7Fe3+9Fe3+7Ni2+2

BFe3+Fe3+2

B5

B8个4面体间隙8个8面体间隙8个8面体间隙Ni2+M/unitcell

=82B=16BM/unitcell

=72B+25B=24B纯NiFe2O4搀杂ZnFe2O4Ni-ZnFerrite可见，随着ZnFe2O4加入到NiFe2O4中，M会提高！对Mn-Zn,Co-Zn铁氧体，均发现类似的规律。纯NiFe2O4当ZnFe2O4的添加量达到一定程度，M又会怎样？

M将会下降，因为此时B位中的B-B反铁磁交换作用增强，从而在B位形成反铁磁状态，从而使M下降！MixedNormalandInversedSpinelFerrites（2）5Zn2+0

B3Fe3+9Fe3+7Ni2+2

B(3)M的计算通式当有x部分的M2+被Zn2+替代，则结构通式可表示为：

AB[Fe1-x3+Znx2+][Fe1+x3+M1-x2+]O4从而，单位分子的磁矩可表示为：

=[5(1+x)+n(1-x)-5(1-x)]

B=

[(10-n)x+n]

B其中，n为M2+离子中不成对的电子数

离子置换条件每个MFe2O4分子中有3个金属离子，为了与4个氧离子保持电中性，金属离子价的总和必需为正8价，但当M为3种或3种以上的金属离子组成时：设A，B，C等的离子数为x,y,z;离子价为nA,nB,nC等，则一般表达式为：多元铁氧体：MFe2O4→

AxnABynBCznC-O4正分置换条件:①x+y+z+…=3（阳离子总数,非必要条件）②xnA+ynB+znC=8(电价平衡，必要条件）

3.

离子取代过程可能出现情况：

(1)阳离子总数<3。

例如：r-Fe2O3→Fe8/3O4→Fe8/3Ž1/3O4

(2)阴离子<4，出现缺氧情况。

SpinelFerrite中金属离子的分布规律1.金属离子占位的倾向性：

Zn2+,Cd2+,Mn2+,Fe3+,V5+,Co2+,Fe2+,Cu+1,Mg2+,Li+1,Al3+,Cu2+,Mn3+,Ti4+,Ni2+,Cr3

+

；越在前面的离子占据A位的倾向性越强;越在后面的占据B位的倾向性越强;

2.两种以上金属离子的复合铁氧体，按特喜占位倾向分布；趋势差不多时，按A、B均出现。同时,特喜占A位或B位的金属离子进行置换时,可在很大程度上改变金属离子的原来分布,生成新的铁氧体；3.高温使分布趋于混乱，淬火（从高温急冷）可使混乱状态固定下来。影响金属离子分布的因素影响因素：金属离子的分布取决于自由能量是否最低:F=U–TS,U为内能.(1)内因:内能U(2)外因：烧结温度、烧结气氛等影响内能的因素离子键离子尺寸晶场影响共价键的空间配位性以上各种因素是同时起作用，金属离子到底如何分布，应考虑各种因素的综合结果温度对金属离子分布的影响饱和磁化强度与温度的关系铁氧体不同类型的Ms～T曲线

TMMB0MBMsTMAMA0MM

f

fTMBMBMsMsMAMATMQ型曲线N型曲线P型曲线Question与铁磁材料的Ｍ～Ｔ曲线相比，有什么不同？从Ｍ－Ｔ曲线看，尖晶石的温度稳定性好不好？尖晶石铁氧体的磁晶各向异性立方晶系的Ek表达式上一章已经讲过！磁晶各向异性场的概念：磁晶各向异性的来源按强磁性物质的电子状态，可分为局域电子理论和巡游电子理论。局域电子理论适用于磁性氧化物、稀土金属及化合物中的稀土离子的各向异性。对于铁族金属和合金，由于3d电子具有巡游性质，用巡游电子理论来处理。磁晶各向异性的来源自旋—轨道—晶场之间的耦和作用；晶体的对称性越差，各向异性越大；立方晶系的对称性好，磁晶各向异性小；六角晶系的对称性差，磁晶各向异性大；立方晶系磁晶各向异性的表达式

磁晶各向异性：K影响结果:1.磁畴结构;

2.磁化过程、磁滞回线，Hc,µi等；3.旋磁中△H;4.立方各向异性：对于尖晶石立方铁氧体,一般以K1为主(即K1>>K2);

当K1>0,[100]为易磁化方向;当K1<0,[111]为易磁化方向;当(-4/9)K2<K1<0,[110]为易磁化方向;注:对于尖晶石铁氧体一般K1<02.单轴各向异性:Ek=KuSin2

;3.磁晶各向异性场Hk:.对于立方晶系单元铁氧体的Ｋ1值(x102J/m3)铁氧体290-300KCoFe2O4270066(473K)Fe3O4-1180(130K)MnFe2O4-37.9-221(82K)MgFe2O4-37.5-141(100K)Li0.5Fe2.5O4-83(有序）-127(有序）-90(无序）-162(无序）NiFe2O4-70-106(100K)CuFe2O4-63-206(77K)控制Ｋ的方法Zn2+的加入能降低K1的值Fe2+的含量对K值有很大的影响CoFe2O4具有大的正K1值，而其它单元尖晶石铁氧体的K1值为负值。加入少量的CoFe2O4，可以使得K1=0或为负值。如：CoFe2O4和Fe3O4形成的固溶体x(CoFe2O4)+(1-x)Fe3O4=CoxFe3-xO4后，其K1-T曲线如左图所示。可见：当加入少量的CoFe2O4后，可是Fe3O4的转变点（即K1=0的温度）移向高温。在实际应用中，加入适量的CoFe2O4与NiFe2O4或MnFe2O4等组成固溶体，可使它们的k1值在室温下为0，从而改善它们室温的软磁性能。Co2+对K1的影响控制Ｋ的方法K1的温度特性K1的温度特性尖晶石铁氧体的磁致伸缩概念复习什么是磁致伸缩？Pg.32：等式(1.4.6),(1.4.7),(1.4.8),(1.4.9)磁应力能对磁化过程的影响：（补充知识点）

尖晶石铁氧体的电性能居里点附近发生转折，这是电阻率与自旋有序相关！1/T高温端低温端铁氧体的电特性一、铁氧体的导电特性半导体类型:电阻率

=

exp(E

/kT)

高的原因:（1）金属离子被惰性O2-所隔离,金属之间没有波函

数重叠;（2）虽3d层电子没有填满,但电子基本上处于束缚

状态(不处于导带),不属于整个晶体的自由电子.（3）导电仅在金属离子之间电子和空位移动(中间

隔着O2-)故导电性弱.当T热激发产生一定的自由

电子或空位,才有导电性,但自由电子有限.(Fe3+)[xCo2+,(1-x)Fe2+,Fe3+]O4A位B位在x<1时，由于电子在B位上紧邻的Fe2+和Fe3+离子之间转移，而且不会对结构和离子分布无影响，所需的激活能很低，所以易于导电，从而它的电阻率很低。但随x的增大（即Co2+的增多），最紧邻Fe2+和Fe3+离子对含量减小，电子跳跃发生在次紧邻或更远距离上，电阻率从而增大。电子导电型n型空穴型讨论(1)Fe3O4的

：(1)在各种铁氧体中，Fe3O4的最小，在室温下=7x10-5.m,而一般的铁氧体的约在１～１０９

.m．这是因为在Fe3O4中，B位上具有等量的Fe3+和Fe2+离子，它们在转变温度119Ｋ以上为无序分布，电子在Fe2+和Fe3+间转移对结构和离子分布无影响，所需的激活能很低，因此易于导电．(2)对于多元铁氧体，只要有Fe3O4固溶，就下降；(3)在图中800C,Fe3O4由半导体导电性变成金属导电性;讨论(2)CoxFe3-xO4系列中Fe3O4含量对

的影响(1)0

x

1离子分布为:(Fe3+)[xCo2+,(1-x)Fe2+,Fe3+]O4

当Co2+含量低(即x小)导电性与Fe3O4相近，随x

,Fe3+-Fe2+离子对浓度

,这样电子跃迁将发生在次近邻或更远距离的Fe3+-Fe2+对之间,从而激活能

,

电阻率随x的增加而增加,属于n型导电.（2）当x=1为正分CoFe2O4,电阻率最大;（3）当x>1,出现部分Co2+,出现阳离子空位,P型导电.

P

>

n工艺条件对NiZn铁氧体的影响可知：Fe2+O含量愈少，电阻率愈大，而且高电阻率

与低介电常数是相关联的。为了抑制Fe2+的产生，可采用降低烧结温度、在氧气氛中烧结和氧气氛中慢冷的方法。提高电阻率的方法:使配方缺铁加入微量Mn或Co的氧化物“冲淡”导电机构“中和”导电机构加入少量CuO或V2O5等助熔剂在氧气中烧烧结或在氧气中热处理防止少量低价或高价杂质离子混入小测试什么是

i?请画图表示！请在划出铁氧体几种不同类型的Ms-T曲线。软磁铁氧体材料的特性要求一.概述:1.要求：四高µi、Q、fr、稳定性(用温度系数

u、减落因子DF表示);（具体定义见后面的讨论）

2.特点：容易获得磁性也容易失去,主要用于高f弱场二.分类软磁铁氧体材料二.分类

1.按晶体结构:尖晶石型;平面六角晶系;2.按材料应用性能分：

1>.高磁导率材料(µi=2000--4

104)：低频、宽频带变压器及小型脉冲变压器

2>.低损耗材料：电源磁芯,高功率场合;3>.低损耗高温定性材料:通信滤波器磁芯;4>.高频大磁场材料：空腔谐振器、高功率变压器等

5>.功率铁氧体（高Bs）材料：开关电源及低频功率变压器

6>高密度记录材料：用做录音,录象磁头;7>电波吸收体材料：吸收电磁波能量，广泛应用于抗干扰电子技术尖晶石铁氧体材料的

i-f关系不同的磁化机制下:磁畴转动:畴壁位移:§磁特性参数1.起始磁导率µi

L：电感量（mH）；R：电阻；h、Di、Do：样品高，内径，外径2.磁损耗:品质因素：Q=ωL/R;损耗角正切：tgδ=1/Q=/比损耗系数:tg

/µi=1/µi•Q;越小越好

µi•

Q越高越好.3.温度稳定性:磁导率的温度系数比温度系数：

u/µi（越小越好）说明品质因素Q:Lx

是充有磁芯的电感线圈，R是磁芯损耗和线圈损耗总和的等效电阻。高频磁导率的测量

阻抗分析法测试夹具：单匝线圈（电流为I）B的环路中无磁性材料部分

=0

r可见，只有获得L和Lss数值，就可测量磁性材料的磁导率通过变换求解磁环高频性能的等效电路：高频下，采用阻抗分析仪来获得磁性材料的电感L和LssZsm:空载时测试电路的阻抗空载时夹具的理想阻抗Zres:残余阻抗(测试误差）；Zcomp=ZDUT–Zss;Z*m–Z*sm=ZDUTZ*m=安上磁环时的阻抗；Z*sm=空载测量时的阻抗；磁导率的减落请见Pg.46的说明；减落D：D=（

1-2）/1,其中1,2

为给定时间间隔开始和结束时的相对磁导率的值；减落系数d:减落因子DF：请参见Page47页的定义磁老化定义：随时间的增长，磁性能不断下降，若这种变化是由材料结构的变化而引起的不可逆变化，称为磁老化。

1，2分别称为老化前后测得的磁导率。采用人工老化办法可使磁性材料在应用时的稳定性提高：采用高低温循环加热或高温加热（100-200C）24小时以上加速老化，使不稳定因素在使用前消除掉，从而提高稳定性。4.减落:反映材料随时间的稳定性、可逆过程；5.磁老化：为不可逆的过程；6.截止频率fr:由于畴壁或自然共振,迅速下降致所对应的频率点,衡量材料应用频率的上限.f§软磁铁氧体的磁导率一、起始磁导率的理论概述:

微观机理:可逆畴转，可逆畴壁位移

µi

µi

转+µi位对于一般烧结铁氧体：

1.如内部气孔较多,密度低,壁移难,µi转为主;2.如晶粒大,气孔少,密度高,以壁移为主.磁化的难易程度决定于磁化动力(MsH)与阻滞之比,比值高则易

磁化;反之难磁化.(详细请见Pg49,表1.7.1)

理论上提高磁导率的条件:1.必要条件：

1>.Ms要高(

Ms2);2>.k1,

s

0;2.充分条件:1>.原料杂质少,

;2>.密度要提高(P

),即材料晶粒尺寸要大(D

);3>.结构要均匀(晶界阻滞

);4>.消除内应力

s•σ;5>.气孔

,另相

二、提高µi的方法（一）.提高材料的Ms尖晶石铁氧体Ms=|MB

-MA|1.选高Ms的单元铁氧体如:MnFe2O4(4.6--5µB);NiFe2O4(2.3µB)2.加入Zn,使MAs降低另外:CoFe2O4(3.7µB)

磁晶各向异性

Fe3O4(4µB)

电阻率低,K也较大

Li0.5Fe2.5O4(2.5µB)

烧结性差,10000C,Li挥发(二).降低

k1和

s1.选L=0的单元铁氧体;MnFe2O4,Li0.5Fe2.5O4,MgFe2O42.选择L被淬灭;NiFe2O4,CuFe2O43.离子取代降低k1,

s1>.加入Zn2+,冲淡磁性离子的磁各向异性2>.加入Co2+:一般铁氧体k1<0,Co2+的k1>0,正负k补偿；3>.引入Fe2+,Fe2+在MnZn表现为正k,可正负补偿调整k;4>.加入Ti4+,2Fe3+

Fe2++Ti4+;5>高磁导率的成分范围(三).显微结构：

1.结晶状态:晶粒大小、完整性、均匀性；

2.晶界状态:厚薄、气孔、另相；

3.晶粒内气孔,另相:大小、多少和分布；高µ材料:大晶粒,晶粒均匀完整,晶界薄,无气孔和另相(四).内应力对µ的影响(内应力的来源）

1>.有磁化过程中的磁致伸缩引起，它与

s成正比；

2>.烧结后冷却速度太快，晶格应变和离子、空位分布不均匀而产生畸变；（采用低温退火处理）

3>.由气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀等引起的应力，与原材料纯度和工艺有关。（控制材料的纯度和工艺）

综上所述

1.原材料：纯度高、活性好、杂质少,对MnZn材料而言粒度最好在0.15～0.25µm范围内。特别注意半径较的大杂质混入；2.配方除满足高Ms，更重要是满足k1

0,

s

0；一般当要求µi在5000以下时,可以加入必要的添加剂如CaO,TiO2,LaO,CuO,Bi2O3,B2O3,BaO,V2O5,ZrO2等，以改善损耗特性及其它性能；3.保证获得高密度及优良显微结构，造成磁化过程

以壁移为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结

法是获得稳定优良性能必不可少的条件；4.采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性能，促使均匀化，消除内应力，调节离子、空位的稳

定分布状态。§软磁铁氧体的磁谱一、软磁铁氧体磁谱及形状

磁谱：软磁材料在弱交变磁场中，复磁导率µr=µr'-µr"随频率变化的曲线fµr'µr"µ1234一般软磁铁氧体材料的磁谱铁氧体磁谱分区1.低频(f<104Hz):复磁导率µr

大,µr

小,损耗小,磁导率随频率变化不大;2.中频(f=104

106Hz):与低频相似，可能出现尺寸共振和磁力共振;µr

下降，µr

出现峰值；3.高频(f=106

1010Hz)：畴壁共振和自然共振;大晶粒发生畴壁共振,小晶粒发生自然共振;一般来说先发生畴壁共振,后发生自然共振；µr

急剧下

降，µr

迅速增加

4.极高频(f>1010Hz)交换区几种磁性材料的fr和使用频率MnZn铁氧体的磁谱NiZn铁氧体的磁谱二、影响磁谱的因素与提高截止频率方法影响磁谱的因素1.畴壁共振：

m

有效质量；：劲度系数（P56）

：为畴壁在其能谷中离开最低能量的平衡位置时所受到的回复力大小的量度，是一个结构灵敏常数--Rado公式磁豫型磁谱；共振型磁谱；如下页所示请参考(pg.57)自然共振

定义：在外加交变磁场，且无外加恒磁场的前提下，磁性材料在磁晶各向异性场和磁畴结构产生的退磁场联合作用下所产生的铁磁共振现象：

1>.单畴:

r=

•Hk

2>.多畴:γ•Hk<

r<γ•(Hk+Ms);对立方晶系，当磁化机制为畴转时

(

i-1)fr=(1/3π)γMs--snoek公式;(重点）

为旋磁比，等于0.22MHzA-1m。提高fr的方法1.降低ZnO含量→

i

，fr

（pg.58-59)2.选k1较高的材料为高频材料；f

1MHz,以MnZn为主;f>1MHz,以NiZn为主;f>100MHz,以平面六角结构材料为主;3.加入磁晶各向异性很强的离子Co2+（请见下页所示)

1>.冻结畴壁的移动,提高了畴壁位移的劲度

，从而提高畴壁共振频率；

2>.形成Co2Y相,增大材料的磁晶各向异性;(Fig.1.8.9)4.加入低熔点物质PbO,CuO

掺入低熔点物质，可使T烧降低150～200C;提高密度,细化晶粒,磁化过程主要以畴转为主,在MnZn,NiZn中都可以运用;5.降低烧结温度,细化晶粒;

形成多孔细晶粒结构:利用形状各向异性,退磁场作用

(气孔),在NiZn中普遍采用；(如下页所示)6.

热压成高密度细晶粒材料，使畴壁减小至单畴。

(如下页所示)7.应用时:①对k1<0(s<0)材料加张力;k1>0(s>0)压力;②开气隙,使µe,高频Q值上升，从而提高应用频率;③加直流偏磁场(固定畴壁);不同气孔率对NiFe2O4

磁谱的影响§软磁铁氧体的损耗一、.概述 产生原因:软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗,即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散.Legg公式剩余损耗涡流损耗系数磁滞损耗系数剩余损耗系数总的比损耗系数磁损耗分类

非共振区（损耗较小）:1>.涡流损耗;2>.磁滞损耗;3>.剩余损耗;

共振区（损耗较大）:4>.尺寸损耗;5>.畴壁损耗;6>.自然共振涡流损耗涡流损耗：由于电磁感应引起涡流而产生。一般铁氧体

很高时,可忽略涡流损耗;对高

材料，由于Fe2+含量较高，（

=10-2～10m），涡流损耗较大。

降低涡流损耗的有效方法是:提高

(晶粒内部的

,晶界的

)样品厚度电阻率比涡流损耗StopHere!

2008,4,7铁氧体的电阻率常用软磁铁氧体的电阻率

(10–1010m)，比金属软磁（10-6m）高很多。铁氧体的电阻率随温度上升是按指数规律因此涡流损耗是随温度增大而增大的。

1.晶粒内部:

①防止Fe2+出现,如配方中Fe2O3>50mol%则在还原气氛下烧结;主要在高频NiZn要防止Fe2+

产生,则在氧气氛下烧结;②采用缺铁配方,Fe2O3<50mol%,P型导电>n型导电;③加入适量的Mn2+,Co2+,抑制Fe2+;

原因:Mn2+,Co2+的电子扩散激活能高于Fe2+,使得

即使存在部分Fe2+也使

.Mn2+,Co2+在高温烧结中具有比Ni对氧的亲和力还要强,由二价

三价,而低温还原性强由三价

二价；④降低T烧,因Fe2+随T烧

而

(高温时O2少);2.提高晶界的(主要对MnZn)①对于高µ材料,只能选择添加剂;二次球磨加入:CaOSiO2、V2O5SiO2、BaO

SiO2;如SiO2量偏高,不能再加,否则将引起异常晶粒生长;

②加入Nb2O3、TaO、PbO、LaO、CuO可降低T烧,促进晶粒细化,晶界增多,提高电阻率;③加入TiO2,即使Fe2+限制在Ti4+附近,防止

Fe2+＝Fe3++e导电机构形成;④烧结后热处理使晶粒表面吸氧:Fe2+Fe3+

(3000C以上)磁滞损耗磁滞损耗：是指软磁材料在交变场中存在不可逆磁化而形成磁滞回线，所引起材料损耗，大小正比于回线面积.原因:不可逆的壁移,使B落后于H.降低损耗的方法:1>.低场下,防止不可逆磁化过程产生,降低损耗与提高µi的方法一致;但同时应注意防止不可逆壁移的出现

2>.高场下,使不可逆磁化过程尽快完成,减少磁滞回线面积.磁滞损耗的表达式：其中;b=dµi/dH(b为瑞利系数)1.如b不变,在相同的Bm条件下,µi,但当µi,往往仍可使b。2.如µi不变,使b即减少不可逆壁移所占比例，。因此使晶粒尺寸,并使k10,使磁化以可逆壁移、畴转为主。（如叵明伐效应冻结壁，不可逆壁移难于发生）磁滞损耗系数

从上面看出,降磁滞损耗方法：（一）在低场作用下：1.tgn与

µi

一致,即要使可逆磁化为主:2.但随µi

不可逆磁化易产生,即b,故须采用µi

与不一致的方法:晶粒较小,均匀,完整;晶界相对较厚,气孔少。举例：在MnZn中,如用Ti4+取代部分Fe3+，Ti4+取代使k10；可降低T烧,，晶粒生长较小，气孔率低;

在NiZn中加入Co(少量)形成Ku(单轴各向异性);产生叵明法效应:等导型;蜂腰型(在弱场下）；（二）在强场作用下:加速不可逆磁化的发生(在小H发生)要Hc小,µi,使磁滞回线面积:①配方原则:k1→0,

s→

0原料要求纯,活性好,与µ