第八章磁性陶瓷

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Fe2O3：当Fe2O3含量在配方中过量中，在高 温下形成少量Fe3O4，有利于提高磁导率， 因此Fe2O3含量一般超过50%。 助熔剂：常用的助熔剂有CuO、P2O5、SiO2、 CuO P SiO Na2CO3等，它们与铁氧体主要成分作用， 在较低温度下熔融，大大加快反应速度， 降低烧结温度，提高密度。
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3、矩磁铁氧体 是指具有矩形磁滞回线、矫顽力较小的铁氧体。 主要应用于电子计算机及自动控制与远程控制设 备中，作为记忆元件（存储器）、逻辑元件、开 关元件、磁放大器的磁光存储器和磁声存储器。 磁芯的存储原理如图7-6。 矩磁铁氧体有几十种，用量最大的是尖晶石型 铁氧体矩磁材料。目前常用以MgMn和LiMn两个 系列为主，其中LiMn铁氧体性能最好。
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2、永磁铁氧体（硬磁铁氧体） 是指具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁 性材料。主要参数有：剩余磁感应强度Br、矫顽强力Hc和 最大磁能积（BH）max，三者愈高，硬磁性材料性能越好。 硬磁铁氧体的化学式为MO-6Fe2O3 (M=Ba2+、Sr2+），具有六方晶系磁性亚铅酸盐型结构，如 钡铁氧体BaFe12O19、锶铁氧体SrFe12O19和 铅铁氧体 PbFe12O19。 它们具有剩余磁通量小、矫顽力大、电阻率大、密度 小、重量轻、温度系数大、制造工艺简单等特点，其性能 见表7-2。 硬磁铁氧体主要用于磁路系统中作永磁材料，以生产 稳恒磁场，如用作扬声器、助听器、录音磁头等各种电声 器件及各种电子仪表控制器件，以及微型电机的磁芯等。
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（1）Mn-Zn铁氧体 Mn-Zn铁氧体是目前各种高µ性能中最好 的一种，占总量的60%以上。 Mn-Zn铁氧体主要由Fe2O3、Mn3O4、 ZnO组成，添加一定的小料如：TiO2、 CaCO3、Nb2O5等，获得优良性能的Mn-Zn 铁氧体。国内外把Mn-Zn铁氧体分为高频低 功耗铁氧体（又称为功率铁氧体）和高磁 导率µi两大类。
（1）磁头材料 是磁头铁芯用的高密度软磁材料，用它做成 记录（写入）或重放（读出）信息的换能器件， 要求有较高的能量转换效率，对磁头材料有以下 具体要求： 1]最大磁导率µm和高的饱和磁化强度Bs，以实现高 效率记录； 2]矫顽力Hc和剩余磁化强度Br要低，以减少磁头的 磁损耗和剩磁，降低剩磁引起的噪声与非线性； 3]电阻率ρ要高，以降低损耗，改善高频记录的频 率响应特性；
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2.磁滞回线：见图7-2 是磁性材料的主要特性。Hc为矫顽力，Hm为最 大磁场，Br称为剩余磁感应强度， Bm称为最大 磁感应强度（饱和磁感应强度）。 3.磁导率µ 磁导率µ是表征磁介质磁化性能的一个物理量。对 铁磁体来说，磁导率很大，且随外加磁性的强度 而变化。磁导率µ越大越好，已成为鉴别磁性材料 性能是否优良的主要指标。
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由磁化过程知,畴壁移动和畴内磁化方向旋转越 容易,磁导率µ 值越大。因此，要获得高磁导率µ 值的磁性材料,必须满足以下条件： 1）不论在哪个晶向上磁化，磁能的变化都不大（磁 晶各向异性小）； 2）磁化方向改变时产生的晶格畴变小（磁致收缩 小）； 3）材质均匀，没有杂质（没有气孔、异相），没有 残余应力。 如果满足以上三个条件，磁导率µ就会很高， 矫顽力Hc就会很小。
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常用的材料有： ①Fe2O3磁粉：是一种具有尖晶石立方晶体结 构，基本特性为：Bm=0.14,Hc=24-32 kA/m，Tc=385℃，并具有好的温度稳定性， 主要用于录音带、录像带和磁带。 ②钡和锶铁氧体：具有较高的矫顽力和磁能 积，抗氧化能力强，成为广泛应用的永磁 材料。
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配方1：NiO 10mol%、ZnO 19mol%、Fe2O3 67.9mol%， CuO 3.1mol%， µ0=850, µm=4300,Tc=150℃,频率范围1~1000kHz。 配方2： NiO 9.1mol%、ZnO 13.8mol%、Fe2O3 75.1mol%， Co2O 3 2.0mol%， µ0=125, µm=400,Tc=350℃,频率范围0.5~10MHz。 配方3： NiO 18.2mol%、ZnO 8.6mol%、Fe2O3 73.1mol%， Co2O 3 1.1mol%， µ0=40, µm=115,Tc=450℃,频率范围10~50MHz。
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（2）Ni-Zn铁氧体 NiZn铁氧体在高频领域中很重要的材料， 由于电阻率高，可用于1~200MHz的频率范 围，要求这种材料有尽可能小的磁损耗及 起始磁导率的温度系数。 主要材料NiO、ZnO、Fe2O3；添加剂为 Li2O、V2O3、CuO等。 其主要用途是生产片式电感。广泛应用 于通讯和抗电磁干扰及电磁兼容设备.
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（3）铁磁体：磁化率是特别大的正数，在某个临界温度Tc 以下，即使没有外磁场，材料中又会出现自发磁化强度； 在高于Tc的温度，它变成顺磁体，其Χ服从居里-外斯定 律：X= μ0C /（T-Tc）。 Χ为1∽105 在铁磁体中，即使不加外磁场，磁矩也同一方向整齐 地排列。 （3）反铁磁体：Χ是很小的正数，为10-3∽10-5。如果磁矩 在一个晶面上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列 方向完全相反且大小一样，便是反铁磁体。 （4）亚铁磁体：若在反铁磁体的磁矩排列中，若磁矩的大 小不相同，没有完全相互抵消时，相减时磁矩不为零，因 此产生自发磁化，这种物质称为亚铁磁体。 Χ为1∽104。
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4、最大磁能积（BH）max 见图7-2和图7-3。 5、损耗系数和品质因数 损耗系数tgδ=R/2ΠfL 品质因数为tgδ/µ，这是表征铁氧体损耗 大小的一个重要参数。
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二、磁性陶瓷材料及其应用 1、软磁铁氧体 软磁铁氧体是目前各种铁氧体中品种最多、应 用最广泛的一种磁性材料。常见的是氧离子和金 属阳离子组成的尖晶石结构的氧化物，通式为 AB2O4，其中A为Mn2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、 Mg2+、Cd2+、Fe2+等，B为Fe3+。 目前，工业化生产的软磁铁氧体材料主要有： 锰锌（MnZn）、镍锌（NiZn）和镁锰锌 （MgMnZn）铁氧体。 常见的软磁铁氧体材料见表7-1。
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4、磁记录材料 磁记录是利用磁头气隙中随信息变化的 磁场将经过气隙的磁记录介质磁化，就把 随时间变化的信息磁场转化为磁记录介质 中按空间变化的强度分布。 磁记录模式分为： 传统的纵向磁记录 新模式：垂直记录和磁光模式 磁记录材料包括磁头材料、磁记录介质和 磁光记录介质三部分。
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配方1：MnO 29.2mol%、ZnO 16.4mol%、 Fe2O3 45.6mol%、MgO 0.8mol%。 配方2： MnO 27mol%、ZnO 21mol%、 Fe2O3 52mol%， µ0=4000 配方3： MnO 25mol%、ZnO 23mol%、 Fe2O3 52mol%， µ0=600 配方4：MnO 24mol%、ZnO 25mol%、 Fe2O3 51mol%， µ0=10000
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（2）磁记录材料 磁记录介质材料是涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于 记录和存储信息的磁性材料。 要求记录介质为矩形好的永磁材料，并具有以下性能： 1]矫顽力Hc要适当高（16~80KA/m），以便有效地存储信息， 抵抗环境干扰，减少剩磁状态的自退磁效应，提高记录密 度； 2]磁滞回线矩形比高即Br/Bm、Hc/Bm要高； 3]饱和磁化强度Bm要高，以获得高的输出信号，提高单位体 积的磁能积； 4]温度稳定性好，老化效应小，以保证在宽温长期条件下稳 定存储； 5]磁层均匀，厚度适宜，记录密度越高，磁层越薄。
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Mn-Zn功率铁氧体主要特点是低损耗、高Bs， 能在高频中使用。主要用于节能灯具、大屏幕液 晶电视背景照明电源的开关化、电冰箱、空调器 的变频化、电视机、录像机等家用电器待源的高 效化。 高µi铁氧体不仅要求有高µi，其值应在10000 以上，还要有高Bs，损耗较低，且要求Tc高，才 能满足通讯、计算机等IT产业的电子整机对各种 器件小型化、微型化的需求。这些器件包括：局 域网（LAN）、宽域网（WAN）等急需的隔离变 压器、场致发光电源变压器、输入滤波器等。
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(3)主要成分和添加剂对性能影响 ZnO:对于NiZn铁氧体，随着ZnO含量增加,磁化强度 M显著上升，磁导率增大。但损耗tgδ将显著增大， Tc显著降低，电阻率虽变化不大，但温度稳定性 较差，所以使用频率越高，ZnO含量应越小。 对于MnZn铁氧体，磁导率又随着ZnO含量的 增加而增高，大约在20~25mol% ZnO时达到最大值。随着ZnO含量再增加，磁导 率反而降低。同时随着ZnO含量的增加，铁氧体 的饱和磁感应强度也增加。
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由于金属和合金磁性材料的电阻率低,损 耗大，因而无法适用于高频。陶瓷质的磁 性材料电阻率高，可以从商用频率到毫米 波范围以多种形态得到应用，而且具有较 高的高频磁导率，这是其他磁性材料难以 比拟的。 磁性陶瓷分为含铁的铁氧体陶瓷材料和 不含铁的磁性陶瓷材料。
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一、磁性陶瓷材料的磁学性质 1.固体的磁性 在宏观上是以物质的磁化率Χ来描写。 磁化率Χ=M/H=μ0M /B0 按照磁化率Χ的数值，固体的磁性可分为五类： （1）抗磁性体：磁化率Χ数值是很小的负数，几乎不随温 度变化，值约为-10-5∽-10-8。这种物质的原子或离子的 电子结构是闭层的，正、反旋转的电子数目相等，不产生 磁矩。 （2）顺磁性体： Χ数值是较小的正数，它随温度T成反比 关系， Χ= μ0C /T，称为居里定律。物质中的原子具有 未成对的电子，若有磁场时，磁矩按照磁场的方向排列， 这种现象称为磁化。
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4]起始磁导率µi要高，以提高重放磁头的灵敏度； 5]磁导率的截止频率fr要高，以利于高频高速记录，提高使用 频率上限； 6]耐磨损、抗剥落、机械加工性好。 磁头材料分为金属磁头材料和铁氧体材料两类。 金属磁头材料主要有坡莫合金（Ni含量为30%~90%的 NiFe合金）、铁铝合金、铁硅铝合金和非晶态钴基合金等， 它们的优点是µm和Bs值高，Hc低，缺点是ρ值和硬度值 低，使用寿命不如铁氧体。 铁氧体磁头材料有烧结的MnZn和NiZn铁氧体，热压的 MnZn和NiZn铁氧体以及单晶MnZn铁氧体等，与金属材料相 比，它们的硬度高、耐磨性好、电阻率高，但Bs低。铁氧 体磁头适合于高 Nhomakorabea下工作。