1.铁氧体材料发展及分类

铁氧体中文名称：铁氧体英文名称：ferrite定义：由以三价铁离子作为主要正离子成分的若干种氧化物组成，并呈现亚铁磁性或反铁磁性的材料。

铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。

就电特性来说，铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多，而且还有较高的介电性能。

铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。

因而，铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。

由于铁氧体单位体积中储存的磁能较低，饱合磁化强度也较低（通常只有纯铁的1／3～1／5），因而限制了它在要求较高磁能密度的低频强电和大功率领域的应用。

简介铁氧体（ferrites）是一种非金属磁性材料，它是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物（例如：氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶等）配制烧结而成。

它的相对磁导率可高达几千，电阻率是金属的1011倍，涡流损耗小，适合于制作高频电磁器件。

铁氧体有硬磁、软磁、矩磁、旋磁和压磁五类。

旧称铁淦氧磁物或铁淦氧，其生产过程和外观类似陶瓷，因而也称为磁性瓷。

铁氧体是铁和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物。

性质属于半导体，通常作为磁性介质应用，铁氧体磁性材料与金属或合金磁性材料之间最重要的区别在于导电性。

通常前者的电阻率为102～108Ω·cm，而后者只有10-6～10-4Ω·cm。

发展历史中国最早接触到的铁氧体是公元前 4世纪发现的天然铁氧体，即磁铁矿(Fe3O4),中国所发明的指南针就是利用这种天然磁铁矿制成的。

到20世纪30年代无线电技术的发展，迫切地要求高频损耗小的铁磁性材料。

而四氧化三铁的电阻率很低，不能满足这一要求。

1933年日本东京工业大学首先创制出含钴铁氧体的永磁材料，当时被称为OP磁石。

30～40年代，法国、 日本、德国、荷兰等国相继开展了铁氧体的研究工作，其中荷兰菲利浦实验室物理学家J.L.斯诺克于1935年研究出各种具有优良性能尖晶石结构的含锌软磁铁氧体，于1946年实现工业化生产。

1952年，该室J.J.文特等人曾经研制成了以 BaFe12O19为主要成分的永磁性铁氧体。

这种铁氧体与1956年该室的G.H.永克尔等人所研究的四种甚高频磁性铁氧体具有类似的六角结构。

1956年E.F.贝尔托和 F.福拉又报道了亚铁磁性的Y3Fe5O12的研究结果。

其中代换离子Y有Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、 Tm、Yb和Lu等稀土离子。

由于这类磁性化合物的晶体结构与天然矿物石榴石相同，故将其称之为石榴石结构铁氧体。

迄今为止，除了1981年日本杉本光男采用超急冷法制得的非晶结构的铁氧体材料以外，从结晶化学的观点看，均未超出上述三种类型的晶体构造。

所做的工作多数是为了适合新的用途而进行改性和深入的研究。

分类按照磁学性质和应用情况的不同，铁氧体可分为：软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁等五种类型。

一、软磁材料这类材料在较弱的磁场下，易磁化也易退磁，如锌铬铁氧体和镍锌铁氧体等。

软磁铁氧体是目前用途广，品种多，数量大，产值高的一种铁氧体材料。

它主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压器磁芯、无线电磁芯，以及磁带录音和录像磁头等，也是磁记录元件的关键材料二、永磁铁氧体一种具有单轴各向异性的六角结构的化合物。

主要是钡、锶、铅三种铁氧体及其复合的固溶体。

有同性磁和异性磁之分。

由于这类铁氧体材料在外界磁化场消失以后，仍能长久地保留着较强的恒定剩磁性质，可以用于对外部空间产生恒稳的磁场。

其应用很广泛，例如：在各类电表中、发电机、电话机、扬声器、电视机和微波器件中作为恒磁体使用。

三、硬磁材料铁氧体硬磁材料磁化后不易退磁，因此，也称为永磁材料或恒磁材料。

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。

四、旋磁材料磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的稳恒磁场和电磁波磁场的作用下，平面偏振的电磁波在材料内部虽然按一定的方向传播，但其偏振面会不断地绕传播方向旋转的现象。

金属、合金材料虽然也具有一定的旋磁性，但由于电阻率低、涡流损耗太大，电磁波不能深入其内部，所以无法利用。

因此，铁氧体旋磁材料旋磁性的应用，就成为铁氧体独有的领域。

旋磁材料大都与输送微波的波导管或传输线等组成各种微波器件。

主要用于雷达、通信、导航、遥测等电子设备中。

五、矩磁材料这是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。

它的特点是，当有较小的外磁场作用时，就能使之磁化，并达到饱和，去掉外磁场后，磁性仍然保持与饱和时一样。

如镁锰铁氧体，锂锰铁氧体等就是这样。

这种铁氧体材料主要用于各种电子计算机的存储器磁芯等方面。

六、压磁材料这类材料是指磁化时在磁场方向作机械伸长或缩短的铁氧体材料，如镍锌铁氧体，镍铜铁氧体和镍铬铁氧体等。

压磁材料主要用作电磁能与机械能相互转化的换能器，作磁致伸缩元件用于超声。

生产工艺根据铁氧体结晶构造和形态，制备工艺大致分为：多晶铁氧体生产工艺；铁氧体化学工艺；单晶铁氧体制造工艺及其他特种工艺，如铁氧体多晶薄膜和非晶铁氧体等。

一、多晶铁氧体生产工艺类似陶瓷工业中常用的烧结过程，包括如下步骤：经固相反应形成铁氧体的金属氧化物或碳酸盐或其他化合物，在混合均匀之后，经球磨、干燥，压成特定的形状。

在大约1000°C的温度下进行预烧后，再一次充分研磨和混合。

加入适量的粘合剂，压成所要求的形状或者作为塑性物质挤压成管状、棒状或条状。

然后在1200～1400°C温度下烧结，准确的温度取决于所需的铁氧体特性。

在最后的烧结过程中，炉膛中的环境条件起有重要的作用。

二、铁氧体化学工艺亦称湿法工艺，有时还称为化学共沉淀法。

专门制备较高性能铁氧体的工艺方法，又可分成中和法和氧化法。

其过程是：先将制备铁氧体时所需的金属元素，配制成一定浓度的离子溶液，然后根据配方取适量溶液进行混合，通过中和或氧化等化学反应生成铁氧体粉末，其后工艺过程与前面介绍的相同。

三、单晶铁氧体制造工艺与非金属单晶生长大致相同。

Mn-Zn和Ni-Zn系铁氧体单晶生长一般是采用布里兹曼法，即把多晶铁氧体放入铂坩埚里熔融后，在适当的温度梯度电炉中使坩埚下降，从坩埚底部慢慢固化生成单晶。

为了使熔融状态下形成的氧分压达到平衡，晶体生长时在炉膛内需要加几个乃至100个MPa的氧分压。

四、铁氧体多晶薄膜的制备如垂直磁化的钡铁氧体薄膜，采用新型的对向靶溅射装置进行溅射。

制备石榴石单晶薄膜，多采用在单晶基板上进行气相或液相外延法，其具体工艺过程同半导体单晶薄膜的外延方法极为相近。

五、非晶铁氧体的制备目前是采用超急冷方法和溅射法，所谓超急冷法即把铁氧体原料和适量的类金属元素混合后，在高温熔融状态下，骤然施行大温度梯度的超急冷却的方法。

这方面的研究工作刚刚开始，制品的性能还不甚理想。

软磁铁氧体软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用粉末冶金方法生产。

有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类，其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大，Mn-Zn铁氧体的电阻率低，为1～10 欧姆/米，一般在100kHZ以下的频率使用。

Cu-Zn、Ni-Zn 铁氧体的电阻率为102～104欧姆/米，在100kHz～10 兆赫的无线电频段的损耗小，多用在无线电用天线线圈、无线电中频变压器。

磁芯形状种类丰富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圆形等。

在应用上很方便。

由于软磁铁氧体不使用镍等稀缺材料也能得到高磁导率，粉末冶金方法又适宜于大批量生产，因此成本低，又因为是烧结物硬度大、对应力不敏感，在应用上很方便。

而且磁导率随频率的变化特性稳定，在150kHz以下基本保持不变。

随着软磁铁氧体的出现，磁粉芯的生产大大减少了，很多原来使用磁粉芯的地方均被软磁铁氧体所代替。

国内外铁氧体的生产厂家很多，在此仅以美国的Magnetics公司生产的Mn-Zn铁氧体为例介绍其应用状况。

分为三类基本材料：电信用基本材料、宽带及EMI材料、功率型材料。

电信用铁氧体的磁导率从750～2300, 具有低损耗因子、高品质因素Q、稳定的磁导率随温度/时间关系, 是磁导率在工作中下降最慢的一种，约每10年下降3%～4%。

广泛应用于高Q滤波器、调谐滤波器、负载线圈、阻抗匹配变压器、接近传感器。

宽带铁氧体也就是常说的高导磁率铁氧体，磁导率分别有5000、10000、15000。

其特性为具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗/频率特性。

广泛应用于共模滤波器、饱和电感、电流互感器、漏电保护器、绝缘变压器、信号及脉冲变压器，在宽带变压器和EMI上多用。

功率铁氧体具有高的饱和磁感应强度，为4000～5000Gs。

另外具有低损耗/频率关系和低损耗/温度关系。

也就是说，随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗变化不大。

广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路。

锰锌铁氧体Mn-Zn ferrite软磁铁氧体的一种。

属尖晶石型结构。

由铁、锰、锌的氧化物及其盐类，采用陶瓷工艺制成。

它具有高的起始导磁率。

一般在1千赫至10兆赫的频率范围内使用。

可制作电感器、变压器、滤波器的磁芯、磁头及天线棒。