09磁性材料第三部分

实验事实
1.只有50mol%以上Fe2O3,在适当的氧气氛中烧结,室 温和高温下，减落明显.
2.随着Fe2O3增加（>50mol%）, 在普通工艺(含O221%) 烧结，离子空位浓度上升, 减落愈明显.
3.在N2中退火(1200C), 氧化减少, 空位增加,减落增 加。
4..实验证明,在室温以上至f ,减落随温度的变化出 现多峰，峰的位置和高度与材料的成分和空位浓度
四. Me2Z型的磁矩(nB)Z 构成，因此： =(nB)M+(nB)Y=20+(ηB)Y
由M与Y [(nB)Z ]理论
§3-3 六角晶系磁晶各向异性
1.主轴型 >0, 特别大;
M型 k1
BaM(BaFe12O19) 3.3106 erg/cm3; SrM(SrFe12O19) 3.7106 erg/cm3;
2. Fe2O3 =52%；Zn=22%~30%; 余为MnO；高µi材料s, k10 按高 µi的配 方与工艺,可得高 µI 材料。
矛盾：不能同时得到: µ /µi tg/µi ；
涡流； fr尾巴； 后效tgc , tgn ; 5. 非线性失真系数（ tgn不可逆部分/可逆部分）
（二）、磁参数之间的关系与矛盾分析
1. 最佳成分区
2.
① f =100~250oC;
3.
②随Fe2O3高于50%分别出现D/ µi , µi (max), µ /µi tg/µi等
（k10 )高Bs最佳成分区；可知不在同一区各区相互矛盾；
2.平面型:
Y型; k1<0
含Co为一定量的Z型(如CoxZn2-xZ中 x 0.53);
含Co为一定量的W型(如Me2W：
Fe0.5Co0.75Z0.75W);
3. 锥面型: 在 215k以上, k1+2 k2<0平面型; 在215k 以下, k1+2 k2>0锥面型; Co2 Z 型在 T<220K时也为锥面型;
（一）、磁导率的温度稳定性及其影响
因素
一般铁氧体µi T可能出现一个峰
或多个峰;出现峰值原因： µi Ms2/(K1+3/2s•)
µi
µi T复杂函数,一般只有二个峰, 在一峰附近也可能由减落引起一些小峰
Ⅱ
1. Ⅰ峰出现原因:
T1 （T1< Tc）是在居里点附近
原因:k10, Ms0但k1下降的速度比 Ms快;
W
型:BaMe2Fe16O27 BaO • Me0 • 8Fe2O3
二、M型晶体结构及其它型结构
1.六角铁氧体中,Ba2+(Sr2+,Pr2+)取代O2-构成晶体骨 架,其它金属离子(3d)占据O2-(Ba2+)构成的空位;
2.含有Ba2+的氧离子层和相邻的氧离子层构成 ABAB……六角密堆积结构R块;
S
m
R
S*
R*
M型晶体结构（110）面的剖视图
Ba2+
O2-
六面体 四面体 八面体
六面体位置
• 构成单位晶胞的离子数: 1• 每个氧离子层: 41/4+1+41/2 = 4O2-; 2• 单位晶胞含10个O2-层,其中 R块中一个O2-被Ba2+取代,单位 晶胞含38个O2-, 2个Ba2+; 3• 3d金属离子占据情况: R块中:5个八面体,1个六面体, 被12个Fe3+占据; S块中:4个八面体,2个四面体,被 12个Fe3+占据;
第四章 软磁铁氧体的研究与发展
• 从成分上分主要有：
– Mn－ Zn，Ni-Zn系等尖晶石软磁铁氧体 – 平面型六角晶系软磁铁氧体
• 从应用角度讲，它又可分为 – 高磁导率(μi)软磁铁氧体 – 高频大功率软磁铁氧体（又称功率铁氧体） – 抗电磁干扰的（EMI）铁氧休等几类
§4-1 低损耗、高稳定性软磁铁氧体的性能分析
§3-4 六角晶系的离子取代
1.Ba2+的取代:
①Sr2+,Pb2+取代
②适量
的Ca(1.06 )可取代；
③稀土离
子如La3+,Pr3+,Nd3+,Sm3+,Eu3+,Gd3+等也可部
分取代;
2. Fe3+的取代: ①.Al3+,Ga3+,Cr3+取代Fe3+,4Ms，内禀矫顽 力
②二价金属离子(Co2+,Ni2+,Zn2+,Ca2+等)与四价 金属离子（Ti4+,Gz4+, Zr4+）等同时取代Fe3+,用 于磁记录材料;
第三章 六角晶系铁氧体晶体结构、特性
六角晶系铁氧体一般具有很大的磁晶各向异性, k = 3.1～3.5 106 erg/cm3;
主要应用： 铁氧体永磁材料； 特高频软磁(Co2Y,Co2Z)； 毫米波旋磁(M, Z, Y型)； 作磁泡材料,高密度磁记录,如BaCoxTixFe122xO19；
天然磁铅石:Pb(Fe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5)O19 永磁铁氧体:MFe12O19
由1个M和1个S块组成，因此 论 = (nB)M+(nB)s =20+ (nB)s
[(nB)w ]理
三.Me2Y型的磁矩(nB)Y
Me2Y由1
个T块和1个S块组成,如Me2+只占S块,T块中只有一种
金属离子,则T块的nB =0，因此： 论 = (nB)s (为Me2Fe4O8的玻尔磁子数)
[(nB)Y ]理
➢减落机理
减落机理:三角晶场引起感生ku的结果,冻结畴壁使磁 导率降低,处于稳定态；当强磁场磁化或磁中性化（测 减落），离子处于高能态，随时间离子发生:
1.室温附近的短程有序扩散; 2.[B]位上的离子空位与阳离子的定向有序扩散-长
程有序扩散: = (1/9.6fC)•exp(/kT);
➢控制减落的方法
T2
2. Ⅱ峰出现原因:
T2是k1的补偿点(该点k1 0). 3.多峰出现是由于k1的多个补偿点
Ⅰ
T1
T
➢磁晶各向异性k1对µi T特性的影响
1.Co2+补偿: ①CoFe2O4有大的+k1,一般软磁铁 氧体(如MnZn)为 - k1,适当掺入 Co2+使 k1 = 0，出现Ⅱ峰; ②补偿点c随Co2+ 向高温移动 ,因此控制Co2+含量，可以控制两 峰的距离，降低 u；
Co2Y型材料

六角铁氧体磁晶各向异性来源：
1.六角结构型中三种离子空位： 1>.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;
2．一般认为强各向异性主要产生于六角体的Fe3+, 在平面上Fe3+与3个O2-的距离近似为1.3 , 在上
下(C 轴)与2个 O2- 距离远为2.3 ,平面内Fe3+与3 个O2-部分形成共价键,即O2-的价电子部分回到 Fe3+,使Fe3+获得角动量,产生强各向异性； 3．由于Co2+进入八面体，在[100]具有很强的磁各 向异性,Co2+进入八面体使主轴型向平面型转换；
§3-2 六角晶系铁氧体的4Ms
• M、W、X、Z、Y、U型结构,由S,R,T块适当堆砌 而成;
• 离子磁距取向
离子 八面体离子
3↑, 2↓
1↑
T 2↓
4↑, 2↓
六面体离子 S 2↓
四面体 R 4↑
一、M型六角铁氧体分子磁距
RSR*S*
(nB)M=5[(4-2)+(3-2+1)]=20(μB）
二.Me2W型的磁矩(nB)w RSSR*S* S*
Fe2+
总合 c
Tc
基体MnZn
3. Co2+与Fe2+同时补偿:
①Co2+补偿c 以下k1为正，c 以 +k1
②
①
上k1为负；Fe2+相反；
-k1 ③
T
②如Co2+ Fe2+同时补偿,可使k1曲 µ
② ③
线两次过0.出现多峰，可以得到
①
T
宽温曲线.
4.Ti4+(Sn4+)补偿: 由于2Fe3+Ti4++Fe2+ ，结果与Co2+补偿基本一致,Ⅱ
有关。
Q1 =2±0.3ev; Q2 =1±0.15ev; Q3 =0.9±0.15ev
举例：
（MnZn)αFe2+ (1-α-2 γ） Fe3+（2+2γ）O4+r Fe2+浓度:C(Fe2+ ) = (1-α-2 ); 阳离子空位浓度C(口) = (3/4)• 令函数f()代表阳离子空位浓度与浓度乘积: f () = C(口) •C(Fe2+ ) = (3/4)••(1-α-2 ) 因此当离子的浓度和空位浓度配合很好后, f ()最 大，减落最大
➢ 热处理对µi T 的影响
温度影响： 1.高温(11000C12000C)气氛处理 , 调整氧含量, 从而可以调整空位、Fe2+等浓度。使材料结构 均匀化， µi 提高， µi T特性发生变化。 2. 低温(2200C左右，决定于居里温度)热处理 , 由于低能态离子的重新排列，引起感生各 向异性，可使Ⅱ峰向低温移。
✓ 软磁铁氧体的稳定性 ✓ 磁芯参数与有关物理参数的关系 ✓ 配方成分准确性对磁性能的影响
一、 软磁铁氧体的稳定性
高稳定性：磁导率的温度稳定性高，减落要小，随时间的老化 要尽可能小，同时抗潮湿、电磁场、机械负荷电离辐射等的能 力强。 引起的主要变化:
1.材料基本参数(k,) 温度稳定性 u(可逆); 2.离子的扩散及组成分解磁老化(不可逆); 3.离子分布或价态的变化时间稳定性减落(可逆); .
例：要求电感量的稳定性： （L/L) / T =（15030)10-6 如 µ /µi = (0.5 0.1)10-6 µi µe=300 对于超优µ /µi = (0.4 0.1)10-6 µi µe=500
2. µ/µi k~T 2~1峰；
f 随 µi ~ T 2峰与f 距离 ，凹谷范围； 3. 减落系数D / µi; 4. 品质因数tg/ µi
K1
Co2+
+
总合
Tc
c
- 基0体（MnZn）T
2.过量Fe的补偿: ①Fe2+在MnZn中起+k1的作用,基体本
k1
MnZn为- k1, 适当掺入使k1 0，出 + k1 现Ⅱ峰; ②补偿点随Fe2+ 增加，移向低温，因 此控制Fe2O3含量可控制µi两峰的位置 与高度。当含量适当时，在两峰之间 - k1 的温度范围内右出现较平坦的区域， 从而获得低的 u
随着电子设备小型化、轻量化、薄形化和高可靠性的发展，对电子元 件及材料的要求也越来越高。软磁材料除了要求高磁导磁率外，更重 要的是要求其具有低损耗和高稳定性。导致了MnZn超优铁氧体的出现。 如TDK公司的PC50、PC4X系列、西门子公司的N47、N49、N59材料 及TOKIN公司的B40材料。
控制减落主要是控制空位浓度： 1.Fe2+的控制(避开峰出现于T应用f应用),因Fe2+的
减落主要发生在低温； 2.阳离子空位数的控制:
在N2中烧结或在N2中回火; 降低烧结温度；Fe2+Fe3+;
二、磁芯参数与有关物理参数的关系 （一）、参数说明与分析：
1.电感µi µi体积 首要条件:必须保证稳定性;
（二）、磁导率的减落及影响因素
➢减落现象与实验事实
减落现象
1、减落：是指材料在交变磁场中经过磁中性化后，在
未受任何机械和热干扰的情况下，起始磁导磁率随
时间而降低，最后趋于稳定的可逆的时间效应。室
温及高温下的减落主要由空位和离子的有序扩散形
成。 2、减落系数：
d (t1)(t2) (t1)logt2(/t1)
3.不含Ba2+的氧离子层和相邻氧离子层构成ABCABC 面心立方密集 S块;
4.六角密集R块的C轴[0001]方向和 S块的[111]方向 重叠堆垛;
5.由于R块和S块重叠,在含Ba2+的氧离子层产生了一 个三角形双棱锥体------六面体；
6.M型晶体结构: RSR*S*(其中R*、S* 对应R、S的 反演);
§3-1 六角晶 系铁氧体的晶体结构
一、化学组成
M型六角结构铁氧体分子式:AB12O19; A:Ml2+二价金属离子 Ba2+,Sr2+,Ca2+;
B:Ml3+三价金属离子 Fe3+;
M型:BaFe12O19 BaO•6Fe2O3;
Y型:Ba2Me2Fe12O22 2(BaO • MeO •
3Fe2O3)
峰随Ti4+增加，移向高温，且补偿后.起始磁导率温度曲 线平滑。
初步分析，Ti4+进入晶粒,在T烧适当情况下,晶粒不 过份涨大,内部的Ti4+分布呈梯度,导致k1在内部不均匀. 5.在高频NiZn中加入Co2Y等特高频材料
细化、致密晶粒，K随温度变化减小。
➢显微结构对µi T 的影响
显微结构影响： 1.晶粒尺寸, µi, µi T 峰值增高; 2.气孔较多,晶粒过小,等效k, 不仅µi低,µi T Ⅱ峰消失; 3.晶粒均匀性和晶界特性对 µi T影响相当敏感; 4.内部不均匀性,也可利用来改善u . 内部不均匀 失氧,使各处 Fe2+ 不等 补偿点不同 多层 结构 多重补偿 µi T平坦;