第八章磁性陶瓷

第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷一、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。第八章磁性陶瓷（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。第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷由磁化过程知,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。第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷二、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。第八章磁性陶瓷（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。第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷配方1：MnO29.2mol%、ZnO16.4mol%、Fe2O345.6mol%、MgO0.8mol%。配方2：MnO27mol%、ZnO21mol%、Fe2O352mol%，µ0=4000配方3：MnO25mol%、ZnO23mol%、Fe2O352mol%，µ0=600配方4：MnO24mol%、ZnO25mol%、Fe2O351mol%，µ0=10000第八章磁性陶瓷（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.第八章磁性陶瓷配方1：NiO10mol%、ZnO19mol%、Fe2O367.9mol%，CuO3.1mol%，µ0=850,µm=4300,Tc=150℃,频率范围1~1000kHz。配方2：NiO9.1mol%、ZnO13.8mol%、Fe2O375.1mol%，Co2O32.0mol%，µ0=125,µm=400,Tc=350℃,频率范围0.5~10MHz。配方3：NiO18.2mol%、ZnO8.6mol%、Fe2O373.1mol%，Co2O31.1mol%，µ0=40,µm=115,Tc=450℃,频率范围10~50MHz。第八章磁性陶瓷(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。第八章磁性陶瓷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、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。第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷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。第八章磁性陶瓷（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；第八章磁性陶瓷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频下工作。第八章磁性陶瓷（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。第八章磁性陶瓷常用的材料有：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=24-32kA/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。