磁性材料铁氧体材料解析.pptx
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1、第二节第二节 尖晶石型铁氧体的晶体结构和基本特性尖晶石型铁氧体的晶体结构和基本特性第三节第三节 石榴石型铁氧体的晶体结构和基本特性石榴石型铁氧体的晶体结构和基本特性第四节第四节 六角晶系铁氧体的晶体结构和基本特性六角晶系铁氧体的晶体结构和基本特性第一节第一节 铁氧体磁性材料的概述铁氧体磁性材料的概述第1页/共66页第一节第一节 铁氧体磁性材料的概述铁氧体磁性材料的概述Generals of Ferrite Magnetic Materials第2页/共66页一、铁氧体磁性材料的发展情况一、铁氧体磁性材料的发展情况磁铁矿(磁铁矿(Fe3O4)是世界上最早得到应用的一种铁氧体磁性材料;)是世界上最
2、早得到应用的一种铁氧体磁性材料;1909年才第一次出现人工合成的铁氧体,年才第一次出现人工合成的铁氧体,1932和和1933年,加藤年,加藤和武井两人研制出和武井两人研制出Cu-Zn系软磁铁氧体和系软磁铁氧体和Co-Fe系永磁铁氧体;系永磁铁氧体;二战期间,荷兰菲利普公司系统的研究了各种尖晶石铁氧体,二战期间,荷兰菲利普公司系统的研究了各种尖晶石铁氧体,1946年软磁铁氧体商品生产,年软磁铁氧体商品生产,1950年立方系软磁铁氧体商品化;年立方系软磁铁氧体商品化;1952年出现磁铅石型钡铁氧体,年出现磁铅石型钡铁氧体,19531954年出现年出现矩磁铁氧体矩磁铁氧体,1956年出现年出现石榴石
3、型铁氧体并发现平面型超高频铁氧体石榴石型铁氧体并发现平面型超高频铁氧体;1952年年日本冈村敏彦发明了日本冈村敏彦发明了Mn-Zn系铁氧体系铁氧体,并先后在广播、,并先后在广播、电视和彩色电视偏转、行输出系统得到广泛应用;电视和彩色电视偏转、行输出系统得到广泛应用;第3页/共66页 我国第一篇我国第一篇Mn-Zn铁氧体材料的试验研究报告由付柏生、白琏铁氧体材料的试验研究报告由付柏生、白琏如等先生在归国博士如等先生在归国博士胡汉泉指导胡汉泉指导下于下于1956年完成,解决了年完成,解决了载波频载波频带所用带所用Mn-Zn铁氧体磁芯的制造工艺与技术铁氧体磁芯的制造工艺与技术,全文共,全文共75页,
4、直到页,直到今天,该报告仍有很强的现实生产指导意义;今天,该报告仍有很强的现实生产指导意义;1959年,我国第一届以铁氧体为主科的磁性材料及器件专业本科年,我国第一届以铁氧体为主科的磁性材料及器件专业本科大学生在成都电讯工程学院毕业,这批毕业生后来成为了新中国大学生在成都电讯工程学院毕业,这批毕业生后来成为了新中国的铁氧体磁性材料发展的骨干的铁氧体磁性材料发展的骨干第4页/共66页二、铁氧体磁性材料及其特性二、铁氧体磁性材料及其特性铁氧体:是由铁氧体:是由铁和其他一种或多种金属组成铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物;的复合氧化物;如尖晶石型铁氧体分子式如尖晶石型铁氧体分子式MeFe2O4或
5、或MeOFe2O3,其中,其中Me指离子指离子半径与半径与Fe2+相近的二价金属离子(如相近的二价金属离子(如Mn2+、Zn2+、Co2+等)或平均等)或平均化合价为二价的多种金属离子组(如化合价为二价的多种金属离子组(如Li+0.5Fe3+0.5););单组分单组分铁氧体,如锰铁氧体、镍铁氧体等和铁氧体,如锰铁氧体、镍铁氧体等和多组分多组分铁氧体(铁氧体(复合复合铁氧体铁氧体)如)如Mn-Zn铁氧体,铁氧体,Ni-Zn铁氧体,铁氧体,Mn-Mg-Zn铁氧体;铁氧体;电特性:其电阻率电特性:其电阻率 较大(与金属材料相比),且有较高的介电性较大(与金属材料相比),且有较高的介电性能及多铁性材料
6、的发现;能及多铁性材料的发现;磁特性:可视为具有铁磁性的金属氧化物,高频时具有较高的磁磁特性:可视为具有铁磁性的金属氧化物,高频时具有较高的磁导率;导率;第5页/共66页 生产工艺与一般陶瓷工艺相似,因此操作方面易于控制;生产工艺与一般陶瓷工艺相似,因此操作方面易于控制;它是高频弱电领域很有发展前途的一种非金属磁性材料;它是高频弱电领域很有发展前途的一种非金属磁性材料;缺点:饱和磁化强度缺点:饱和磁化强度MS较低,一般只有金属合金的较低,一般只有金属合金的1/31/5,说明,说明单位体积材料中储存的磁能较低单位体积材料中储存的磁能较低,无法在较高磁能密,无法在较高磁能密度的度的低频、强电和大功
7、率领域低频、强电和大功率领域内应用内应用第6页/共66页三、铁氧体磁性材料的分类和应用三、铁氧体磁性材料的分类和应用1、软磁铁氧体:、软磁铁氧体:在较弱的磁场下,在较弱的磁场下,易磁易磁化也易退磁化也易退磁的一种铁氧体材料的一种铁氧体材料是目前各种铁氧体中用途最广、数是目前各种铁氧体中用途最广、数量最大、品种较多、产值较高的量最大、品种较多、产值较高的应用领域:各种应用领域:各种电感元件电感元件如滤波器磁如滤波器磁芯、变压器磁芯以及磁带录音和录象芯、变压器磁芯以及磁带录音和录象磁头、多路通讯等的记录磁头磁头、多路通讯等的记录磁头结构类型:立方晶系的尖晶石型(应用于音频甚至高频频段结构类型:立方
8、晶系的尖晶石型(应用于音频甚至高频频段1000Hz300MHz);六角晶系的磁铅石型(用于更高的频段,如吸);六角晶系的磁铅石型(用于更高的频段,如吸波材料等)波材料等)第7页/共66页2、永磁铁氧体:、永磁铁氧体:磁化后不易退磁,而能磁化后不易退磁,而能长期保留磁性的一种铁氧体材料长期保留磁性的一种铁氧体材料结构类型:结构类型:六角晶系的磁铅石型六角晶系的磁铅石型(如典(如典型代表型代表BaFe12O19)应用领域:电讯器件中的应用领域:电讯器件中的录音器、微音器、电录音器、微音器、电话机以及各种仪表的磁铁话机以及各种仪表的磁铁,同时在污染处理、,同时在污染处理、医学生物和印刷显示等方面医学
9、生物和印刷显示等方面备注:永磁铁氧体是继备注:永磁铁氧体是继Al-Ni-Co系永磁金属材料后的第二种主要永系永磁金属材料后的第二种主要永磁材料,且为永磁材料在高频段(如微波器件、其他国防器件)的磁材料,且为永磁材料在高频段(如微波器件、其他国防器件)的应用开辟了新的途径应用开辟了新的途径第8页/共66页3、旋磁铁氧体(微波铁氧体):、旋磁铁氧体(微波铁氧体):在两个在两个互相垂直的直流磁场和电磁互相垂直的直流磁场和电磁波磁场波磁场的作用下,具有平面偏振性的电磁波在材料内部按一定方向的作用下,具有平面偏振性的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中,其的传播过程中,其偏振面会不断绕传播方向旋转的偏
10、振面会不断绕传播方向旋转的现象现象应用领域:应用领域:100100000MHz(米波到毫米波米波到毫米波),多用于与输送微),多用于与输送微波的波导管或传输线等组成各种波的波导管或传输线等组成各种微波器件微波器件,如,如雷达、通讯、导航、雷达、通讯、导航、遥测、遥控遥测、遥控等电子设备等电子设备Mg-Mn铁氧体,铁氧体,Ni-Cu铁氧体,铁氧体,Ni-Zn铁铁氧体以及钇石榴石铁氧体以及钇石榴石铁氧体氧体3Me2O35Fe2O3第9页/共66页4、矩磁铁氧体:、矩磁铁氧体:具有矩形磁滞回线的铁氧体具有矩形磁滞回线的铁氧体应用领域:各种类型应用领域:各种类型电子计算机的存储器电子计算机的存储器磁芯
11、磁芯,同时在自动控制、雷达导航、宇宙,同时在自动控制、雷达导航、宇宙航行、信息显示等方面也有不少的应用;航行、信息显示等方面也有不少的应用;代表性铁氧体:代表性铁氧体:Mg-Mn铁氧体,铁氧体,Li-Mn铁铁氧体等氧体等第10页/共66页5、压磁铁氧体:、压磁铁氧体:指磁化时能在磁场方向作机械指磁化时能在磁场方向作机械伸长或缩短(磁滞伸缩)的铁氧体材料伸长或缩短(磁滞伸缩)的铁氧体材料代表性铁氧体:代表性铁氧体:Ni-Zn铁氧体,铁氧体,Ni-Cu铁氧体,铁氧体,Ni-Mg铁氧体铁氧体应用领域:需要将应用领域:需要将电磁能和机械能相互转电磁能和机械能相互转换的超声换的超声和水声器件、磁声器件以
12、及电讯和水声器件、磁声器件以及电讯器件、水下电视和自动控制器件等方面器件、水下电视和自动控制器件等方面备注:压磁铁氧体与压电陶瓷(如备注:压磁铁氧体与压电陶瓷(如BaTiO3)有几乎相似的应用领域,)有几乎相似的应用领域,但各自的特点不同,一般认为铁氧体压磁材料只适用于几万但各自的特点不同,一般认为铁氧体压磁材料只适用于几万Hz的频的频段内,而压电陶瓷的适用频段却高得多段内,而压电陶瓷的适用频段却高得多第11页/共66页第12页/共66页第13页/共66页第14页/共66页四、铁氧体的生产工艺四、铁氧体的生产工艺 铁氧体材料的生产工艺主要分为铁氧体材料的生产工艺主要分为2种种:将氧化物原料直接
13、球磨混合,经成型和高温烧结制成铁氧体,将氧化物原料直接球磨混合,经成型和高温烧结制成铁氧体,即所谓的即所谓的干法干法。这种方法工艺简单,配方准确,应用较为普遍。这种方法工艺简单,配方准确,应用较为普遍。但采用氧化物作原料,烧结活性和混合的均性受到限制但采用氧化物作原料,烧结活性和混合的均性受到限制,制约了制约了产品性能的进一步提高产品性能的进一步提高;另一种以化学共沉淀法为主的另一种以化学共沉淀法为主的湿法工艺湿法工艺,此工艺制备的铁氧体,此工艺制备的铁氧体粉烧结活性和均匀性好,但是湿法的工艺路线长、条件敏感、粉烧结活性和均匀性好,但是湿法的工艺路线长、条件敏感、稳定性较差。稳定性较差。第15
14、页/共66页第二节第二节 尖晶石型铁氧体的晶体尖晶石型铁氧体的晶体结构和基本特性结构和基本特性Crystal structure and basic characteristics of Spinel ferrites第16页/共66页一、尖晶石型铁氧体的晶体结构一、尖晶石型铁氧体的晶体结构1、单位晶胞:、单位晶胞:面心立方结构,以面心立方结构,以O2-为骨架构成面心立方,以为骨架构成面心立方,以 111 轴为密堆积方向,轴为密堆积方向,重复按重复按ABC、ABC,其它金属离子在,其它金属离子在O2-构成的空隙中;构成的空隙中;第17页/共66页单位晶胞由单位晶胞由8个小立方(子晶格)组成;个
15、小立方(子晶格)组成;共边的子晶格离子分布共边的子晶格离子分布相同,而共面的则不同相同,而共面的则不同。每个小立方含有。每个小立方含有4个个O2-,则,则4 8=32;O2-分布在对角线的分布在对角线的1/4、3/4处处,而而O2-间隙中嵌入间隙中嵌入A,B离子离子;由氧离子构成的空隙分两种由氧离子构成的空隙分两种:4个个O2-构成四面体构成四面体-A位位;6个个O2-构成八面体构成八面体-B位;位;理论上单位晶胞中有理论上单位晶胞中有A位位64个个,B位位32个,实际上只有个,实际上只有A位位8个个,B位位16个个,这,这为金属离子的扩散提供了条件;为金属离子的扩散提供了条件;单位晶胞含有单
16、位晶胞含有8个尖晶石铁氧体分个尖晶石铁氧体分子子MeFe2O4第18页/共66页2、点阵常数、点阵常数a:单位晶胞的棱边长单位晶胞的棱边长理想情况下:理想情况下:而此时而此时A、B位间隙能容下的离位间隙能容下的离子半径子半径rA0.3,rB0.55:实际中实际中:a=8.08.9,且且a值将随着值将随着Me2+半径的增大而稍有增加,半径的增大而稍有增加,备注备注:点阵常数点阵常数a可作为判定物相的一个重要参数可作为判定物相的一个重要参数,可通过可通过X射线衍射法射线衍射法来测定来测定 a 值;值;也可以用也可以用a来判断材料中是否有另相出现;来判断材料中是否有另相出现;点阵常数还可用作求尖晶石
17、铁氧体的理论密度:点阵常数还可用作求尖晶石铁氧体的理论密度:d=8M/N0a3(M:分子量;:分子量;N0:阿佛加德罗常数)阿佛加德罗常数)第19页/共66页氧参数氧参数u:描述氧离子真实位置的一个参数,它定义为氧离子与:描述氧离子真实位置的一个参数,它定义为氧离子与子晶格中一个面的距离,并以点阵常数子晶格中一个面的距离,并以点阵常数a为单位表示为单位表示在理想的尖晶石结构在理想的尖晶石结构中,中,u=3/8=0.375实际中,由于实际中,由于A位间隙位间隙比较小(相对于比较小(相对于Me2+半半径来说),所以实际氧径来说),所以实际氧参量参量u都比都比3/8约大一些约大一些第20页/共66页
18、3、离子置换的摩尔数比条件、离子置换的摩尔数比条件(针对多组分铁氧体)(针对多组分铁氧体):多元铁氧体:多元铁氧体:MeFe2O4摩尔数比置换条件摩尔数比置换条件:实际应用中,单组元铁氧体的电磁性能基本不能满足要求,必须用各种金属离子进行置换获得多组元铁氧体;第21页/共66页二、尖晶石型铁氧体中金属离子分布规律二、尖晶石型铁氧体中金属离子分布规律 尖晶石型铁氧体中其尖晶石型铁氧体中其亚铁磁性产生于亚铁磁性产生于A、B位磁性金属离子之间的超交换作用,位磁性金属离子之间的超交换作用,A、B分布直接影响材料的磁特性分布直接影响材料的磁特性;目前尚无基本理论可以综目前尚无基本理论可以综合、定量的推算
19、出铁氧体晶体合、定量的推算出铁氧体晶体中金属离子的分布(即离子分中金属离子的分布(即离子分布式),原因在于影响因素太布式),原因在于影响因素太多;多;但可以从实验研究和生产但可以从实验研究和生产实践中总结出实践中总结出一些有用的一般一些有用的一般规律规律,以此来估计金属离子的,以此来估计金属离子的分布,对生产实践具有一定的分布,对生产实践具有一定的指导意义,然后再讨论具体的指导意义,然后再讨论具体的影响金属离子的分布的因素。影响金属离子的分布的因素。尖晶石铁氧体分子式:尖晶石铁氧体分子式:MeFe2O4 离子分布式离子分布式:(MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 当当x=1:(Me)F
20、e2O4-正尖晶石正尖晶石 当当x=0:(Fe3+)Me2+Fe3+O4-反型尖反型尖晶石晶石 当当 0 x E,x 1/3 混乱分布混乱分布T=0 K,若,若E 0,x=0 反尖晶石反尖晶石,E 0,x=1 正尖晶石正尖晶石第25页/共66页备注:备注:由于离子扩散需要一定的热扰动能,当温度较低时,扩散不能进由于离子扩散需要一定的热扰动能,当温度较低时,扩散不能进行,所以行,所以缓慢冷却到室温的样品比较特殊缓慢冷却到室温的样品比较特殊;此外,金属离子在晶格中的扩散需要一定的扩散时间,否则即使此外,金属离子在晶格中的扩散需要一定的扩散时间,否则即使金属离子具有足够高的激活能也来不及扩散,因此可
21、以金属离子具有足够高的激活能也来不及扩散,因此可以采用不同采用不同的高温淬火和冷却速度的高温淬火和冷却速度来改变铁氧体中离子的分布,从而控制样来改变铁氧体中离子的分布,从而控制样品的电磁特性。品的电磁特性。第26页/共66页三、尖晶石型铁氧体的饱和磁矩与温度特性三、尖晶石型铁氧体的饱和磁矩与温度特性1、自由离子磁矩:自由离子磁矩:自由离子磁矩是由离子的外壳层中自由离子磁矩是由离子的外壳层中未被补偿的电子自旋磁未被补偿的电子自旋磁矩和轨道磁矩合成而得(即未满电子壳层贡献)矩和轨道磁矩合成而得(即未满电子壳层贡献)一般情况:一般情况:总磁距总磁距:自旋磁距:自旋磁距:但是,在实验中发现尖晶石铁氧体
22、但是,在实验中发现尖晶石铁氧体分子中的离子磁距小分子中的离子磁距小于自由离子磁距,而与自旋磁距接近于自由离子磁距,而与自旋磁距接近(轨道角动量冻结)(轨道角动量冻结)第27页/共66页2、晶场对轨道磁矩的淬灭:晶场对轨道磁矩的淬灭:当当3d金属离子位于晶体电场中,晶场对金属离子位于晶体电场中,晶场对角动量角动量 L 全部或部分全部或部分淬灭淬灭,从而导致轨道磁距,从而导致轨道磁距L全部或部分淬灭。全部或部分淬灭。在尖晶石铁氧体中主要考虑两种晶场的淬灭作用:在尖晶石铁氧体中主要考虑两种晶场的淬灭作用:八面体晶场八面体晶场-来源于八面体中的最近邻来源于八面体中的最近邻6个氧离子(具有立方个氧离子(
23、具有立方对称性)对称性)三角对称晶场三角对称晶场-来源于次近邻的来源于次近邻的6个金属离子(围绕个金属离子(围绕111轴且轴且具有三重旋转对称的晶场)具有三重旋转对称的晶场)第28页/共66页3、单组元铁氧体的分子磁矩:单组元铁氧体的分子磁矩:一个分子一个分子MeFe2O4所具有的磁矩数所具有的磁矩数总体原则:弄清楚总体原则:弄清楚A、B位金属离子的分布状况位金属离子的分布状况及其及其离子磁矩大小离子磁矩大小铁氧体铁氧体MeFe2O4离子磁矩离子磁矩饱和磁矩饱和磁矩A位置位置B位置位置计算值计算值实验值实验值Fe3+0.2Mn2+0.8Mn2+0.2Fe3+1.8O41+41+954.65.0
24、Fe3+Fe2+Fe3+O454+544.1Fe3+Co2+Fe3+O453+533.7Fe3+Ni2+Fe3+O452+522.3Fe3+Cu2+Fe3+O451+511.3Fe3+Mg2+Fe3+O450+501.1Fe3+Li+0.5Fe3+1.5O450+7.52.52.52.6第29页/共66页实验值与计算值之间存在差异的原因分析:实验值与计算值之间存在差异的原因分析:计算值并未考虑轨道磁矩的贡献,如计算值并未考虑轨道磁矩的贡献,如CoFe2O4;忽略了热扰动能的作用,如忽略了热扰动能的作用,如MgFe2O4;忽略了成分和离子价态的变动,如忽略了成分和离子价态的变动,如MnFe2O4
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