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鐵氧體所屬現代詞,指的是一種非金屬磁性材料,又叫鐵淦氧。

1 鐵氧體 -簡介

鐵氧體鐵氧體

鐵氧體(ferrites)是一種非金屬磁性材料,又叫鐵淦氧。它是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物(例如:氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等)配製燒結而成。它的相對磁導率可高達幾千,電阻率是金屬的1011倍,渦流損耗小,適合於製作高頻電磁器件。鐵氧體有硬磁、軟磁、矩磁、旋磁和壓磁五類。

舊稱鐵淦氧磁物或鐵淦氧,其生產過程和外觀類似陶瓷,因而也稱為磁性瓷。鐵氧體是鐵和其他一種或多種適當的金屬元素的複合氧化物。性質屬於半導體,通常作為磁性介質應用,鐵氧體磁性材料與金屬或合金磁性材料之間最重要的區別在於導電性。通常前者的電阻率為102~108Ω·cm,而後者只有10-6~10-4Ω·cm。 

許多鐵氧體具有AB2O4的尖晶石晶體結構。A和B代表各種金屬陽離子。一般都包含鐵。以ZnFe2O4分子式的磁性材料為例;Fe3+佔據八面體以及四面體的一半。其餘的四面體被Zn2+佔據。在鐵氧體的一個分子中,A-A離子是鐵磁偶合;而A-B離子是反鐵磁偶合,鐵磁和反鐵磁偶合的磁矩相互抵消,剩餘的就是這個分子的磁矩。所以,鐵氧體的磁性稱為亞鐵磁性。它與鐵磁體的磁性不同;鐵磁體內每個原子都有剩餘自旋,它們在交換作用下相互平行,沒有相互抵消;故鐵磁體的自發磁化強度一般都比亞鐵磁體的高。>詞語字典>>鐵氧體">[1]

2 鐵氧體 -歷史沿革

中國最早接觸到的鐵氧體是公元前4世紀發現的天然鐵氧體,即磁鐵礦(Fe3O4),中國所發明的指南針就是利用這種天然磁鐵礦製成的。

到20世紀30年代無線電技術的發展,迫切地要求高頻損耗小的鐵磁性材料。而四氧化三鐵的電阻率很低,不能滿足這一要求。

1933年日本東京工業大學首先創製出含鈷鐵氧體的永磁材料,當時被稱為OP磁石。

30~40年代,法國、 日本、 德國、荷蘭等國相繼開展了鐵氧體的研究工作,其中荷蘭菲利浦實驗室物理學家J.L.斯諾克於1935年研究出各種具有優良性能尖晶石結構的含鋅軟磁鐵氧體,於1946年實現工業化生產。

1952年,該室J.J.文特等人曾經研製成了以 BaFe12O19為主要成分的永磁性鐵氧體。這種鐵氧體與1956年該室的G.H.永克爾等人所研究的四種甚高頻磁性鐵氧體具有類似的六角結構。

1956年E.F.貝爾托和F.福拉又報道了亞鐵磁性的Y3Fe5O12的研究結果。其中代換離子Y有Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、 Tm、Yb和Lu等稀土離子。由於這類磁性化合物的晶體結構與天然礦物石榴石相同,故將其稱之為石榴石結構鐵氧體。

迄今(2011年)為止,除了1981年日本杉本光男採用超急冷法製得的非晶結構的鐵氧體材料以外,從結晶化學的觀點看,均未超出上述三種類型的晶體構造。所做的工作多數是為了適合新的用途而進行改性和深入的研究。

3 鐵氧體 -分類

鐵氧體鐵氧體磁鐵
 按照磁學性質和應用情況的不同,鐵氧體可分為:軟磁、永磁、旋磁、矩磁、壓磁等五種類型。
  
軟磁鐵氧體
一種比較成熟的材料品種,產量大,應用範圍廣,是其他鐵氧體材料無法比擬的。同金屬軟磁材料相比,軟磁鐵氧體具有較高的電阻率。因此,在高頻範圍使用時,渦流損耗小。從而使軟磁鐵氧體材料在高頻弱電技術中,佔有得天獨厚的地位。主要用於收音機、電視機、錄像機、通信機、電子計算機、微波器件、磁致伸縮諧振子、磁泡存貯器、感溫敏感元件、海洋環境監測、磁生物醫學等領域。主要品種有Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mn-Mg系、Cu-Zn系、Li-Zn系、Ni-Cu-Zn系、CO2Z系、YIG系等。
  
永磁鐵氧體
一種具有單軸各向異性的六角結構的化合物。主要是鋇、鍶、鉛三種鐵氧體及其複合的固溶體。有同性磁和異性磁之分。由於這類鐵氧體材料在外界磁化場消失以後,仍能長久地保留著較強的恆定剩磁性質,可以用於對外部空間產生恆穩的磁場。其應用很廣泛,例如:在各類電錶中、發電機、電話機、揚聲器、電視機和微波器件中作為恆磁體使用。
  
旋磁鐵氧體
鐵磁介質中的磁化矢量永遠不是完全靜止的,它不斷地繞磁場方向運動。這一運動狀態在超高頻電磁場的作用下就產生所謂旋轉性的現象。具有這種旋磁性的鐵氧體稱為旋磁鐵氧體。由於鐵氧體的旋磁性多用於微波器件,因此旋磁鐵氧體又稱微波鐵氧體。
目前(2011年)在微波技術中應用的鐵氧體材料主要可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型(六角晶系)三種類型。由於它們的各自磁性和微波電磁性能各有其特點,在微波技術中的應用也各有不同。
  
矩磁鐵氧體
一種磁滯回線具有近似矩形的鐵氧體。其飽和磁感應強度和剩餘磁感強度的大小相近。這種鐵氧體材料在計算機技術、自動控制系統、電視及無線電通信、微波技術與雷達等領域都有重要用途,例如:作為二進位電子計算機的「1」和「0」兩種狀態的記憶元件,各種開關和控制系統的「開」和「關」兩種狀態的開關元件,以及邏輯系統的「是」和「否」兩種狀態的邏輯元件來使用。
但是最主要的還是用於計算機的存貯器。矩磁鐵氧體按其化學成分大致可分為三大類:即以錳鐵氧體為基的Mg-Mn、Mn-Cu、Mn-Cd鐵氧體等;以鎳鐵氧體為基的Ni-Zn、Ni-Mn鐵氧體等;以鋰鐵氧體為基的Li-Ni、Li-Mn鐵氧體等。若按使用溫度又可分為常溫、中溫和寬溫鐵氧體。按其驅動磁芯的電流大小,又可分為大電流、中電流和小電流鐵氧體等。
  
壓磁鐵氧體
又名磁致伸縮鐵氧體。具有較高的磁致伸縮係數。這種材料在外加磁場中發生幾何長度的改變,可以把電振蕩轉變成機械振動,或者相反將超聲波振動變成電振蕩。選用適當的壓磁鐵氧體材料可以產生可供利用的超聲波。具有較好磁致伸縮性能的壓磁鐵氧體是Ni-Co系鐵氧體。   

4 鐵氧體 -生產工藝

根據鐵氧體結晶構造和形態,製備工藝大致分為:多晶鐵氧體生產工藝;鐵氧體化學工藝;單晶鐵氧體製造工藝及其他特種工藝,如鐵氧體多晶薄膜和非晶鐵氧體等。   

多晶鐵氧體生產工藝
多晶鐵氧體生產工藝類似陶瓷工業中常用的燒結過程,包括如下步驟:經固相反應形成鐵氧體的金屬氧化物或碳酸鹽或其他化合物,在混合均勻之後,經球磨、乾燥,壓成特定的形狀。在大約1000°C的溫度下進行預燒后,再一次充分研磨和混合。加入適量的粘合劑,壓成所要求的形狀或者作為塑性物質擠壓成管狀、棒狀或條狀。然後在1200~1400°C溫度下燒結,準確的溫度取決於所需的鐵氧體特性。在最後的燒結過程中,爐膛中的環境條件起有重要的作用。  

鐵氧體化學工藝
亦稱濕法工藝,有時還稱為化學共沉澱法。專門製備較高性能鐵氧體的工藝方法,又可分成中和法和氧化法。
其過程是:先將製備鐵氧體時所需的金屬元素,配製成一定濃度的離子溶液,然後根據配方取適量溶液進行混合,通過中和或氧化等化學反應生成鐵氧體粉末,其後工藝過程與前面介紹的相同。   

單晶鐵氧體製造工藝
與非金屬單晶生長大致相同。Mn-Zn和Ni-Zn系鐵氧體單晶生長一般是採用布里茲曼法,即把多晶鐵氧體放入鉑坩堝里熔融后,在適當的溫度梯度電爐中使坩堝下降,從坩堝底部慢慢固化生成單晶。為了使熔融狀態下形成的氧分壓達到平衡,晶體生長時在爐膛內需要加幾個乃至100個MPa的氧分壓。  

鐵氧體多晶薄膜的製備
如垂直磁化的鋇鐵氧體薄膜,採用新型的對向靶濺射裝置進行濺射。製備石榴石單晶薄膜,多採用在單晶基板上進行氣相或液相外延法,其具體工藝過程同半導體單晶薄膜的外延方法極為相近。   

非晶鐵氧體的製備
目前(2011年)是採用超急冷方法和濺射法,所謂超急冷法即把鐵氧體原料和適量的類金屬元素混合后,在高溫熔融狀態下,驟然施行大溫度梯度的超急冷卻的方法。這方面的研究工作剛剛開始,製品的性能還不甚理想。
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