鐵氧體

鐵氧體是由鐵的氧化物及其他配料燒結而成。一般可分為永磁鐵氧體、軟磁鐵氧體和旋磁鐵氧體三種。

永磁鐵氧體又叫鐵氧體磁鋼，就是我們平時見到的黑色小磁鐵。其組成原材料主要有氧化鐵、碳酸鋇或碳酸鍶。充磁后，殘留磁場的強度很高，並可以長時間保持殘留磁場。通常用作永久磁鐵材料。例如：揚聲器磁鐵。

軟磁鐵氧體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。之所以稱之為軟磁，是因為當充磁磁場消失后，殘留磁場很小或幾乎沒有。通常用作扼流圈，或中頻變壓器的磁芯。這和永磁鐵氧體是完全不同的。

旋磁鐵氧體是指具有旋磁特性的鐵氧體材料。磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的直流磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內部按一定方向的傳播過程中，其偏振面會不斷繞傳播方向旋轉的現象。磁氧體已廣泛應用於微波通信領域。按照晶體類型分，旋磁鐵氧體可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型（六角型）鐵氧體。

磁性陶瓷又稱為鐵氧體，這類材料是指具有鐵離子、氧離子及其他金屬離子所組成的複合氧化物磁性材料，存在少數不含鐵的磁性氧化物。根據應用劃分，這類材料可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁等。軟磁陶瓷材料是目前品種最多，應用最廣泛的一種磁性陶瓷，其特點是起始磁導率高，容易磁化也容易退磁一類磁性材料。

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(FeO)，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 BaFeO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YFeO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。

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。

這類材料在較弱的磁場下，易磁化也易退磁，如鋅鉻鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。軟磁鐵氧體是當前用途廣，品種多，數量大，產值高的一種鐵氧體材料。它主要用作各種電感元件，如濾波器磁芯、變壓器磁芯、無線電磁芯，以及磁帶錄音和錄像磁頭等，也是磁記錄元件的關鍵材料。

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。

鐵氧體硬磁材料磁化后不易退磁，因此，也稱為永磁材料或恆磁材料。如鋇鐵氧體、鋼鐵氧體等。它主要用於電信器件中的錄音器，拾音器、揚聲器，各種儀錶的磁芯等。

磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的穩恆磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內部雖然按一定的方向傳播，但其偏振面會不斷地繞傳播方向旋轉的現象。金屬、合金材料雖然也具有一定的旋磁性，但由於電阻率低、渦流損耗太大，電磁波不能深入其內部，所以無法利用。因此，鐵氧體旋磁材料旋磁性的應用，就成為鐵氧體獨有的領域。旋磁材料大都與輸送微波的波導管或傳輸線等組成各種微波器件。主要用於雷達、通信、導航、遙測等電子設備中。

這是指具有矩形磁滯回線的鐵氧體材料。它的特點是，當有較小的外磁場作用時，就能使之磁化，並達到飽和，去掉外磁場后，磁性仍然保持與飽和時一樣。如鎂錳鐵氧體，鋰錳鐵氧體等就是這樣。這種鐵氧體材料主要用於各種電子計算機的存儲器磁芯等方面。

這類材料是指磁化時在磁場方向作機械伸長或縮短的鐵氧體材料，如鎳鋅鐵氧體，鎳銅鐵氧體和鎳鉻鐵氧體等。壓磁材料主要用作電磁能與機械能相互轉化的換能器，作磁致伸縮元件用於超聲。

磁性材料的應用很廣泛，可用於電聲、電信、電錶、電機中，還可作記憶元件、微波元件等。可用於記錄語言、音樂、圖像信息的磁帶、計算機的磁性存儲設備、乘客乘車的憑證和票價結算的磁性卡等。下面著重談磁帶上所用的磁性材料和作用原理。

硬磁性材料被磁化以後，還留有剩磁，剩磁的強弱和方向隨磁化時磁性的強弱和方向而定。錄音磁帶是由帶基、粘合劑和磁粉層組成。帶基一般採用聚碳酸脂或氯乙烯等製成。磁粉是用剩磁強的r－Fe2O3或CrO2細粉。錄音時，是把與聲音變化相對應的電流，經過放大后，送到錄音磁頭的線圈內，使磁頭鐵芯的縫隙中產生集中的磁場。隨著線圈電流的變化，磁場的方向和強度也作相應的變化。當磁帶勻速地通過磁頭縫隙時，磁場就穿過磁帶並使它磁化。由於磁帶離開磁頭后留有相應的剩磁，其極性和強度與原來的聲音相對應。磁帶不斷移動，聲音也就不斷地被記錄在磁帶上。

放音時，將已錄音的磁帶以錄音時同樣的速度緊貼著放音磁頭縫隙進。磁頭鐵芯是用高導磁率鐵氧體軟磁材料製成的，它對磁通阻力很小。因此，磁帶上所錄的音頻剩磁通，容易通過磁頭鐵芯而形成迴路。磁帶上的剩磁通在放音磁頭線圈上感應出一個與剩磁通變化規律相同的感應電動勢。再經過放音放大器放大后，送去推動揚聲器，磁帶上所錄下的音頻信號便還原成原來的聲音。

錄像磁帶與錄音磁帶所用的材料及作用原理基本相同，不過錄音記錄的是代表聲音的電信號，而錄像記錄的是代表景物的電視信號。電視信號中不但有聲音信號還有圖像信號。錄像磁帶與錄音磁帶相比，錄像磁帶記錄的密度很高，因為錄像磁帶記錄波長是微米數量級，為在這波長範圍能有充分的靈敏度和信噪比，磁性體粒度必須小，磁性層表面必須平滑。而且磁性層表面的耐磨性必須好，才能在同磁頭的高速摩擦以及同磁帶的輸送系統的固定部分摩擦條件下使用。為此，所使用的粘合劑必須耐熱、耐磨。

四、計算機磁性存儲設備

應用於計算機磁性存儲設備和作為乘客乘車的憑證和票價結算的磁性卡所用的磁性材料及作用原理，同磁帶所用的磁性材料及作用原理基本相同，只是用處不同而已。在磁性卡上有一窄條磁帶，當你乘地鐵從甲站到乙站時，在甲站向儀器中投入從甲站到乙站的票錢（硬幣），之後投出一張磁性卡，在投出這張磁性卡的過程中已錄上了到乙站下車的磁記錄，拿這張磁性卡乘車到乙站后投入到儀器中，門開，出站。如果沒在乙站下車，而是在比乙站遠的丙站下車，投入的硬幣不夠，出站門不開。要拿磁性卡補票后才能出站。

在乙站或丙站投入磁性卡的過程，就是磁記錄經過磁頭變成電信號的過程。再用電信號控制站門開關。

電機的鐵芯所用的磁性材料一般用硬磁鐵氧體，這些材料的特點是磁化后不易退磁。對磁通的阻力小。

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

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

當前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。

鐵氧體粉料的製備就是完成從原料到鐵氧體粉料的製造過程，鐵氧體粉的製造方法有許多種。

（1）溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而成氧化物或其他化合物固體的方法。溶膠凝膠法是製備材料的濕化學方法中一種常用的方法，廣泛應用於製備鐵氧體納米材料。

（2）化學共沉澱法

化學共沉澱法是製備鐵氧體的一種常見的方法。它是利用沉澱劑（如OH 、CO 等）將溶液中的金屬離子共同沉澱，經過過濾、洗滌、乾燥、灼燒等過程得到產物。

（3）氧化物法

氧化物法製備鐵氧體的要點是把原材料混合、加熱，通過固態物質間的反應而獲得鐵氧體粉料。為了有效地促進固相反應而獲得均勻的、性質好的鐵氧體粉料，除了注意原材料的選擇外，還要注意混合、預燒和粉碎條件的確定。氧化物法是大規模工業生產的手段。

燒結永磁鐵氧體磁鐵的主要性能牌號參數

《鐵氧體》為江蘇科學技術出版社於1996年出版的都有為編著書籍（ISBN:7-5345-2044-4），該書從材料科學的角度出發，結合生產實際與科研，積多年的教學與實踐成果編寫而成。

磁性陶瓮的磁性

物質的磁性來自原子磁矩，原子以由原子核為中心的電子軌道運動為特徵。一方面原子核外的電子沿著一定的軌道繞著原子核作軌道運動，由於電磁感應，產生軌道磁矩。另一方面電子本身還不停地作自旋運動，產生自旋磁矩，原子的磁矩就是這兩種磁矩的總和。

在一些物質中存在著一種特殊的相互作用，這種作用能影響物質中磁性原子、離子的磁矩的相對方向性的排列狀態。當具有這種作用較強的物質處在較低溫度時，磁矩可能形成有序的排列。物質中磁矩排列方式存在著不同，其中鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性排列方式為有序排列。通常所說的磁性材料是指常溫下為鐵磁性或亞鐵磁性的物質在宏觀上表現出強磁性，磁性陶瓷大多屬於亞鐵磁性材料。由於陶瓷具有複雜的結晶狀態（實際上根據原子，或離子的種類和晶體結構不同，在外部可觀察到更複雜的磁性現象），磁性陶瓷按其晶格類型可分為尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鐵礦型、鈦鐵石型、氯化鈉型、金紅石型、非晶結構等8類。以當前被研究得最詳細、實用上又最重要的尖晶石結構的鐵氧體為例，它的一般化學式為MFe2O4，式中的M為二價金屬離子。尖晶石結晶的單胞由8個分子組成，含有8個2價金屬、16個3價金屬、32個氧，其中氧為最密集的排列（面心立方），金屬離子嵌入到氧離子堆積的空隙中。

磁滯回線

物質的另一個基本特性是表現磁化過程的特性，即得到磁滯回線。這種磁滯回線的形狀和大小，首先隨磁性物質的種類和組成而異，其次也受磁化機理、初磁化區域、不連續磁化區域、迴轉磁化區域等暫存方式的影響。因此由磁滯回線可得到磁性物質的一些重要性能指標，包括飽和磁感應強度、剩餘磁感應強度、矯頑力、起始導磁率和最大導磁率等。

磁性陶瓷與其他種類的磁性材料相比，還具有電阻率高，可在高頻範圍使用，硬度大，化學性質穩定，適宜於大批量生產，成本低價格較便宜等特點。