功能陶瓷材料_磁功能陶瓷

1、 14.3 磁功能陶瓷v 由于金屬和合金磁性材料的電阻率低(10-8 10-6m)，損耗大，因而無法適用于高頻。陶瓷質(zhì)磁性材料電阻率高(10 106m)，可在從商用頻率到毫米波范圍以多種形態(tài)得到應(yīng)用。而且其具有較高的高頻磁導(dǎo)率，這也是其他金屬和合金磁性材料難以比擬的。v 磁功能陶瓷主要指鐵氧體陶瓷，鐵氧體陶瓷是以氧化鐵和其它鐵族或稀土氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物。鐵氧體陶瓷具有高電阻、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，它們在現(xiàn)代無線電電子學(xué)、自動(dòng)控制、微波技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)、信息存儲(chǔ)、激光調(diào)制等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。 功能陶瓷 2 真空的磁導(dǎo)率， =410-7 H/m; B0 磁場在真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。4.

2、3.1 磁性陶瓷的磁學(xué)性質(zhì)v固體的磁性固體的磁性 固體的磁性在宏觀上是以物質(zhì)的磁化率來描寫的。對(duì)于處于外磁場強(qiáng)度為H的磁介質(zhì)，其磁化強(qiáng)度M為：磁化率為：00/ B 0000B 3結(jié)合以上式子得知材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度為：0000()=(1)BB 磁導(dǎo)率， 1 按照磁化率的數(shù)值，固體的磁性可分成下面幾類： 逆磁體逆磁體：這類固體的磁化率是數(shù)值很小的負(fù)數(shù)，它幾乎不隨溫度變化。 的典型數(shù)值約-10-5。 順磁體順磁體：其磁化率是數(shù)值較小的正數(shù)，它隨溫度T成反比關(guān)系， 0C/T，稱為居里定律，式中C是常數(shù)。 鐵磁體鐵磁體：其磁化率是特別大的正數(shù)，在某個(gè)臨界溫度臨界溫度Tc以下，即使沒有外磁場，材料中也會(huì)出現(xiàn)

3、自發(fā)磁化的磁化強(qiáng)度。 4在高于Tc的溫度，鐵磁體變?yōu)轫槾朋w，其磁化綠服從居里-外斯定律：0()cC / TTTc稱為居里溫度或居里點(diǎn)。 亞鐵磁體亞鐵磁體：這類材料在溫度低于居里點(diǎn)Tc時(shí)像鐵磁體，但其磁化率不如鐵磁體那么大，它的自發(fā)磁化強(qiáng)度也沒有鐵磁體的大；在高于居里點(diǎn)的溫度時(shí)，它的特性逐漸變得像順磁體。 反鐵磁體反鐵磁體：其磁化率是小的正數(shù)。 5 反鐵磁性和亞鐵磁性的物理本質(zhì)是相同的反鐵磁性和亞鐵磁性的物理本質(zhì)是相同的，即原子間的相互作用使相鄰自旋磁矩成反向平行。當(dāng)反向平行的磁矩恰好相抵消時(shí)為反鐵磁性，部分抵消而存在合磁矩時(shí)為亞鐵磁性。所以，反鐵磁性是亞鐵磁性的特殊情況。亞鐵磁性和反鐵磁性，均

4、要在一定溫度以下原子間的磁相互作用勝過熱運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)才能出現(xiàn)，對(duì)于這個(gè)溫度，亞鐵磁體仍叫居里溫度(Tc)，而反鐵磁體叫奈耳溫度(TN)。鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性的自旋排列 6v磁滯回線磁滯回線 磁滯回線可用來表征磁性材料的各種主要特征。 Hc稱為矯頑力矯頑力（矯頑場）； Hm稱為最大磁場最大磁場； Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度； Bm稱為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（或叫飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）。磁滯回線 7v磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁化性能的一個(gè)物理量。鐵磁體的磁導(dǎo)率很大，且隨外磁場的強(qiáng)度而變化；順磁體和抗磁體的磁導(dǎo)率不隨外磁場而變，前者略大于1，后者略小于1。對(duì)鐵磁體而言，從實(shí)用

5、角度出發(fā)，希望磁導(dǎo)率越大越好。尤其現(xiàn)今為適應(yīng)數(shù)字化趨勢，磁導(dǎo)率的大小已成為鑒別磁性材料性能是否優(yōu)良的主要指標(biāo)。 由磁化過程知道，疇壁移動(dòng)和畸內(nèi)磁化方向旋轉(zhuǎn)越容易，磁導(dǎo)率值就越大。要獲得高值的磁性材料，必須滿足下列三個(gè)條件： 8 不論在哪個(gè)晶向上磁化，磁能的變化都不大(磁晶各向異性小)； 磁化方向改變時(shí)產(chǎn)生的晶格疇變小(磁致伸縮小)； 材質(zhì)均勻，沒有雜質(zhì)(沒有氣孔、異相)，沒有殘余應(yīng)力。 9v最大磁能積最大磁能積(BH)max圖中第II象限的磁化曲線相應(yīng)于A點(diǎn)下的(BH)乘積稱為磁能積，退磁曲線上某點(diǎn)下的(BH)乘積的最大值與該磁體單位體積內(nèi)儲(chǔ)存的磁能的最大值成正比，因此用(BH)max表示最大

6、磁能積。 (BH)max隨鐵氧體種類而不同。B-H曲線與(BH)max關(guān)系 10v損耗系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)損耗系數(shù)和品質(zhì)因數(shù) 利用磁性材料制作線圈或變壓器磁芯時(shí)，希望磁芯內(nèi)的能量損耗小到盡可能忽略的程度。但實(shí)際上只要使用磁芯就必然產(chǎn)生損耗。損耗系數(shù)定義為因磁芯而產(chǎn)生的能量損耗與有效工作磁能之比，用tg表示。 tg/稱為品質(zhì)因素，這是表征鐵氧體損耗大小的重要常數(shù)。對(duì)于具有不同值的材料，材料的優(yōu)劣取決于這個(gè)值的大小。 114.3.2 磁性陶瓷材料及其應(yīng)用v 鐵氧體如按其晶體結(jié)構(gòu)，可分為三大類：類晶石型類晶石型(MFe2O4)、石榴石型石榴石型(Re3Fe2O12)和磁鉛石型磁鉛石型(MFe12O19)，

7、分子式中M為鐵族金屬元素，Re為稀土元素。v 按鐵氧體的性質(zhì)和用途又可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁及磁泡、磁光等鐵氧體；按其結(jié)晶狀態(tài)可分為單晶和多晶鐵氧體。 12v軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體 軟磁鐵氧體是目前各種鐵氧體中品種最多、應(yīng)用最廣泛的一種磁性陶瓷材料。它可用通式(M2-OFe2O3)表示。 比較常用的軟磁鐵氧體有尖晶石型的Mn-Zn鐵氧體、Li-Zn鐵氧體及磁石型的甚高頻鐵氧體，如Ba3Co2Fe24O41等。而Mn-Zn鐵氧體是目前各種高軟磁材料中性能最好的一種。 13 具有良好使用性能的軟磁鐵氧體需滿足以下要求： 起始磁導(dǎo)率高起始磁導(dǎo)率高，這樣即使在較弱的磁場下也有可能儲(chǔ)存更多的磁能

8、，或者說，對(duì)于相同電感量的線圈體積就可縮小； 磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)要小磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)要小，這樣才能適應(yīng)溫度變化，穩(wěn)定性好； 損耗要低，電阻率要高，矯頑力小，以便于磁化和退磁； 要求截止頻率高(截止頻率取下降至最大值一半時(shí)的頻率)，這樣才可用于更高的頻段。 14通常在音頻、中頻及高頻范圍用尖晶石型鐵氧體，如Mn-Zn鐵氧體、Ni-Zn鐵氧體和Li-Zn鐵氧體等；在超高頻范圍(大于108Hz)用磁鉛石型鐵氧體，如Co-Zn鐵氧體。軟磁鐵氧體的磁學(xué)特性參數(shù) 15v硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體 硬磁鐵氧體是指矯頑力Hc大，磁化后不易退磁而能長期保留磁性的鐵氧體，又稱為永磁材料。 硬磁鐵氧體的主要性能要求與軟磁鐵

9、氧體相反。首先要求Hc大，剩磁Br 大，較高的最大磁能積(BH)max，這樣才能保證保存更多的磁能，磁化后既不易退磁又能長久保持磁性。此外，還要求對(duì)溫度和時(shí)間的穩(wěn)定性好，又能抗干擾等。 硬磁鐵氧體的化學(xué)式為MO-6Fe2O3 (MBa2+、Sr2+)，具有六方晶系磁性亞鉛酸鹽型結(jié)構(gòu)。例如鋇鐵氧體可表示為BaO6Fe2O3，但實(shí)際材料中，當(dāng)BaOFe2O31 (5.55.9)時(shí)能得到最好的磁性能。 16 通過采用細(xì)粒度原料粉末、磁致晶粒取向法等措施可使硬磁鐵氧體的性能得到有效改善。 原料粉末粒度對(duì)硬磁鐵氧體性能影響較大。磁化過程包括疇壁疇壁移動(dòng)移動(dòng)和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)過程。據(jù)研究，如果晶粒小于

10、形成單疇顆粒的臨界值(小于1m)，那么只有疇轉(zhuǎn)過程，這就可得到較大的矯頑力，密度高，剩磁Br大。疇壁示意圖 17 采用磁致晶粒取向法磁致晶粒取向法，也可得到性能優(yōu)良的硬磁材料。例如，磁性亞鉛酸鹽型六方晶系，其C軸是易磁化軸，若在其粉末上附加磁場，則各微粒就沿其C軸的磁場方向整齊排列。把經(jīng)高溫合成和球磨過的粉末，在磁場下模壓成型，燒結(jié)后可得到各晶粒沿C軸的磁場方向排列整齊的燒結(jié)物。除去磁場后，備晶粒的磁矩仍保留在這個(gè)方向上。這種各向異性硬磁鐵氧體各向異性硬磁鐵氧體的磁能積要比各向同性的大4倍。 18 硬磁鐵氧體主要用于磁路系統(tǒng)中作永磁材料，以產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，如用作揚(yáng)聲器、助聽器、錄音磁頭等各種電聲

11、器件及各種電子儀表控制器件，以及微型電機(jī)的磁芯等。 19硬磁鐵氧體產(chǎn)品的典型性能及用途 20v矩磁鐵氧體矩磁鐵氧體 矩磁鐵氧體是指具有矩形磁滯回線、矯頑力較小的鐵氧體。矩磁鐵氧體主要用于電子計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程控制設(shè)備中，作為記憶元件（存儲(chǔ)器）、邏輯元件、開關(guān)元件、磁放大器的磁光存儲(chǔ)器和磁聲存儲(chǔ)器。矩磁材料在磁存儲(chǔ)器中主要用于制作環(huán)形磁芯，是內(nèi)存儲(chǔ)器中的主要材料。 21 矩磁鐵氧體磁芯的存儲(chǔ)原理工作原理是這樣的：利用矩形磁滯回線上與磁芯感應(yīng)強(qiáng)度Bm大小相近的兩種剩磁狀態(tài)+Br和-Br分別代表二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的“l(fā)”和“0”。當(dāng)輸進(jìn)+Im電流脈沖信號(hào)時(shí)，相當(dāng)于磁芯受到+Hm的激勵(lì)而被磁化至+Bm

12、，脈沖過后，磁芯仍保留+Br狀態(tài)，表示存入信號(hào)“1”。反之，當(dāng)通過-Im 電流脈沖后，則保留-Br狀態(tài)，表示存入信號(hào)“0”。磁芯的存儲(chǔ)原理 22 在讀出信息時(shí)可通入-Im 脈沖，如果原存為信號(hào)“0”，則磁感應(yīng)的變化由- Br 變化至-Bm ，變化很小，感應(yīng)電壓也很小(稱為雜音電壓)，近乎沒有信號(hào)電壓輸出，這表示讀出“0”。而當(dāng)原存為信號(hào)“1”時(shí)，則磁感應(yīng)由+Br變化至-Bm，變化很大，感應(yīng)電壓也很大，有明顯的信號(hào)電壓輸出(稱為信號(hào)電壓)，表示讀出“1”。這樣，根據(jù)感應(yīng)電壓的大小，就可判斷磁芯原來處于+Br 或-Br 的剩磁狀態(tài)。利用這種性質(zhì)就可以使磁芯作為記憶元件，可判別磁芯所存儲(chǔ)的信息。 利用上述性質(zhì)，還可以使磁芯作為開關(guān)元件，若令信號(hào)電壓代表“開”，雜音電壓代表“關(guān)”，便可得到無觸點(diǎn)無觸點(diǎn)的開關(guān)元件。 23 從應(yīng)用觀點(diǎn)看，對(duì)于矩磁鐵氧體材料的要求是： 高的剩磁比Br/Bm ；矯頑力Hc?。?開關(guān)系數(shù)Sw小 信噪比Vs/Vn高； 損耗tg低； 對(duì)溫度、振動(dòng)和時(shí)間穩(wěn)定性好。矩磁鐵氧體材料大都具有尖晶石結(jié)構(gòu)，少數(shù)幾種是石榴石型。Mg-Mn鐵氧體是應(yīng)用最廣泛的矩磁鐵氧體，這是屬于能自發(fā)出現(xiàn)矩形磁滯回線的一類。另一類需經(jīng)磁場退火后才能出現(xiàn)矩形磁滯回線，這類鐵氧體是Co-Fe、Ni-F