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1、磁性功能材料及应用 4Part 1 绪论 （4） 4Part 2 磁电子学材料及应用(4) 4Part 3 软磁材料及应用 (12) 4Part 4 永磁材料及应用(12) 4Part 5 旋磁铁氧体材料及其应用（4） 4Part 6 电磁波吸收材料的发展及其在EMC中的应用 (4) 3.1 概述 3.2 软磁材料理论基础 3.3 金属软磁材料 3.4 非晶、纳米晶软磁材料 2.5 铁氧体软磁材料 Part 3 软磁磁材料 3.5 3.5 软磁铁氧体材料 3.5.1 软磁铁氧体材料特性要求 3.5.2 软磁铁氧体材料合成与制备 3.5.3 尖晶石铁氧体材的结构与特性 3.5.4 常见的软磁铁氧
2、体材料 3.5.1 软磁铁氧体材料的特性要求 软磁铁氧体材料的特性要求 一.概述: 1.要求： 四高-i、Q、fr、稳定性高(温度系数、减 落因子DF); 2.特点：容易获得磁性也容易失去,主要用于高f弱场 二.分类 二.分类 1. 按晶体结构: 尖晶石型; 平面六角晶系; 2. 按材料应用性能分： 1. 高磁导率材料(i = 2000-4104)： 低频、宽频带变压器 及小 型 脉冲变压器 2. 低损耗材料：电源磁芯,高功率场合; 3. 低损耗高温定性材料: 通信滤波器磁芯; 4. 高频大磁场材料：空腔谐振器、高功率变压器等 5. 功率铁氧体（高Bs）材料： 开关电源及低频功率变压器 6 高
3、密度记录材料：用做录音, 录象磁头; 7 电波吸收体材料：吸收电磁波能量，广泛应用于抗干扰电子 技术 磁特性参数磁特性参数 1.起始磁导率I L：电感量（mH）；R：电阻；h、Di、Do：样品高，内径，外径 2.磁损耗: 品质因素：Q=L / R; 损耗角正切：tg=1/Q; 比损耗系数: tg /i =1/iQ 一般材料i Q =常数. 3.温度稳定性: 温度系数 比温度系数：u/i 3.17 4.减落:反映材料随时间的稳定性 5.磁老化 6.截止频率fr: 由于畴壁或自然共振, 值值迅速下降为起始值的一半且为起始值的一半且 达达 到峰值时的频率到峰值时的频率,衡量材料应用频率的上限. f
4、软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减 落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆 变化，称为磁老化，用老化系数Ia表示。式中1、2分 别为老化前后测得的磁导率。 在磁正常状态化之后，恒定温度下经过 一定的时 间间隔 (t1-t2)，材料磁导率的相对减小。 软磁铁氧体的磁导率 一、起始磁导率的理论概述: 微观机理: 可逆畴转，可逆畴壁位移 i = i 转+ i位 对于一般烧结铁氧体： 1. 如内部气孔较多,密度低,壁移难, i转为主; 2. 如晶粒大,气孔少,密度高,以壁移为主. 磁化的难易程度决定于磁化动力(MsH)与阻滞之比,比值 高则易磁化;反之难磁化. 理论上提高磁导率
5、的条件: 1.必要条件： 1.Ms要高( Ms2 ); 2.k1, s0; 2.充分条件: 1.原料杂质少, ; 2.密度要提高 ( P ),即材料晶粒尺寸要大( D ); 3.结构要均匀 (晶界阻滞); 4.消除内应力 s ; 5.气孔,另相 (退磁场) 二、提高i 的方法 （一）.提高材料的Ms 尖晶石铁氧体 Ms = | M B - MA| 1.选高MBs的单元铁氧体 如:MnFe2O4(4.6-5 B); NiFe2O4 (2.3 B) 2.加入Zn,使M As 降低 (二).降低 k1和s 1.离子取代降低k1, s 1.加入Zn2+,冲淡磁性离子的磁各向异性 2.加入Co2+:一般
6、铁氧体k10,正负k补偿； 3.引入Fe2+,Fe2+在MnZn表现为正k,可正负补偿调整k; 4.加入Ti4+, 2Fe3+ Fe2+Ti4+; 有轨道矩存在的离子，通过晶场效应与自旋-轨道耦合作用 ，将产生大的磁晶各向异性。L=0或轨道矩猝灭的离子， 磁晶各向异性小。 2.选总轨道角动量L=0的单元铁氧体; MnFe2O4 , Li0.5Fe2.5O4 3.选择L被猝灭; NiFe2O4 ,CuFe2O4 (三).显微结构： 1.结晶状态: 晶粒大小、完整性、均匀性； 2.晶界状态: 厚薄、气孔、另相； 3.晶粒内气孔,另相: 大小、多少和分布； 高材料:大晶粒,晶粒均匀完整,晶界薄,无气
7、孔和另相 (四).内应力对的影响： 1.有磁化过程中的磁致伸缩引起，它与s 成正比； 2.烧结后冷却速度太快，晶格应变和离子、空位 分布不均匀而产生畸变； 3.由气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀 等引起的应力，与原材料纯度和工艺有关。 高材料: 消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等 综上所述综上所述 1.1.原材料原材料：纯度高、活性好、杂质少：纯度高、活性好、杂质少, ,对对MnZnMnZn材料材料 而言粒度最好在而言粒度最好在0 0.15.150.25 0.25 m m范围内。特别注范围内。特别注 意半径较的大杂质混入；意半径较的大杂质混入； 2.2.配方除满足高配方除满足高
8、MsMs，更重要是满足，更重要是满足k k1 1 0, 0, s s 0 0； 一般当要求一般当要求 i i 在在50005000以下时以下时, ,可以加入必要的添可以加入必要的添 加剂如加剂如 CaO, TiOCaO, TiO 2 2 , LaO,CuO, Bi, LaO,CuO, Bi 2 2O O3 3 , B, B 2 2O O3 3 , BaO, , BaO, V V 2 2O O5 5 ,ZrO,ZrO2 2 等，以改善损耗特性及其它性能； 等，以改善损耗特性及其它性能； 3.3.保证获得高密度及优良显微结构，造成磁化过程保证获得高密度及优良显微结构，造成磁化过程 以以壁移壁移为主
9、。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结 法是获得稳定优良性能必不可少的条件；法是获得稳定优良性能必不可少的条件； 4.4.采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性 能，促使均匀化，消除内应力，调节离子、空位能，促使均匀化，消除内应力，调节离子、空位 的稳定分布状态。的稳定分布状态。 1. 1010 还可能发生自然 交换共振。 摘自当代磁学p82 一、软磁铁氧体磁谱及形状 软磁铁氧体的磁谱 磁谱：软磁材料在弱交变磁场中，复磁导率r = r - r 随频率 变化的曲线 二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素 一、尺寸因素 尺寸共振
10、：电磁波在介质内的波长小于真空中的波长 c是真空中的光速，f是频率。 对Mn-Zn铁氧体 103,5104,若f=1.5MHz，求得波长为2.8厘米，当与磁场 垂直方向的磁芯尺寸与半波长（1.4cm）整数倍相近时，将 有驻波发生，电磁波将在样品中发生共振。采用减小尺寸或 叠片方式，可以避免尺寸共振。 磁力共振效应： 当交变磁场的频率与样品 机械振动的固有频率一致 时，由于磁致伸缩效应而 发生的机械振动的共振效 应。 通过调节样品尺寸或将样 品用绝缘材料固定防止振 动，可避免磁力共振现象 畴壁位移过程就是一种磁化弛豫过程，在交变磁场作用时 表现为频散和能量损耗。以180畴壁移动为例，单位畴壁面
11、积的运动方程。 右面三项依次为： 使畴壁运动的磁场力； 畴壁运动的阻力； 弹性恢复力。 mw是单位面积畴壁的有 效质量。 畴壁共振和弛豫 m 有效质量； ：劲度系数 ；D 畴壁宽度；畴壁厚度 ：为畴壁在其能谷中离开最低能量的平衡位置时所受到的回 复力大小的量度，是一个结构灵敏常数 -Nado公式 共振角频率 在交变磁场和磁晶各向异性等效场 Hk 共同作用下，在 磁化矢量转动过程中发生的频散和能量损耗。 磁场中磁化矢量的运动方程 有效场（内场） 在没有外部恒磁场作用时，磁晶各向异性等效磁场和交 变磁场共同作用下的磁化矢量转动过程产生的磁化率同样存 在频散，且在自然共振频率位置发生共振，出现最大能量损 耗。人们发现自然共振频率和起始磁化率之间存在一个关系 ：（斯诺克公式） 磁畴的自然共振 旋磁比 三 提高fr的方法 1.降低ZnO含量i ，f r （ZnO居里点、K1低） 2.选K1较高的材料为高频材料； f1MHz,以MnZn为主; f 1MHz, NiFe2O4 K1较大，以NiZn为主; f 100MHz,以平面六角结构材料为主; 3.加入磁晶各向异性很强的离子 Co2+ 1. 冻结畴壁的移动,提高畴壁共振频率 2. 形成Co2Y相,增大材料的磁晶各向异性; 原则：提高HK (K1)、畴转动、气孔退磁作用(形状可 向异性)、应力各向异性 4. 加入低熔点物质PbO, CuO
