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1、1 4 3磁功能陶瓷 由于金属和合金磁性材料的电阻率低 10 8 10 6 m 损耗大 因而无法适用于高频 陶瓷质磁性材料电阻率高 10 106 m 可在从商用频率到毫米波范围以多种形态得到应用 而且其具有较高的高频磁导率 这也是其他金属和合金磁性材料难以比拟的 磁功能陶瓷主要指铁氧体陶瓷 铁氧体陶瓷是以氧化铁和其它铁族或稀土氧化物为主要成分的复合氧化物 铁氧体陶瓷具有高电阻 低损耗等优点 它们在现代无线电电子学 自动控制 微波技术 电子计算机 信息存储 激光调制等方面有着十分广泛的应用 功能陶瓷 2 真空的磁导率 4 10 7H m B0 磁场在真空中的磁感应强度 T 4 3 1磁性陶瓷的磁
2、学性质 固体的磁性 固体的磁性在宏观上是以物质的磁化率 来描写的 对于处于外磁场强度为H的磁介质 其磁化强度M为 磁化率为 3 结合以上式子得知材料中磁感应强度为 磁导率 按照磁化率 的数值 固体的磁性可分成下面几类 逆磁体 这类固体的磁化率是数值很小的负数 它几乎不随温度变化 的典型数值约 10 5 顺磁体 其磁化率是数值较小的正数 它随温度T成反比关系 0C T 称为居里定律 式中C是常数 铁磁体 其磁化率是特别大的正数 在某个临界温度Tc以下 即使没有外磁场 材料中也会出现自发磁化的磁化强度 4 在高于Tc的温度 铁磁体变为顺磁体 其磁化绿服从居里 外斯定律 Tc称为居里温度或居里点 亚
3、铁磁体 这类材料在温度低于居里点Tc时像铁磁体 但其磁化率不如铁磁体那么大 它的自发磁化强度也没有铁磁体的大 在高于居里点的温度时 它的特性逐渐变得像顺磁体 反铁磁体 其磁化率是小的正数 5 反铁磁性和亚铁磁性的物理本质是相同的 即原子间的相互作用使相邻自旋磁矩成反向平行 当反向平行的磁矩恰好相抵消时为反铁磁性 部分抵消而存在合磁矩时为亚铁磁性 所以 反铁磁性是亚铁磁性的特殊情况 亚铁磁性和反铁磁性 均要在一定温度以下原子间的磁相互作用胜过热运动的影响时才能出现 对于这个温度 亚铁磁体仍叫居里温度 Tc 而反铁磁体叫奈耳温度 TN 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性的自旋排列 6 磁滞回线 磁滞回线可
4、用来表征磁性材料的各种主要特征 Hc称为矫顽力 矫顽场 Hm称为最大磁场 Br称为剩余磁感应强度 Bm称为最大磁感应强度 或叫饱和磁感应强度 磁滞回线 7 磁导率 磁导率是表征磁介质磁化性能的一个物理量 铁磁体的磁导率很大 且随外磁场的强度而变化 顺磁体和抗磁体的磁导率不随外磁场而变 前者略大于1 后者略小于1 对铁磁体而言 从实用角度出发 希望磁导率越大越好 尤其现今为适应数字化趋势 磁导率的大小已成为鉴别磁性材料性能是否优良的主要指标 由磁化过程知道 畴壁移动和畸内磁化方向旋转越容易 磁导率 值就越大 要获得高 值的磁性材料 必须满足下列三个条件 8 不论在哪个晶向上磁化 磁能的变化都不大
5、 磁晶各向异性小 磁化方向改变时产生的晶格畴变小 磁致伸缩小 材质均匀 没有杂质 没有气孔 异相 没有残余应力 9 最大磁能积 BH max 图中第II象限的磁化曲线相应于A点下的 BH 乘积称为磁能积 退磁曲线上某点下的 BH 乘积的最大值与该磁体单位体积内储存的磁能的最大值成正比 因此用 BH max表示最大磁能积 BH max随铁氧体种类而不同 B H曲线与 BH max关系 10 损耗系数和品质因数 利用磁性材料制作线圈或变压器磁芯时 希望磁芯内的能量损耗小到尽可能忽略的程度 但实际上只要使用磁芯就必然产生损耗 损耗系数定义为因磁芯而产生的能量损耗与有效工作磁能之比 用tg 表示 tg
6、 称为品质因素 这是表征铁氧体损耗大小的重要常数 对于具有不同 值的材料 材料的优劣取决于这个值的大小 11 4 3 2磁性陶瓷材料及其应用 铁氧体如按其晶体结构 可分为三大类 类晶石型 MFe2O4 石榴石型 Re3Fe2O12 和磁铅石型 MFe12O19 分子式中M为铁族金属元素 Re为稀土元素 按铁氧体的性质和用途又可分为软磁 硬磁 旋磁 矩磁 压磁及磁泡 磁光等铁氧体 按其结晶状态可分为单晶和多晶铁氧体 12 软磁铁氧体 软磁铁氧体是目前各种铁氧体中品种最多 应用最广泛的一种磁性陶瓷材料 它可用通式 M2 O Fe2O3 表示 比较常用的软磁铁氧体有尖晶石型的Mn Zn铁氧体 Li
7、Zn铁氧体及磁石型的甚高频铁氧体 如Ba3Co2Fe24O41等 而Mn Zn铁氧体是目前各种高 软磁材料中性能最好的一种 13 具有良好使用性能的软磁铁氧体需满足以下要求 起始磁导率高 这样即使在较弱的磁场下也有可能储存更多的磁能 或者说 对于相同电感量的线圈体积就可缩小 磁导率的温度系数要小 这样才能适应温度变化 稳定性好 损耗要低 电阻率要高 矫顽力小 以便于磁化和退磁 要求截止频率高 截止频率取 下降至最大值一半时的频率 这样才可用于更高的频段 14 通常在音频 中频及高频范围用尖晶石型铁氧体 如Mn Zn铁氧体 Ni Zn铁氧体和Li Zn铁氧体等 在超高频范围 大于108Hz 用磁
8、铅石型铁氧体 如Co Zn铁氧体 软磁铁氧体的磁学特性参数 15 硬磁铁氧体 硬磁铁氧体是指矫顽力Hc大 磁化后不易退磁而能长期保留磁性的铁氧体 又称为永磁材料 硬磁铁氧体的主要性能要求与软磁铁氧体相反 首先要求Hc大 剩磁Br大 较高的最大磁能积 BH max 这样才能保证保存更多的磁能 磁化后既不易退磁又能长久保持磁性 此外 还要求对温度和时间的稳定性好 又能抗干扰等 硬磁铁氧体的化学式为MO 6Fe2O3 M Ba2 Sr2 具有六方晶系磁性亚铅酸盐型结构 例如钡铁氧体可表示为BaO 6Fe2O3 但实际材料中 当BaO Fe2O3 1 5 5 5 9 时能得到最好的磁性能 16 通过采
9、用细粒度原料粉末 磁致晶粒取向法等措施可使硬磁铁氧体的性能得到有效改善 原料粉末粒度对硬磁铁氧体性能影响较大 磁化过程包括畴壁移动和磁畴转动两个过程 据研究 如果晶粒小于形成单畴颗粒的临界值 小于1 m 那么只有畴转过程 这就可得到较大的矫顽力 密度高 剩磁Br大 畴壁示意图 17 采用磁致晶粒取向法 也可得到性能优良的硬磁材料 例如 磁性亚铅酸盐型六方晶系 其C轴是易磁化轴 若在其粉末上附加磁场 则各微粒就沿其C轴的磁场方向整齐排列 把经高温合成和球磨过的粉末 在磁场下模压成型 烧结后可得到各晶粒沿C轴的磁场方向排列整齐的烧结物 除去磁场后 备晶粒的磁矩仍保留在这个方向上 这种各向异性硬磁铁
10、氧体的磁能积要比各向同性的大4倍 18 硬磁铁氧体主要用于磁路系统中作永磁材料 以产生稳恒磁场 如用作扬声器 助听器 录音磁头等各种电声器件及各种电子仪表控制器件 以及微型电机的磁芯等 19 硬磁铁氧体产品的典型性能及用途 20 矩磁铁氧体 矩磁铁氧体是指具有矩形磁滞回线 矫顽力较小的铁氧体 矩磁铁氧体主要用于电子计算机及自动控制与远程控制设备中 作为记忆元件 存储器 逻辑元件 开关元件 磁放大器的磁光存储器和磁声存储器 矩磁材料在磁存储器中主要用于制作环形磁芯 是内存储器中的主要材料 21 矩磁铁氧体磁芯的存储原理工作原理是这样的 利用矩形磁滞回线上与磁芯感应强度Bm大小相近的两种剩磁状态
11、Br和 Br分别代表二进制计算机的 l 和 0 当输进 Im电流脉冲信号时 相当于磁芯受到 Hm的激励而被磁化至 Bm 脉冲过后 磁芯仍保留 Br状态 表示存入信号 1 反之 当通过 Im电流脉冲后 则保留 Br状态 表示存入信号 0 磁芯的存储原理 22 在读出信息时可通入 Im脉冲 如果原存为信号 0 则磁感应的变化由 Br变化至 Bm 变化很小 感应电压也很小 称为杂音电压 近乎没有信号电压输出 这表示读出 0 而当原存为信号 1 时 则磁感应由 Br变化至 Bm 变化很大 感应电压也很大 有明显的信号电压输出 称为信号电压 表示读出 1 这样 根据感应电压的大小 就可判断磁芯原来处于
12、Br或 Br的剩磁状态 利用这种性质就可以使磁芯作为记忆元件 可判别磁芯所存储的信息 利用上述性质 还可以使磁芯作为开关元件 若令信号电压代表 开 杂音电压代表 关 便可得到无触点的开关元件 23 从应用观点看 对于矩磁铁氧体材料的要求是 高的剩磁比Br Bm 矫顽力Hc小 开关系数Sw小信噪比Vs Vn高 损耗tg 低 对温度 振动和时间稳定性好 矩磁铁氧体材料大都具有尖晶石结构 少数几种是石榴石型 Mg Mn铁氧体是应用最广泛的矩磁铁氧体 这是属于能自发出现矩形磁滞回线的一类 另一类需经磁场退火后才能出现矩形磁滞回线 这类铁氧体是Co Fe Ni Fe Ni Zn Co Co Zn Fe等系统铁氧体 24 几种铁氧体矩磁材料的性能 25 磁记录材料 对磁记录材料的性能要求大致有如下几个方面 剩余磁感应强度Br高 矫顽力Hc适当的高 磁滞回线接近矩形 Hc附近的磁导率dB dH尽量高 磁致伸缩小 不产生明显的加压退磁效应 基本磁特性 Bm Hc等 的温度系数小 磁层均匀 厚度适宜 具有较高的记录密度 26 常用磁粉的主要磁性能
