信息功能陶瓷材料及应用课件

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1、1、基本特性： 物体放在外加磁场中，物体就被磁化了，其磁化强 度M和磁场强度H的关系由M=xH来描述。M、H、B三 者关系： M=xH; B=0（H+M）=0（x+1）H 定义=1+x，则B= 0H第三节 磁性功能陶瓷材料从实用的磁学观点看，物质可分为抗磁性、 顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性五类材料 。其中前三种材料|x|0，因此一般不能算作 磁性材料，而铁磁性材料|x|可达101106 量级 ，一般为Fe、Co、Ni及一些稀土金属磁性材料。 亚铁磁性材料|x|可达101104 量级，一般为铁 氧体材料。具有铁磁性和亚铁磁性的材料才能算 真正的磁性材料。磁性材料分类磁性材料软磁硬磁金属软磁

2、：包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和Bs大， 居里温度高，电阻率小。非晶/纳米晶软磁：包括Co基/Fe基非晶/纳米晶材料，特点是磁导率和Bs大，居里温度高，电阻率较小，但价 格昂贵。铁氧体软磁：主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁导率和Bs不太高，居里温度较低，但电阻率高，价格较低，特别适合中高频使用。铁粉芯软磁：将金属软磁与有机介质复合，具有Bs大，电阻率高，不易饱和等特点，但磁导率不高，特别适合 于差模扼流圈。稀土硬磁：包括烧结稀土硬磁和粘结稀土硬磁。铁氧体硬磁：主要为六角晶系Ba铁氧体。铁氧体旋磁：主要包括尖晶石系和石榴石系旋磁。旋磁铁 氧 体 软 磁尖晶石系MnZn铁氧体：B

3、s和磁导率较高，但电阻率相对较低，在3MHz以下性能一般优于NiZn铁氧体。按应用主要可分为功率型MnZn和高导型MnZn材料两大类。NiZn铁氧体：Bs和磁导率相对较低，但电阻率很高，因而更适合高频应用，按应用可分为功率型、高频电感型、抗EMI型、低温共烧型材料等几类。Co2Z铁氧体：磁导率低，电阻率高，截止频率很高，可应用GHz的特高频，可用于高频电感和抗EMI材料。六角晶系铁氧体属于亚铁磁性材料。来源于被氧离子所 分隔的磁性金属离子间的超交换作用。它使处于 不同晶格位置上的金属离子磁距反向排列。当相 反排列的磁距不相等时，则表现出强磁性。2、尖晶石型铁氧体的结构、特性尖晶石铁氧体的晶体结

4、构与天然矿物尖晶石 MgAl2O4的结构相同，故因此得名。尖晶石的化学分子式可写为MeFe2O4 。其中Me为 二价金属离子。也可写成AB2O4 ，A和B为金属离子 。由于尖晶石中氧离子半径远大于一般的金属离子，可 看成是由氧离子密堆积而成，为面心立方结构，而金属离子 则嵌入在氧离子缝隙中。氧离子的缝隙有两种，一类是间隙较大，由6个氧离子 包围而成的八面体间隙（简称B位置），另一类是由4个氧离 子包围而成的四面体间隙（简称A位置）。(a) 晶胞（b）四面体结构（c）八面体结构 在一个单位晶胞中，包含有64个A位置，32 个B位置。但实际金属离子仅占用了8个A位置和 16个B位置，其余都是空的，

5、这些空位对配方不 准所造成的成分偏离正分及对掺杂有利。整个 单位晶胞包含8个AB2O4分子式的离子数。3、离子置换的摩尔比条件：尖晶石铁氧体每个分子中有3个金属离子，4 个氧离子，为保持电中性，金属离子价总和必须 为正8价。一般来说，金属离子总和为3不是必要 条件，而金属离子价总和和氧离子价总和相等则 是必要的。因此，金属离子的价位将随着金属离子相对于 氧离子数量的改变而发生变化。尤其表现在铁离子 上。如MnZn铁氧体，在氧气氛不足的高温下烧结， 会发生脱氧出现氧离子空位，因此部分金属离子由 高价转变为低价，由此来实现电中性。4、金属离子分布的一般规律v对于尖晶石铁氧体： 分子式 MeFe2O

6、4 分布式: (MexFe1-x)MeFe1+xO4 x=1 ： (Me)Fe2O4 -正尖晶石 x=0： (Fe3+)Me2+Fe3+O4 -反型尖晶石 0 x 1 : (MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 -混合型尖晶石 1.金属离子占位的倾向性： Zn2+,Cd2+, Mn2+,Fe3+, V5+,Co2+, Fe2+ ,Cu+1, Mg2+ ,Li+1, Al3+, Cu2+, Mn3+ ,Ti4+,Ni2+,Cr3 + 2.两种以上金属离子的复合铁氧体，按特喜位分布；趋势差不多 时，按A、B均出现。同时特喜占A位或B位的金属离子进行置换可 在很大程度上改变金属离子的原来分布

7、3.高温使分布趋于混乱，淬火（从高温急冷）可使混乱状态固定 下来。占A位趋向性占B位趋向性(1)内能 (2)外能：温度、应力影响内能的因素: 离子键 离子尺寸 晶场影响 共价键的空间配位性 以上各种因素是同时起作用，金属离子到底如 何分布，应考虑各种因素的综合结果 影响金属离子分布的因素：影响金属离子占位的因素很多，通过大量理 论和实践的分析，有以下一些规律： 金属离子占A、B位的趋势有一定倾向性，顺序如 上页所示。 特喜占A位或B位的金属离子进行置换，可在极大 程度上改变金属离子的原来分布。 某些金属离子对A、B位虽然有一定的倾向性，但 在A、B位能量差别不大的情况下，在高温由于热 骚动的作

8、用，有可能同时在A、B位都出现。5、尖晶石铁氧体的饱和磁距及温度特性亚铁磁性的尖晶石铁氧体，其饱和磁距是由A、B位的 离子磁距之差来决定的 1、自由离子磁距自由离子磁距由离子的外壳层中未被抵消的电子自旋磁 距和轨道磁距合成而得。 2、晶场对轨道磁距的猝灭。 3、单元铁氧体的分子磁矩：对尖晶石铁氧体来说，AB间的超交换作用最强，因此 只要知道A、B位上金属离子的分布及磁矩，就可以计算其 分子磁矩。一般计算值和试验值有一定差异，主要因为： 计算值未考虑轨道磁矩的贡献； 忽略了热骚动作用； 忽略了成分及离子价的变动。当温度升高时，A、B位的磁矩都会下降，但 由于其下降的程度有差异，因此总的磁化强度M

9、s |Ma-Mb|，随温度的变化表现出多种性状。此外 ，超交换作用不仅存在于AB间，也存在于AA 、BB之间，这些作用也会对Ms的温度特性产生 一定的影响。6、居里温度：铁氧体的居里点指铁氧体材料从亚铁磁性状 态转变为顺磁性状态的临界温度。（磁畴消失）其物理本质是当温度升高到居里点时，热骚动能达到足以破 坏超交换作用，使离子磁矩处于混乱状态，Ms0。因此，居里 温度的高低取决于超交换力的强弱，影响因素如下： 1、磁性离子与氧离子间的距离和夹角：超交换力的大小与离子间的距离和夹角有关，因此居里点也 与此有关，但具有不同金属离子的尖晶石铁氧体其点阵常数与离 子间夹角差别不大，因此这一影响因素一般不

10、突出。 2、磁性离子对键数目的影响典型表现为非磁性离子取代，减少了超交换作用离子数量， 超交换作用减弱，Tc下降。 3、磁性离子种类与居里点的关系：不同种类的金属离子间超交换作用力有很大的区别，因此对 居里点影响很大。如铁离子间的超交换作用大于其他金属离子间 的超交换作用，铁氧体中含较多的铁离子可明显的提高Tc。7、尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩特性晶体在不同方向具有不同的磁化难易程度的现 象称为磁晶各性异性。概括的说，磁晶各性异性来源于晶场效应与自 旋轨道耦合作用，晶体的对称性越差，表现出的 各向异性越大。对立方尖晶石铁氧体来说，其对称 性好，磁晶各向异性小。而六角晶系的铁氧体，其 对

11、称性差，磁晶各性异性则大。 K1的温度特性：一般来说，磁晶各性异性常数K1的绝对值随温 度T的上升下降很快，因为温度升高时，热骚动作 用增强，使局部小区域的磁矩取向有些分散，因 此在易磁化方向上磁化能量有所上升，而在难磁 化方向上磁化时能量有所下降。可通过离子取代等方式来人为的控制K1的温度 特性。 多元铁氧体的K1值：在应用中，为了改善铁氧体的性能，常常需要 控制其K1值的数值，因而采用多元铁氧体。目前 ，常采用离子取代的方法来获得多元铁氧体。 含Zn2+ 的多元铁氧体的K1值：含Fe2+ 对K1的影响：含Co2+ 对K1的影响：两种单元铁氧体的固熔体的K1值：可近似用线性内插法估算。 磁致

12、伸缩的物理本质可概述如下：当温度下降 到居里温度以下时，伴随着自发磁化的出现，离子 间的相互作用在不同方向上将出现差异，使得每个 磁畴内的晶格发生自发形变。若在磁矩的方向上变 形为椭球形，在退磁状态时，由于磁畴的杂乱分布 ，样品不表现出形变。但当受到外磁场磁化时，椭 球的长轴向外磁场方向偏转，这样就引起整个样品 在磁化方向发生形变。 加入非磁性离子Zn2+ 可使s值下降； 在单元铁氧体中Fe3O4 具有较大的正s 值，固溶适当的Fe3O4 可使s值减至0; CoFe2O4 具有特别大的负s值； 对多元铁氧体s可采用内插法近似估算。绝大多数铁氧体的导电特性属于半导体类型， 即电阻率随温度T的升高

13、按指数规律下降。在各种 铁氧体中，以Fe3O4 的电阻率最低。其原因是其B位 上具有等量的Fe2+ 和Fe3+ ,电子在Fe2+ 和Fe3+ 之间 转移对结构与离子分布均无影响，因此所需激活能 很低，易于导电。对于多元铁氧体，只要有Fe3O4 固熔，电阻率就会下降。因此电阻率与成分、工艺 等因素极为密切。在实用上，为了提高电阻率，对不同材料可采 用不同的方法。8、铁氧体材料的导电特性：常用的有： 、使配方缺铁：在配方中使Fe2O3 含量略低于50，能有效抑制Fe2+ 的 出现，使电阻率上升。 、加入微量Mn或Co的氧化物在缺铁Ni铁氧体中加入微量的Mn2+ 或Co2+ 后，电阻率可 显著上升。

14、这是由于Mn与Co的第三电离能低于Ni而高于Fe ，因此在高温时， Mn2+ 或Co2+ 对氧的亲和力比Ni2+ 强， 而在较低温度时，又可给氧于Fe2+ ，从而抑制了Fe2+ 与 Ni3+ 的出现，使电阻率提高。 、“冲淡”导电机构：例如在Mg1.0AlxFe2-xO4 中，由于加入不易变价的Al3+ ， 冲淡了B位中Fe2+ 与Fe3+ 间的导电机构，故可使电阻率上 升。、“中和”导电机构：利用具有不同导电机构的铁氧体相互固熔，如NiFe2O4 在缺铁时为P型导电，ZnFe2O4 在高温烧结中挥发Zn后造 成多余的Fe2+ 而属于n型导电，他们适量固熔可提高电 阻率。 、加入少量Cu或V2

15、O5 等助熔剂这可降低烧结温度，防止还原气氛产生Fe2+ ，从而提 高电阻率。 、在氧气中烧结或在氧气中热处理 、防止少量低价或高价杂质离子混入，防止离子产生 变价，使电阻率下降。9、铁氧体材料的介电特性：实际的铁氧体在低频时一般都表现出非常大的 介电常数，MnZn铁氧体在低频时可达105 ，NiZn 铁氧体在低频时的可达103 。和都具有弛豫 型的频散特性。当频率增加时，在弛豫频率附近， 和都急剧下降，最后降在10左右。相关理论解释：铁氧体的烧结特性决定了其晶粒表面薄层的 很高，而晶粒内部的很低，即晶界的电阻率 远大于晶粒内部的电阻率，但介电系数相近。如上图所示，1代表的是晶粒参数，2代表的是 晶界参数。其中12 ，C1C2 ，12。 在低频时，晶粒的阻抗与晶界的阻抗相比可忽略， 趋于晶界特性，因此表现出高和高 。而在高 频时，晶界的容抗很小，短路了晶界电阻R2 ，因 而铁氧体的介电特性趋近于晶粒特性，表现出本身 的低和低。10、软磁铁氧体材料的特性：、磁化曲线及磁滞回线 软磁：如果用一个很弱磁场就能将材料磁化饱和 ，则称为软磁材料。 永磁：如果用一个很强磁场才能将材料磁化饱和 ，则称为永磁材料，