尖晶石型铁氧体磁性材料

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1、尖晶石铁氧体磁性材料一、尖晶石型铁氧体(晶格类型分类)尖晶石型铁氧体的化学分子式为MFe204, M是指离子半径与二价铁离子相近 的二价金属离子Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为二价的 多种金属离子组(如Li+0.5Fe3+0.5)。使用不同的替代金属，可以合成不同类型的 铁氧体。(以Zn2+替代Fe2+所合成的复合氧化物ZnFe204称为锌铁氧体，以Mn2+ 替代Fe2+所合成的复合氧化物MnFe204称为锰铁氧体)。通过控制替代金属，可以 达到控制材料磁特性的目的。由一种金属离子替代而成的铁氧体称为单组分铁氧 体。由两种或两种以上的金属离子替代可以

2、合成出双组分铁氧体和多组分铁氧体。 锰锌铁氧体(Mn-ZnFe204)和镍锌铁氧体(Ni-ZnFe204)就是双组分铁氧体，而锰镁锌 铁氧体(Mn-Mg-ZnFe204)则是多组分铁氧体。二、尖晶石铁氧体结构尖晶石结构如图2-1所示:3OC A位？t巒B位餐o削离子图2-1尖晶石结构分子式MFe2O4, M原子显正二价，Fe原子显正三价。每个晶胞有8份MFe2O4, 即8个M, 16个Fe, 32个0。正型尖晶石：氧原子作近似紧密堆积，M原子分布在1/8四面体空隙(8a), Fe分布在1 /2 八面体空隙(16d)。反型尖晶石：氧原子作近似紧密堆积，M原子分布在1 /4 八面体空隙(16d),

3、 Fe 一半分布在1/8四面体空隙(8a), 半分布在1 /4 八面体空隙 (16d)。四面体位置又称A位置，八面体空隙又称B位置。A位与B位原子通过氧原 子作用发生超距相互作用,自旋方向反相平行。形成正型还是反型尖晶石可以由晶体场理论来解释。二价离子进入A位还是B位取决于其八面体择位优先能大小，如果大于三价 离子八面体择位能，二价离子将进入B位，形成反型尖晶石；如果小于三价离子八 面体择位能，二价离子将进入A位，形成正型尖晶石。在尖晶石结构中A位和B位原子自旋方向相反，磁性部分抵消，显亚磁性。例如：Fe3O4可写作 Fe3+ (Fe2+Fe3+) O4A位和B位Fe3+数量相同，自旋方向相反

4、，磁性抵消，只显示Fe2+的磁性。三、尖晶石型铁氧体的磁性来源物质的磁性来源于原子的磁矩。根据物质结构理论，原子是由原子核和围绕 核外运动的电子组成，那么原子磁矩即由原子核磁矩和电子磁矩构成。因为原子核磁矩实际上是很小，可以忽略不计，所以原子磁矩即核外运动的电子的磁矩。电子 磁矩由两部分组成：一是轨道磁矩，即绕核运动的磁矩；二是自旋磁矩，即自转形 成的磁矩。因此，原子磁矩可视为轨道磁矩与自旋磁矩的总矢量和，这就是物质磁 性的起源。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁 性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺 磁性物质为弱磁性物质反磁性

5、的磁化率为负值，磁化率 x 约-10-5。所有物质都具有反磁性。在外磁场作用下，电子的轨道运动产生附加转动 （Larmor 进动），动量矩发生变化，产生与外磁场相反的感生磁矩，表现出反磁 性。但在含有不成对电子的物质中被顺磁磁化率（比反磁性大13个数量级）掩 盖。抗磁性是一些类别的物质，当处在外加磁场中，会对磁场产生的微弱斥力的 一种磁性现象。顺磁性物质的磁化率为正值，磁化率x约10-510-3，遵守Curie定律或 Curie-Weiss 定律。物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自 旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取 向杂乱的磁矩将定向

6、，从而表现出顺磁性。铁磁性，是指一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象。各材料中以铁 最广为人知，故名之。某些材料在外部磁场的作用下得而磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持 其磁化的状态而具有磁性，即所谓自发性的磁化现象。 所有的永久磁铁均具有铁 磁性或亚铁磁性。铁磁性产生的条件：原子内部要有末填满的电子壳层；原子核之间的距 离Rab与参加交换作用的电子距核的距离（电子壳层半径）r之比大于3,交换积分 为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。根据自发磁化的过程和理论,可以解释许多铁磁特性。例如温度对铁磁性的 影响。当温度升高时,原子间距加大,降低了交换作用,同时热运

7、动不断破坏原子 磁矩的规则取向，故自发磁化强度Ms下降。直到温度高于居里点，以致完全破坏 了原子磁矩的规则取向,自发磁矩就不存在了,材料由铁磁性变为顺磁性。同样, 可以解释磁晶各向异性、磁致伸缩等。亚铁磁性在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互 作用。使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致 还有一个合磁矩的现象。当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物 质相似。 亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反平行的自 旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不尽的自发磁矩，类似于铁磁体。铁氧体大都 是亚铁磁体。铁氧体是典型的亚铁

8、磁性物质，是一种以铁为主要成分的非金属磁性材料， 其磁性来源于被氧离子所分隔的磁性金属离子间的超交换相互作用，它使处于不同 晶格位置上的金属离子磁矩反向排列。当相反排列的磁矩不相等时，表现出强亚磁 性。磁畴：在磁性物质内，其自发磁化强度的大小和方向基本上一致的区域。对于大块的铁磁材料，处于磁中性状态时将形成许多磁畴，在每一个磁畴中 磁矩将沿其能量最低方向被磁化。磁畴与磁畴之间存在磁化方向连续变化的过渡 层，称为磁壁。形成多畴结构可以降低铁磁体退磁能,但却增加了畴壁能，所以存在一个单畴临界尺寸使得退磁能和畴壁能之和最小，当颗粒小于这个临界尺寸，颗 粒为单畴结构。球状颗粒单畴半径临界尺寸估算值见表

9、3-1材料FeCoNiBaFe12019Fe3O4r-Fe203Rc/nm9.011.421.250020.025.0表3-1矫顽力：使已被磁化后的铁磁体的磁感应强度B降为零所必须施加的反向磁 场强度。内禀矫顽力：使已被磁化后的铁磁体的磁化强度M降为零所需施加的反向磁 场强度。当反向磁场H= Hcl时，虽然磁体的磁感应强度B为0,磁体对外不显示磁 通，但磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和往往并不为0，也就是说此时磁体的磁化 强度M在原来的方向往往仍保持一个较大的值。因此，Hc1还不足以表征磁体的内 禀磁特性；当反向磁场H增大到某一值Hc2时，磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和 为0,称该反向磁场H值为

10、该材料的内禀矫顽力Hc2。很明显Hc2Hcl。对于多畴体，磁化过程主要通过畴壁位移来完成；对于单畴体却以畴壁转动 改变磁化状态，作为单畴体的重要特征是矫顽力比多畴体高。超顺磁性:当颗粒处于单畴临界尺寸时,颗粒内的磁矩沿着易磁化方向取向排列,原子磁 矩由于强的交换耦合作用而取向一致;当微颗粒尺寸小于单畴临界尺寸时,随着颗粒 尺寸的减小，与体积成正比例的磁各向异性能(KV)将减小，当KV能量与热能(kBT)相 当或者更小时，在热扰动的作用下，颗粒磁矩将不再固定在某一个易极化方向，而是 在各易极化方向之间作随机取向，矫顽力为零，材料显示出超顺磁性。截止温度:超顺磁性与铁磁性（亚铁磁性）转变温度对应温

11、度称为截止温度TB,当温度TVTB时，颗粒呈现强磁性（铁磁性或亚 铁磁性）；TTB时，颗粒呈现超顺磁性。室温呈现超顺磁性的一些材料的临界尺寸估计值见表3-2材料FeCo (hep)Co (fee)Fe304r-Fe2O3CrO2ds/nm12.5414167070表3-2图3-1矫顽力与颗粒尺寸关系图中de为单畴直径临界尺寸，相应于矫顽力最大的颗粒尺寸；ds为超顺磁 性临界尺寸，相应于矫顽力为零的颗粒尺寸。两者均与温度有关。四、尖晶石铁氧体的应用虫晶石铁氧丼伸材料的应朗 1）啟性材料：peso*是应用最早的非金皿磴 性材料.丈寥数的铁氧体软罄、聽礒、矩磁、压镒时料均为立方尖晶石结构* FciO

12、3 与阳6是绘主流的破记录介感 NEFeiOM而足良好的血破材料，可用于X證段 锻渥铁氧怵醤杵 MnZn. Ni-Zn, Me-ZhLi-Zn, C：ii”Zji等宜合铁氧体是常见 的软醞材畸.擾广泛閘于逋信，广播、屯覘的:碟若扁破头寻警Mg-Mn S Mfi-Al慕也星良好的血磁材料，可团于制戍趙声、水尹器件零” Vi-Zn, Ni-M, lWgtgZn铁氧体用于吸滋材斛，用于军工领域；“射频与徹波电介质陶瓷材料； 饮酸镁乘氧优物可用于射孩微疲云功率电容器件.移融通侑&广捋电规发射等军 事、蜕天、航空较城；3）半导体附瓷材料：尖鬲石铁氧悴结构沟主晶相的NTC 热斌电阻半导瓷、气敏歴泯辕星半导

13、砸体，再则白于自身的优点植广湮用于捉高 岡耗喷殖虫品石铁氧挣薄離村料的施用心垂苴進紀录丹囲坡莫合金膜常用来柞 为CoCr垂.育雄纪录的底於，卡旱梵捕塞载厲，屍产牛鋼流，从帀会翻氐订录再 生特杵若采用Nb血去晶石锚氧体鹿作为底层可堤离磴记录铸陛：2）电子照 稲媚色剂,载偉；在小球袤面镀尖晶石铁氧惮膜.可臥鰹电子照相甜展大大提高】 3）徴波碗怵髀件：采用无掩膜生血拽术，注微速半寻悴、2洶楷中有选择沉和 铁氧体脱町制得环行器与邀茨器匚尖晶商铁氧体轴米的颐r I、Hi性流悴：一飙最用FrE或MnFEH愉程,经志而活也剂处理垢.井枚于舉剂的碗莪雄休.它披广辽用于机威宦劄、润冊*跟动阻用.矿酣分选，废水址

14、理*场离器吿执、医疗誓：2）濫件眾朮与迪黑=它可用于逖睛皓构的观罷，射盜印刷.吐陪梅脊，光则工艺等；肋和电童印墨粉：为打印与书写提供方1更；4）耐腐蚀电相：其趾妊的化学稳定性，现己用于电腹行业；5气狡元件 可用于咼灵放題、苕选舞气悴的敏感元件：4催比列可以用件 TO 中沿交接保化JW与汽车底柿化制：防 墟结雉久：加-2“铁気体tFeiuMnasiZn）徹粉可制成崗邂屋烧结磁头t S）电感波屏蕊材料：触于搁脂薛升岳旬制成电磁波刖蔽洙料.广狂用于阻形飞机*苛屋就豹等以料味 电眩轲射：处理含童&属活水成造：由址沓水議丈.验昨强绎轄直可吸 附于来杂淀沙、有机物.敝粧物尋弟啖t】仍生物医药：磁性髙弁于常坤.艮首 舉村料便提凭品石铁氢停梵社施穗定相密性好，强建高且；E直副忤月警特虚， 便之广挺用于雄并短就像、雄分离、靶向谿物等奁学鍾域