软磁材料及应用-March.ppt

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1、磁性功能材料及应用磁性功能材料及应用4Part 1 绪论绪论（4）4Part 2 磁电子学材料及应用磁电子学材料及应用(4)4Part 3 软磁材料及应用软磁材料及应用(12)4Part 4 永磁材料及应用永磁材料及应用(12)4Part 5 旋磁铁氧体材料及其应用（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电磁波吸收材料的发展及其在EMC中的应用中的应用(4)3.1 概述概述3.2 软磁材料理论基础材料理论基础 金属软磁材料软磁材料 非晶、纳米晶软磁材料2.5 铁氧体软磁材料软磁材料Part 3 软磁磁材料软磁磁材料3.5 3.5 软磁铁氧体材料软磁铁氧体材料3.

2、5.1 软磁铁氧体材料特性要求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尖晶石铁氧体材的结构与特性3.5.4 常见的软磁铁氧体材料常见的软磁铁氧体材料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一一.概述概述:1.要求：要求：四高四高-i、Q、fr、稳定性高、稳定性高(温度系数温度系数、减减 落因子落因子DF);2.特点：容易获得磁性也容易失去特点：容易获得磁性也容易失去,主要用于高主要用于高f弱场弱场二二.分类分类 二二.分类分类 1.按晶体结构按晶体

3、结构:尖晶石型尖晶石型;平面六角晶系平面六角晶系;2.按材料应用性能分：按材料应用性能分：1.高磁导率材料高磁导率材料(i=2000-4 104)：低频、宽频带变压器低频、宽频带变压器 及小及小 型型 脉冲变压器脉冲变压器 2.低损耗材料：电源磁芯低损耗材料：电源磁芯,高功率场合高功率场合;3.低损耗高温定性材料低损耗高温定性材料:通信滤波器磁芯通信滤波器磁芯;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（高功率铁氧体（高Bs）材料：）材料：开关电源及低频功率变压器开关电源及低频功率变压器 6 高密度记录材料：用做录音高密度记录材料：

4、用做录音,录象磁头录象磁头;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 技术技术磁特性参数磁特性参数磁特性参数磁特性参数1.起始磁导率起始磁导率I L：电感量（：电感量（mH）；）；R：电阻；：电阻；h、Di、Do：样品高，内径，外径：样品高，内径，外径2.磁损耗磁损耗:品质因素：品质因素：Q=L/R;损耗角正切：损耗角正切：tg=1/Q;比损耗系数比损耗系数:tg /i=1/iQ 一般材料一般材料i Q=常数常数.3.温度稳定性温度稳定性:温度系数温度系数 比温度系数：比温度系数：u/i4.4.减落减落:反映材料随时间的稳定性

5、反映材料随时间的稳定性5.5.磁老化磁老化6.6.截止频率截止频率fr:fr:由于畴壁或自然共振由于畴壁或自然共振,值值值值迅速下降迅速下降为起始值的一半且为起始值的一半且为起始值的一半且为起始值的一半且 达达达达到峰值时的频率到峰值时的频率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衡量材料应用频率的上限.f 软磁材料的磁性能软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降随时间增长而不断下降，其原因，其原因除减除减落之外，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变化，称为磁老化，用老化系数，称为磁老化，用老化系数Ia表示。式中表示。式中 1、

6、2分分别为老化前后测得的磁导率。别为老化前后测得的磁导率。在磁正常状态化之后，恒定温度下经过在磁正常状态化之后，恒定温度下经过 一定的时一定的时间间隔间间隔(t1-t2)，材料磁导率的相对减小。，材料磁导率的相对减小。软磁铁氧体的磁导率软磁铁氧体的磁导率一、起始磁导率的理论概述一、起始磁导率的理论概述:微观机理微观机理:可逆畴转，可逆畴壁位移可逆畴转，可逆畴壁位移 i=i 转转+i位位对于一般烧结铁氧体：对于一般烧结铁氧体：1.如内部气孔较多如内部气孔较多,密度低密度低,壁移难壁移难,i转转为主为主;2.如晶粒大如晶粒大,气孔少气孔少,密度高密度高,以壁移为主以壁移为主.磁化的难易程度决定于磁

7、化动力磁化的难易程度决定于磁化动力(MsH)与阻滞之比与阻滞之比,比值比值高则易磁化高则易磁化;反之难磁化反之难磁化.理论上提高磁导率的条件理论上提高磁导率的条件:1.1.必要条件：必要条件：1.Ms 1.Ms要高要高(MsMs2 2););2.k 2.k1 1,s s0;0;2.2.充分条件充分条件:1.1.原料杂质少原料杂质少,;2.2.密度要提高密度要提高(P (P ),),即材料晶粒尺寸要大即材料晶粒尺寸要大(D(D ););3.3.结构要均匀结构要均匀(晶界阻滞晶界阻滞););4.4.消除内应力消除内应力 s s ;5.5.气孔气孔,另相另相 (退磁场退磁场)二、提高二、提高i 的方

8、法的方法（一）（一）.提高材料的提高材料的Ms 尖晶石铁氧体尖晶石铁氧体 Ms=|MB-MA|1.选高选高MBs的单元铁氧体的单元铁氧体 如如:MnFe2O4(4.6-5 B);NiFe2O4(2.3 B)2.加入加入Zn,使使MAs降低降低 (二二).).降低降低 k k1 1和和 s s 1.离子取代降低离子取代降低k1,s 1.加入加入Zn2+,冲淡磁性离子的磁各向异性冲淡磁性离子的磁各向异性 2.加入加入Co2+:一般铁氧体一般铁氧体k10,正负正负k补偿；补偿；3.引入引入Fe2+,Fe2+在在MnZn表现为正表现为正k,可正负补偿调整可正负补偿调整k;4.加入加入Ti4+,2Fe3

9、+Fe2+Ti4+;有轨道矩存在的离子，通过晶场效应与自旋有轨道矩存在的离子，通过晶场效应与自旋-轨道耦合作用，轨道耦合作用，将产生大的磁晶各向异性。将产生大的磁晶各向异性。L=0或轨道矩猝灭的离子，磁或轨道矩猝灭的离子，磁晶各向异性小。晶各向异性小。2.2.选总轨道角动量选总轨道角动量L L=0=0的单元铁氧体的单元铁氧体;MnFe;MnFe2 2O O4 4,LiFeO,LiFeO4 4 3.3.选择选择L L被被猝灭猝灭;NiFe;NiFe2 2O O4 4 ,CuFe,CuFe2 2O O4 4 (三三).).显微结构：显微结构：1.1.结晶状态结晶状态:晶粒大小、完整性、均匀性；晶粒

10、大小、完整性、均匀性；2.2.晶界状态晶界状态:厚薄、气孔、另相；厚薄、气孔、另相；3.3.晶粒内气孔晶粒内气孔,另相另相:大小、多少和分布；大小、多少和分布；高高 材料材料:大晶粒大晶粒,晶粒均匀完整晶粒均匀完整,晶界薄晶界薄,无气孔和另相无气孔和另相(四四).).内应力对内应力对 的影响：的影响：1.1.有磁化过程中的磁致伸缩引起，它与有磁化过程中的磁致伸缩引起，它与 s s 成正比；成正比；2.2.烧结后冷却速度太快，晶格应变和离子、空位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；分布不均匀而产生畸变；3.3.由气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀由气孔、杂质、另相

11、、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。等引起的应力，与原材料纯度和工艺有关。高高材料材料:消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等 综上所述综上所述综上所述综上所述 1.1.1.1.原材料原材料原材料原材料：纯度高、活性好、杂质少：纯度高、活性好、杂质少：纯度高、活性好、杂质少：纯度高、活性好、杂质少,对对对对MnZnMnZnMnZnMnZn材料材料材料材料 而言粒度最好在而言粒度最好在而言粒度最好在而言粒度最好在0.150.150.150.150.25 m0.25 m0.25 m0.25 m范围内。特别注范围内。特别注范

12、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；意半径较的大杂质混入；意半径较的大杂质混入；2.2.2.2.配方除满足高配方除满足高配方除满足高配方除满足高MsMsMsMs，更重要是满足，更重要是满足，更重要是满足，更重要是满足k k k k1 1 1 1 0,0,0,0,s s s s 0 0 0 0；一般当要求一般当要求一般当要求一般当要求 i i i i在在在在5000500050005000以下时以下时以下时以下时,可以加入必要的添可以加入必要的添可以加入必要的添可以加入必要的添 加剂如加剂如加剂如加剂如 CaO,TiO CaO,TiO CaO,TiO CaO,

13、TiO2 2 2 2,LaO,CuO,Bi,LaO,CuO,Bi,LaO,CuO,Bi,LaO,CuO,Bi2 2 2 2O O O O3 3 3 3,B,B,B,B2 2 2 2O O O O3 3 3 3,BaO,BaO,BaO,BaO,V V V V2 2 2 2O O O O5 5 5 5,ZrO,ZrO,ZrO,ZrO2 2 2 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；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；3.3.3.3.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，造成磁化过程保证获得高密度及优良显微结构，造成

14、磁化过程保证获得高密度及优良显微结构，造成磁化过程 以以以以壁移壁移壁移壁移为主。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为主。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；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；4.4.4.4.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

15、，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。的稳定分布状态。的稳定分布状态。1.1010 还可能发生自然还可能发生自然交换共振。交换共振。摘自当代磁学摘自当代磁学p82一、软磁铁氧体磁谱及形状一、软磁铁氧体磁谱及形状软磁铁氧体的磁谱软磁铁氧体的磁谱磁谱磁谱：软磁材料在弱交变磁场中，复磁导率软磁材料在弱交变磁场中，复磁导率r=r-r 随频随频率变化的曲线率变化的曲线 二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素一、尺寸因素一、尺寸因素尺寸共振：尺寸共振：电磁波在介质内

16、的波长小于真空中的波长电磁波在介质内的波长小于真空中的波长c c是真空中的光速，是真空中的光速，f f是频率。是频率。对对Mn-ZnMn-Zn铁氧体铁氧体 103,5104,若若，求得，求得波长为厘米波长为厘米，当与磁场垂直方向，当与磁场垂直方向的磁芯尺寸与半波长（）整数倍相近时，将有驻波发生，电的磁芯尺寸与半波长（）整数倍相近时，将有驻波发生，电磁波将在样品中发生共振。采用磁波将在样品中发生共振。采用减小尺寸或叠片方式减小尺寸或叠片方式，可以，可以避免尺寸共振。避免尺寸共振。磁力共振效应：磁力共振效应：当交变磁场的频率与样品当交变磁场的频率与样品机械振动的固有频率一致机械振动的固有频率一致时

17、，由于磁致伸缩效应而时，由于磁致伸缩效应而发生的机械振动的共振效发生的机械振动的共振效应。应。通过通过调节样品尺寸或将样调节样品尺寸或将样品用绝缘材料固定防止振品用绝缘材料固定防止振动，动，可避免磁力共振现象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畴壁位移过程就是一种磁化弛豫过程，在交变磁场作用时在交变磁场作用时表现为频散和能量损耗。表现为频散和能量损耗。以180畴壁移动为例，单位畴壁面积的运动方程。右面三项依次为：右面三项依次为：使畴壁运动的使畴壁运动的磁场力磁场力；畴壁运动的畴壁运动的阻力阻力；弹性恢复力弹性恢复力。mw是单位面积畴壁的有是单位面积畴壁的有效质量。效质量。畴壁共振

18、和弛豫畴壁共振和弛豫 m 有效质量；有效质量；：劲度系数劲度系数；D 畴壁宽度；畴壁宽度；畴壁厚度畴壁厚度 ：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复力大小的量度，是一个结构灵敏常数-Nado公式共振角频率共振角频率 在交变磁场和磁晶各向异性等效场在交变磁场和磁晶各向异性等效场 Hk 共同作用下，在共同作用下，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磁场中磁化矢量的运动方程 有效场（内场）有效场（内场）在没有外部恒磁场作用时，磁晶各向异

19、性等效磁场和交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，且在在频散，且在自然共振频率位置发生共振自然共振频率位置发生共振，出现最大能量损，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：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：（斯诺克公式斯诺克公式）磁畴的自然共振磁畴的自然共振旋磁比旋磁比三三 提高提高fr的方法的方法1.降低降低ZnO含量含量 i ，fr （ZnO居里点、居里点、K1低低）2.选选K1较高的材料为高频材料较高的材料为高频材料；

20、f 1MHz,以以MnZn为主为主;f 1MHz,NiFe2O4 K1较大，以较大，以NiZn为主为主;f 100MHz,以平面六角结构材料为主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加入磁晶各向异性很强的离子 Co2+1.冻结畴壁的移动冻结畴壁的移动,提高畴壁共振频率提高畴壁共振频率 2.形成形成Co2Y相相,增大材料的增大材料的磁晶各向异性磁晶各向异性;原则：提高原则：提高HK(K1)、畴转动、气孔退磁作用、畴转动、气孔退磁作用(形状可形状可 向异性向异性)、应力各向异性、应力各向异性4.加入低熔点物质加入低熔点物质PbO,CuO 掺入低熔点物质，可使掺入低熔点物质，可使T烧

21、烧降低降低150200 C;提高密度和电阻提高密度和电阻 率，细化晶粒率，细化晶粒,获得高密度细晶粒结构获得高密度细晶粒结构,使使fr上升，在上升，在MnZn,NiZn 中都可以运用中都可以运用;5.降低烧结温度：形成降低烧结温度：形成多孔多孔细晶粒细晶粒结构从而增大结构从而增大Heff,提高提高fr 在在NiZn 中普遍采用；中普遍采用；6.热压成热压成高密度细晶粒材料高密度细晶粒材料，使畴壁减少至单畴；，使畴壁减少至单畴；7.应用时应用时:对对 k10(s0(s0)压力压力;磁芯开气隙磁芯开气隙,使使i;加直流偏磁场加直流偏磁场(固定畴壁固定畴壁);软磁铁氧体的损耗软磁铁氧体的损耗一、一、

22、.概述概述产生原因产生原因:软磁材料在弱交变场软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成另一方面由于各种原因造成B落后于落后于H而产生损耗而产生损耗,即材即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散.LeggLegg公式公式公式公式涡流损耗涡流损耗磁滞损耗磁滞损耗剩余损耗剩余损耗二二.磁损耗分类磁损耗分类:非共振区（损耗较小）非共振区（损耗较小）:1.1.涡流损耗涡流损耗;2.2.磁滞损耗磁滞损耗;3.3.剩余损耗剩余损耗;共振区（损耗较大）共振区（损耗较大）:4.4.尺寸损耗尺寸损耗;5.5.畴壁损耗畴壁损耗;6.6

23、.自然共振自然共振（一）、（一）、涡流损耗涡流损耗涡流损耗：由于电磁感应引起涡流而产生的损耗。涡流损耗：由于电磁感应引起涡流而产生的损耗。一般铁氧体一般铁氧体 很高时很高时,可忽略涡流损耗可忽略涡流损耗;对高对高 材料，由于材料，由于Fe2+含量较高，（含量较高，（=10-210 m），），涡流损耗较大。涡流损耗较大。降低涡流损耗的有效方法是降低涡流损耗的有效方法是:降低样品的厚度降低样品的厚度d（有效厚度（有效厚度de）提高提高晶粒内部晶粒内部 或或晶界晶界 1.1.晶粒内部晶粒内部:防止防止FeFe2+2+出现出现,如配方中如配方中FeFe2 2O O3 350mol%50mol%（FeF

24、e3 3O O4 4导电性好导电性好）在高频在高频NiZnNiZn要防止要防止FeFe2+2+产生产生,需在高氧气氛下烧结需在高氧气氛下烧结;采用缺铁配方采用缺铁配方,防止防止FeFe2+2+出现出现;加入适量的加入适量的MnMn2+2+,Co,Co2+2+,抑制抑制FeFe2+2+;加入助熔剂加入助熔剂CuOCuO或用或用CuOCuO替代部分替代部分NiONiO，形成，形成NiZnCuNiZnCu复合铁氧复合铁氧 体，提高电阻率；体，提高电阻率；降低降低T T烧烧,因因FeFe2+2+随随 T T烧烧 而而(高温时高温时O O2 2少少););2.提高晶界提高晶界(主要对主要对MnZn)对于

25、高对于高材料材料,选择添加剂在晶界形成高阻层选择添加剂在晶界形成高阻层;例如加入例如加入0.10.5mol%CaO SiO2,在晶界形成高阻在晶界形成高阻 的的CaSiO3;加入加入 Nb2O3、TaO、PbO、LaO、CuO 可降低可降低T烧烧,促进晶粒细化促进晶粒细化,晶界增多晶界增多,提高电阻率提高电阻率;加入加入TiO2,即使即使 Fe2+限制在限制在 Ti4+附近附近,防止防止 Fe2+Fe3+e导电机构形成导电机构形成;烧结后热处理使晶粒表面吸氧烧结后热处理使晶粒表面吸氧:Fe2+Fe3+(3000C以上以上)（二）、（二）、磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗：是指软磁材料在交变场中存在磁滞

26、损耗：是指软磁材料在交变场中存在不可逆磁化而形成不可逆磁化而形成磁滞回线，所引起材料损耗磁滞回线，所引起材料损耗，大小正比于回线面积，大小正比于回线面积.原因原因:不可逆的壁移不可逆的壁移,使使B落后于落后于H.降低损耗的方法降低损耗的方法:1.低场下低场下,防止不可逆磁化过程产生防止不可逆磁化过程产生,降低损耗与提高降低损耗与提高i的的 方法一致方法一致;但同时应注意但同时应注意 防止不可逆壁移的出现防止不可逆壁移的出现 2.高场下高场下,使不可逆磁化过程尽快完成使不可逆磁化过程尽快完成,减少磁滞回线面积减少磁滞回线面积.磁滞损耗的表达式：磁滞损耗的表达式：其中其中 ;b=d ;b=di i

27、/dH(b/dH(b为瑞利系数为瑞利系数)1.1.如如 b b不变不变,在相同的在相同的BmBm条件下条件下,i i,；2.2.，如，如 i i不变不变,使使b b，即减少不可逆壁移，即减少不可逆壁移所占比例，所占比例，因此因此使晶粒尺寸使晶粒尺寸,并使并使k k1 10 0。降磁滞损耗方法：降磁滞损耗方法：（一）在低场作用下：（一）在低场作用下：1.tg n 与与 i 一致一致,即要使可逆磁化为主即要使可逆磁化为主:2.但随但随i 不可逆磁化易产生不可逆磁化易产生,即即b ,故须采用故须采用 i 与不与不 一致一致的的方法方法:晶粒较小晶粒较小,均匀均匀,完整完整;晶界相对较厚晶界相对较厚,

28、气孔少。气孔少。举例：举例：在在MnZn中中,如用如用Ti4+取代部分取代部分Fe3+，Ti4+取代使取代使 k10；可；可降降低低T烧烧,，晶粒生长较小，气孔率低，晶粒生长较小，气孔率低;降磁滞损耗方法：降磁滞损耗方法：（二）在强场作用下（二）在强场作用下:加速不可逆磁化的发生加速不可逆磁化的发生(在在H小时发生小时发生)要要Hc小小,i,使磁滞回使磁滞回线面积线面积 :配方原则配方原则:k10,s 0原料要求纯原料要求纯,活性好活性好,与与i 一致一致(高高材料材料);工艺原则工艺原则:高密度高密度,较大晶粒较大晶粒,均匀均匀,完整完整,无异相掺杂无异相掺杂,内应力内应力;晶界晶界薄而整齐

29、薄而整齐,气孔少气孔少;与与高高Bs材料基本一致材料基本一致；（三）、剩余损耗（三）、剩余损耗剩余损耗：是软磁材料除涡流损耗和磁滞损耗以外的一切损耗，剩余损耗：是软磁材料除涡流损耗和磁滞损耗以外的一切损耗，在低频弱场在低频弱场,主要是磁后效损耗。主要是磁后效损耗。磁后效决定于磁后效决定于:扩散离子与空位浓度扩散离子与空位浓度;与工作温度、频率有关与工作温度、频率有关;扩散弛豫时间扩散弛豫时间:=1/(9.6 f exp(-/T)f:f:晶格振动频率晶格振动频率;:扩散离子浓度扩散离子浓度;:激活能激活能;离子激活能离子激活能高高,环境温度环境温度T T低低,则则 远较应用频率对应的远较应用频率

30、对应的 长，长，损耗小损耗小;一般情况下：一般情况下：低温下：低温下：Fe2+=Fe3+e 通过电子扩散引起通过电子扩散引起,损耗也延续至高损耗也延续至高温；温；室温：室温：Fe2+=Fe3+通过空位扩散通过空位扩散,出现在室温；出现在室温；室温或室温以上：室温或室温以上：Ni2+=Ni3+e，Co2+=Co3+e 通过电子的通过电子的扩散扩散,发生于室温发生于室温;因此控制后效损耗，从工艺上，防止因此控制后效损耗，从工艺上，防止Fe2+和和 Fe3+通过空位扩通过空位扩散。散。MnZn气孔少气孔少,损耗小损耗小;NiZn 气孔多气孔多,损耗大损耗大;从应用上从应用上:避开峰值时避开峰值时f(

31、T一定一定);避开峰值时避开峰值时T(f一定一定);高稳定性：磁导率的温度稳定性高，减落要小，随时间的老化高稳定性：磁导率的温度稳定性高，减落要小，随时间的老化要尽可能小，同时抗潮湿、电磁场、机械负荷电离辐射等的能要尽可能小，同时抗潮湿、电磁场、机械负荷电离辐射等的能力强。力强。引起的主要变化引起的主要变化:1.1.材料基本参数材料基本参数(k,(k,)温度稳定性温度稳定性 u u(可逆可逆););2.2.离子的扩散及组成分解离子的扩散及组成分解磁老化磁老化(不可逆不可逆););3.3.离子分布或价态的变化离子分布或价态的变化时间稳定性时间稳定性减落减落(可逆可逆);.);.软磁铁氧体的稳定性

32、软磁铁氧体的稳定性软磁铁氧体的稳定性软磁铁氧体的稳定性一、磁导率的温度稳定性及其影响因素一、磁导率的温度稳定性及其影响因素 一般铁氧体一般铁氧体i i T T可能出现一个峰或多个可能出现一个峰或多个峰峰;出现峰值原因：出现峰值原因：i i MsMs2 2/(K/(K1 1+3/2+3/2 s s)i i T T复杂函数复杂函数,一般只有二个峰一般只有二个峰,在一峰在一峰附近也可能由减落引起一些小峰附近也可能由减落引起一些小峰 1.1.峰出现原因峰出现原因:T T1 1（T T1 1 Tc50mol%50mol%）,在普通工艺在普通工艺(含含O O2 221%)21%)烧结，离子空位浓度上升烧结

33、，离子空位浓度上升,减落愈明显减落愈明显.3.3.在在N N2 2中退火中退火(120(1200 0C),C),氧化氧化减少减少,空位增加空位增加,减落增减落增 加。加。4.4.实验证明实验证明,在室温以上至在室温以上至 f f,减落随温度的变化出减落随温度的变化出 现多峰，峰的位置和高度与材料的成分和空位浓度现多峰，峰的位置和高度与材料的成分和空位浓度 有关。有关。激活能激活能 Q Q1 1=20.3ev;Q=20.3ev;Q2 2=10.15ev;Q=10.15ev;Q3 3 举例：举例：（MnZn)MnZn)FeFe2+2+(1-2 (1-2）Fe Fe3+3+（2+22+2）O O4+

34、r 4+r FeFe2+2+浓度浓度:C:C(Fe2+)(Fe2+)=(1-2=(1-2 ););阳离子空位浓度阳离子空位浓度C C(口口)=(3/4)=(3/4)令函数令函数f(f()代表阳离子空位浓度与浓度乘积代表阳离子空位浓度与浓度乘积:f(f()=C=C(口口)C C(Fe2+)(Fe2+)=(3/4)=(3/4)(1-2(1-2 )因此当离子的浓度和空位浓度配合很好后因此当离子的浓度和空位浓度配合很好后,f(,f()最最大大，减落最大减落最大减落机理减落机理减落机理减落机理:三角晶场引起感生三角晶场引起感生k ku u的结果的结果,冻结畴壁使磁导率冻结畴壁使磁导率降低降低,处于稳定态

35、；当强磁场磁化或磁中性化（测减落），处于稳定态；当强磁场磁化或磁中性化（测减落），离子处于高能态，随时间离子发生离子处于高能态，随时间离子发生:1.1.室温附近的短程有序扩散室温附近的短程有序扩散;2.B 2.B位上的离子空位与阳离子的定向有序扩散位上的离子空位与阳离子的定向有序扩散-长长 程有序扩散程有序扩散:0 0C)C)exp(exp(/kT);/kT);C C离子空位浓度离子空位浓度 控制减落的方法控制减落的方法控制减落的方法控制减落的方法控制减落主要是控制减落主要是控制空位浓度控制空位浓度：2+2+的控制的控制(避开峰出现于避开峰出现于T T应用应用f f应用应用),),因因FeFe

36、2+2+的的 减落主要发生在减落主要发生在低温低温；2.2.阳离子空位数的控制阳离子空位数的控制:在在N N2 2中烧结或在中烧结或在N N2 2中回火中回火;降低烧结温度降低烧结温度；FeFe2+2+FeFe3+3+;2.5.2 2.5.2 2.5.2 2.5.2 铁氧体的合成与制备技术铁氧体的合成与制备技术铁氧体的合成与制备技术铁氧体的合成与制备技术4从成分上分主要有：从成分上分主要有：Mn Zn，Ni-Zn系等尖晶石软磁铁氧体系等尖晶石软磁铁氧体平面型六角晶系软磁铁氧体平面型六角晶系软磁铁氧体4从应用角度讲，它又可分为从应用角度讲，它又可分为高高高高磁导率磁导率(i)软磁铁氧体软磁铁氧体

37、高高高高频大功率软磁铁氧体（又称功率铁氧体）频大功率软磁铁氧体（又称功率铁氧体）抗抗抗抗电磁干扰的（电磁干扰的（EMI）铁氧休等几类）铁氧休等几类 4氧化物法氧化物法4化学共沉淀法化学共沉淀法4水热法水热法4超临界法超临界法4微乳液法微乳液法4溶胶凝胶法溶胶凝胶法4喷雾焙烧法喷雾焙烧法4自蔓延高温合成技术法自蔓延高温合成技术法铁氧体的合成与制备技术铁氧体的合成与制备技术铁氧体的合成与制备技术铁氧体的合成与制备技术 软磁铁氧体材料的生产分为软磁铁氧体材料的生产分为2种种:将氧化物原料直接球磨混合将氧化物原料直接球磨混合,经成型和高温烧结制成铁氧体经成型和高温烧结制成铁氧体,即所谓即所谓的干法。这

38、种方法工艺简单的干法。这种方法工艺简单,配方准确配方准确,应用较为普遍。但采用氧化物应用较为普遍。但采用氧化物作原料作原料,烧结活性和混合的均性受到限制烧结活性和混合的均性受到限制,制约了产品性能的进一步提制约了产品性能的进一步提高高;另一种以化学共沉淀法为主的湿法工艺另一种以化学共沉淀法为主的湿法工艺,此工艺制备的铁氧体粉烧结此工艺制备的铁氧体粉烧结活性和均匀性好活性和均匀性好,但是湿法的工艺路线长、条件敏感、稳定性较差。但是湿法的工艺路线长、条件敏感、稳定性较差。氧化物法制备铁氧体的一般工艺流程氧化物法制备铁氧体的一般工艺流程配料配料配料配料添加剂添加剂添加剂添加剂烧结烧结烧结烧结检验检验

39、检验检验配方设计配方设计配方设计配方设计混料（一次球磨）混料（一次球磨）混料（一次球磨）混料（一次球磨）造粒、成型造粒、成型造粒、成型造粒、成型粉碎（二次球磨）粉碎（二次球磨）粉碎（二次球磨）粉碎（二次球磨）预烧预烧预烧预烧一、氧化物法一、氧化物法4选用高纯度的各种氧化物作原料，按一定配比混合后烧结成型制成。选用高纯度的各种氧化物作原料，按一定配比混合后烧结成型制成。4氧化物法优点：氧化物法优点：工艺简单工艺简单,配方准确配方准确,易于大规模工业生产。易于大规模工业生产。4氧化物法缺点：氧化物法缺点：高纯度的氧化铁、碳酸锰高纯度的氧化铁、碳酸锰(或氧或氧 化锰化锰)、氧化锌的价格很昂贵、氧化锌

40、的价格很昂贵,使得使得产品成本非常高。产品成本非常高。由于采用固相物作前驱体原料由于采用固相物作前驱体原料,各组分氧化物的反应各组分氧化物的反应活性都不高活性都不高,混混合也合也不可能做到微观均匀不可能做到微观均匀,因而在高温合成时因而在高温合成时,合成温度须非常高合成温度须非常高 (上千度上千度),),但仍但仍不能避免各组分高温扩散反应速度不一的缺不能避免各组分高温扩散反应速度不一的缺点点,造成造成成分偏析成分偏析,微观组织不均匀微观组织不均匀。球磨时间过长球磨时间过长,还会引入杂质和过量铁还会引入杂质和过量铁。这是导致传统氧化物法合成。这是导致传统氧化物法合成氧体过程中产品质量不稳定氧体过

41、程中产品质量不稳定,产品性能制备可重复性差的关键原因。产品性能制备可重复性差的关键原因。氧化物法优缺点氧化物法优缺点二、化学共沉淀法二、化学共沉淀法44选用一种合适的选用一种合适的选用一种合适的选用一种合适的可溶于水的金属盐类可溶于水的金属盐类可溶于水的金属盐类可溶于水的金属盐类，按所制备的，按所制备的，按所制备的，按所制备的材料组成计量，材料组成计量，材料组成计量，材料组成计量，将金属盐溶解，并以离子状态混合将金属盐溶解，并以离子状态混合将金属盐溶解，并以离子状态混合将金属盐溶解，并以离子状态混合均匀，再选择一种合适的沉淀剂，将金属离子均匀均匀，再选择一种合适的沉淀剂，将金属离子均匀均匀，再

42、选择一种合适的沉淀剂，将金属离子均匀均匀，再选择一种合适的沉淀剂，将金属离子均匀沉淀或结晶出来，再将沉淀物脱水或热分解而制得沉淀或结晶出来，再将沉淀物脱水或热分解而制得沉淀或结晶出来，再将沉淀物脱水或热分解而制得沉淀或结晶出来，再将沉淀物脱水或热分解而制得铁氧体微粉铁氧体微粉铁氧体微粉铁氧体微粉。44共沉淀法优点共沉淀法优点共沉淀法优点共沉淀法优点：颗粒细小、均匀纯度高，化学活性好颗粒细小、均匀纯度高，化学活性好颗粒细小、均匀纯度高，化学活性好颗粒细小、均匀纯度高，化学活性好。44共沉淀法缺点：共沉淀法缺点：共沉淀法缺点：共沉淀法缺点：粉体团聚难以克服粉体团聚难以克服粉体团聚难以克服粉体团聚难

43、以克服成本高、污染严重成本高、污染严重成本高、污染严重成本高、污染严重；难于大规模工业生产难于大规模工业生产难于大规模工业生产难于大规模工业生产三、溶胶凝胶法三、溶胶凝胶法44是是是是20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代迅速发展起来的新的湿化学合成方年代迅速发展起来的新的湿化学合成方年代迅速发展起来的新的湿化学合成方年代迅速发展起来的新的湿化学合成方法，被广泛应用于各种无机功能材料的合成中。将法，被广泛应用于各种无机功能材料的合成中。将法，被广泛应用于各种无机功能材料的合成中。将法，被广泛应用于各种无机功能材料的合成中。将金属有机化合物溶解于金属有机化合物溶解于金属有机化合物溶

44、解于金属有机化合物溶解于有机溶剂中有机溶剂中有机溶剂中有机溶剂中，形成溶胶形成溶胶形成溶胶形成溶胶，再再再再采取适当的方法使之形成凝胶采取适当的方法使之形成凝胶采取适当的方法使之形成凝胶采取适当的方法使之形成凝胶。再经高温焙烧制得再经高温焙烧制得再经高温焙烧制得再经高温焙烧制得纳米级氧化物铁氧体微粉纳米级氧化物铁氧体微粉纳米级氧化物铁氧体微粉纳米级氧化物铁氧体微粉。44优点优点优点优点：纯度高，均匀性好，化学化学活性好。纯度高，均匀性好，化学化学活性好。纯度高，均匀性好，化学化学活性好。纯度高，均匀性好，化学化学活性好。44缺点：缺点：缺点：缺点：粉体团聚难以克服粉体团聚难以克服粉体团聚难以克

45、服粉体团聚难以克服成本高、污染严重；成本高、污染严重；成本高、污染严重；成本高、污染严重；难于大规模工业生产难于大规模工业生产难于大规模工业生产难于大规模工业生产3.5.3 3.5.3 尖晶石铁氧体的晶体结构、基本特性尖晶石铁氧体的晶体结构、基本特性 尖晶石铁氧体的晶体结构尖晶石铁氧体的晶体结构基本概念：基本概念：铁氧体：包括铁氧体：包括铁族离子或其它过渡族金属离子及其铁族离子或其它过渡族金属离子及其他金属离子的氧化物他金属离子的氧化物（或硫化物）。（或硫化物）。天然尖晶石铁氧体：有天然尖晶石铁氧体：有FeFe3+3+,O,O2-2-及其他金属离子结构及其他金属离子结构与天然尖晶石与天然尖晶石

46、(MgAl(MgAl2 2O O4 4)相同的氧化物相同的氧化物-晶体晶体;一般式：一般式：ABAB2 2O O4 4-MeFe-MeFe2 2O O4 4晶体结构：晶体结构：.晶体晶体晶胞：单晶、多晶晶胞：单晶、多晶 .非晶体：非晶体：纳米晶纳米晶4 铁氧体晶体结构分类：铁氧体晶体结构分类：（1 1）尖晶石：）尖晶石：ABAB2 2O O4 4，主要有，主要有NiZnNiZn和和MnZnMnZn。A A：四面体位置；：四面体位置；B B：八面体位置。：八面体位置。（2 2）磁铅石：）磁铅石：MFeMFe1212O O1919，M M2+2+：二价金属离：二价金属离 子。主要有子。主要有BaF

47、eBaFe1212O O1919 和和SrFeSrFe1212O O1919 （3 3）石榴石：）石榴石：R R3 3FeFe1212O O1919，R R3+3+：三价稀土金：三价稀土金 属离子属离子一、一、单位晶胞单位晶胞结构结构 1 1、面心立方结构，以、面心立方结构，以O O2-2-为骨架构成面立方心，为骨架构成面立方心，以以 111 111 轴为密堆积方向，重复按轴为密堆积方向，重复按ABCABC、ABC ABC，其它金属离子在，其它金属离子在O O2-2-构成的空隙中。构成的空隙中。2 2、单位晶胞由、单位晶胞由8 8个小立方（子晶格）组成；共边个小立方（子晶格）组成；共边 离子分

48、布相同，共面不同。每个小立方含有离子分布相同，共面不同。每个小立方含有4 4个个 O O2-2-，则，则4 4 8=328=32；O O2-2-分布在对角线的分布在对角线的1/41/4、3/43/4处处 ,并在并在B B离子对面离子对面(有有B B离子的子晶格离子的子晶格)靠近靠近A A离子离子 的那个位置。的那个位置。O O2-2-间隙中嵌入间隙中嵌入A,BA,B离子。离子。3 3、由氧离子构成的空隙分两种由氧离子构成的空隙分两种:4 4个个O O2-2-构成四面构成四面 体体-A-A位位;6 6个个O O2-2-构成八面体构成八面体-B-B位位A位位A位位B位位A位位B位位B位位O2-AB

49、2O44 4、单位晶胞中有、单位晶胞中有A A位位6464个个,B,B位位3232个个;实有实有A A位位8 8个个,B,B位位1616个个 5 5、单位晶胞含有、单位晶胞含有8 8个尖晶石铁氧体分子个尖晶石铁氧体分子推导：推导：A A位位:由每个小立方顶点由每个小立方顶点O O2-2-和对应相邻三个面心和对应相邻三个面心O O2-2-组组成，单位晶胞中成，单位晶胞中 8 8 8=648=64个个A A位位B B位：位：8 8个小立方中，个小立方中，6 6个个O O2-2-组成一个组成一个B B间隙，每条棱间隙，每条棱边的边的2 2个顶点个顶点O O2-2-和相邻和相邻4 4个面心个面心O O

50、2-2-形成一个形成一个 B B 间隙间隙,因此单位晶胞因此单位晶胞 8 8 (1+12 (1+12 1/4 1/4）=32=32个个B B位位A A、B B位实有数：单位晶胞中有位实有数：单位晶胞中有8 8个离子占据个离子占据A A位，（有位，（有四个小立方中心各占四个小立方中心各占1 1个，即个，即41+41+每个小立方对角顶每个小立方对角顶点占点占4 4个个84/884/8）;16;16个占据个占据B B位（有四个小立方的体位（有四个小立方的体对角线的对角线的3/43/4处个占处个占1 1个，即个，即4444），），3232个个O O2-2-；8 8 (AB(AB2 2O O4 4）-二