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§9.6 铁氧体 （ ferrite ceramics ）

§9.6 铁氧体 （ ferrite ceramics ）. 磁性半导体，磁性瓷 或 铁淦氧磁物 ； 是将铁的氧化物与其他一些金属氧化物用制造陶瓷的方法制成的非金属磁性材料 ； 铁氧体与金属磁性材料并列 ， 构成磁性材料的两大类别 。. 一、铁氧体的组成与分类. 1. 组成 主要成分 ： Fe 3 O 4 还含有二价或一价的金属 ，如： Mn 、 Zn 、 Cu 、 Ni 、 Mg 、 Ba 、 Pb 、 Sr 、 Li 等的氧化物； 三价的稀土金属 ，如： Y 、 Sm 、 Eu 、 Gd 、 Tb 、 Dy 、 Ho 及 Er 等的氧化物； 颜色深，黑色陶瓷 ；

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§9.6 铁氧体 （ ferrite ceramics ）

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  1. §9.6 铁氧体（ferrite ceramics） 磁性半导体，磁性瓷或铁淦氧磁物； 是将铁的氧化物与其他一些金属氧化物用制造陶瓷的方法制成的非金属磁性材料； 铁氧体与金属磁性材料并列，构成磁性材料的两大类别。

  2. 一、铁氧体的组成与分类 1.组成 • 主要成分：Fe3O4 • 还含有二价或一价的金属，如：Mn、Zn、 Cu、Ni、Mg、Ba、Pb、Sr、Li等的氧化物； • 三价的稀土金属，如：Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、 Ho及Er等的氧化物； • 颜色深，黑色陶瓷； • 还出现一些不含铁离子，但却具有铁磁性的氧化物材料，如：NiMnO3及CoMnO3等。

  3. 2.铁氧体陶瓷的晶体结构及其分类 （1）主晶相：三类 尖晶石型（MFe2O4,面心立方） 磁铅石型（MFe12O19，三方） 石榴石型（R3Fe5O12，体心立方） (M为铁族元素，R为稀土元素) 此外还有钙钛矿和钨青铜型等； （2）按其性质和用途分类: 软磁、硬磁、矩磁、旋磁、压磁、磁泡、磁光和热敏铁氧体等8大类型。

  4. 3.性质 ：102～1012Ω·m磁性半导体 （一般金属磁性材料：10-4～10-2Ω·m） ∴用铁氧体作磁芯时，涡流损失小，介质损耗低，适合在高频下直至微波及光频范围使用；而金属磁性材料，由于介质损耗大，应用频率不能超过10～100KHz范围； ：远高于其他金属磁性材料。 缺点：饱和磁化强度较低（纯铁的1/3～1/5）； T居里低；不宜在低频大功率或高温下工作！

  5. 4.应用 主要用于高频、超高频技术 例如：制作各种电感元件、磁记录元件以及微波器件等，还可以制成磁鼓、磁盘、磁卡和各种磁带等，用作计算机外存储装置和录音、录像、录码介质及各种信息记录卡使用。 稀土铁石榴石薄膜具有高的矫顽力，良好的热、化学稳定性及强的磁光效应等特点，被认为是最具应用前景的下一代磁光记录材料。

  6. 二、铁氧体的制备工艺 • 制备方法粉末冶金的方法 （1） 干法 采用氧化物作原料，固相反应，活性较差，不易完全，但工艺简便，应用普遍； （2） 湿法（化学方法） 采用硫酸盐、硝酸盐和草酸盐等作原料，制成含Fe3+(或Fe2+)以及其他金属离子的水溶液，再用碱(NaOH)、草酸(H2C2O4)或草酸铵[(NH4)2C2O4·H2O]混合共沉淀，然后经冲洗烘干成型烧结等工序得到铁氧体产品； 湿法制备的原料化学活性较高，磁特性较好，是一种有发展前途的方法。

  7. （3）喷射燃烧法 按比例配好料后，用高压喷成雾状进入燃烧室，烧成铁氧体。 （4）电解共沉淀法 配方金属——阳极，另一种金属——阴极 电解沉淀得到混合物原料。 2. 制备工艺过程 配料混合预烧（800～1000℃，1～4 h）成型烧结（1000～1400℃，1～10+h）降温热处理（获得所需要的磁性能，消除热应力）。 高值材料：缓冷；记忆元件：淬火。 还应注意减少气孔相，它有消磁作用。 新工艺技术：热压结法、喷雾法、浆铸法、冰冻法等。

  8. 三、单晶与薄膜铁氧体 单晶铁氧体，可用于观察磁畴、研究铁磁共振、磁致伸缩、磁晶各向异性能等。 • 铁氧体单晶的制备方法 溶盐法、温度梯度法(Bridgman法)、提拉法(Czochralski法)水热法、浮区法、焰熔法(Vemeuil法)等，各种方法的原理、仪器设备已作介绍，不再重复。 2. 薄膜铁氧体的制备 制备方法：液相外延、化学气相沉积、溅射法、蒸发法等。已经制成的铁氧体薄膜有：Fe3O4、CoFe2O4、MgFe2O4、 NiFe2O4、Ni—Zn、Mg—Mn和Y2Fe5O12等。 膜厚：几十nm～几百nm。

  9. 四、微波铁氧体（microwave ferrites） 在恒磁场和交变电磁场的共同作用下，微波铁氧体的磁导率表现为张量形式，即具有旋磁特性和铁磁共振特性，又称旋磁铁氧体。 微波铁氧体的基本性能参数和主要要求如下： ①饱和磁化强度Ms，Ms越高，旋转特性越强。但过高的Ms又会降低器件的承受功率； ②铁磁共振线宽H，对于工作在共振区以外的低场器件及利用共振吸收现象做的器件，H越小，损耗越小。H是表征铁磁共振损耗的重要指标； ③居里温度Tc：微波铁氧体器件使用温度为-60～100℃。在这样宽的温度范围内，需要材料的Ms具有良好的温度稳定性；提高材料的居里温度Tc是改善Ms温度稳定性的有效措施；

  10. ④电阻率和介电损耗tg：各种器件都要求材料的电损耗越小越好，因此，电阻率越高越好，一般不低于108cm；介电损耗越低越好，介电损耗角正切最好低于0.001；④电阻率和介电损耗tg：各种器件都要求材料的电损耗越小越好，因此，电阻率越高越好，一般不低于108cm；介电损耗越低越好，介电损耗角正切最好低于0.001； ⑤介电常数：铁氧体的在微波频率范围内变化不大，一般无特殊要求；如为加强波导中的能量集中效应，则要求有较高的； ⑥密度：密度与Ms和H有直接联系。一般密度越高，Ms越大，H越小；反之，Ms越小，H越大。 多晶 微波铁氧体块状 单晶 薄膜

  11. 单晶比一般多晶材料的共振线宽小l~2个数量级，因而损耗低，是电调滤波器、限幅器件等可调器件的主要材料。单晶比一般多晶材料的共振线宽小l~2个数量级，因而损耗低，是电调滤波器、限幅器件等可调器件的主要材料。 • 利用其声学和光学性能又可做成电调延迟线、磁光调制器、光隔离器等。 • 晶体结构主要有尖晶石(锂系)单晶、石榴石(铋钙钒)单晶和六角晶系单晶，常用的是石榴石单晶材料。 • 多晶材料包括尖晶石型的镁系(MgFe2O4)、锰系(Mn Fe2O4)、镍系(Ni Fe2O4)，锂系(Li0.5 Fe2.5O4)及镁锰(Mg—Mn)系等，是最早使用的微波铁氧体材料；

  12. 石榴石型的钙钒(Ca—V)系形成的YCaV．BiCaV、YIG等，以及通过Si、Ge、V， Ti、Sn、Zr、In， Th、Sr、La代替部分Y和Fe所形成一系列复合石榴石材料，具有共振线宽窄，介电损耗小(tg＝10-4～10-5)等特点，大量应用于X波段以下及高功率器件方面； • 磁铅石型的M型(BaFe12O17)和W型(BaMe2Fe16O27, Me代表Mn、Zn、Co等二价金属)材料，由于具有高的各向异性场，适用于作毫米波段的铁氧体器件。 • 常用的多晶微波铁氧体包括尖晶石型和石榴石型两大类，前者价格便宜，后者性能优良。

  13. 制备工艺关键 ①控制Ms。用非铁磁性离子Zn2+、Mn2+等代替铁磁性二价金属离子，可适当提高Ms；用非铁磁性三价金属离子Al3+、Cr3+等代替Fe3+，可以降低Ms；此外，改变烧结制度，调整密度可使Ms变化20％； ②控制H。一般，H越小越好。本征线宽、各向异性，密度和晶相是影响多晶铁氧体H的主要因素。本征线宽是无法避免的，在某些多晶材料中，掺少量的Co，用其正的各向异性去抵消其他负的各向异性，可以降低H；此外加Al3+、In2+也可降低H； ③控制密度。配方确定以后，原材料的活性和工艺方案决定材料的密度(如调节粉料粒度，控制烧结温度，适当延长保温时间等)，使用助溶剂等可控制密度； ④提高电阻率。材料中的Fe3O4与电阻率密切相关，必须防止Fe3O4的出现，可在配方中减少Fe的成分，使用氧气烧结及特殊的热处理工艺等来提高电阻率。

  14. 谢 谢！

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