鐵氧體的基本性質(zhì)

    鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物。就電特性來說，鐵氧體的電阻率比金屬、合金磁性材料大得多，而且還有較高的介電性能。鐵氧體的磁性能還表現(xiàn)在高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率。因而，鐵氧體已成為高頻弱電領(lǐng)域用途廣泛的非金屬磁性材料。由于鐵氧體單位體積中儲(chǔ)存的磁能較低，飽合磁化強(qiáng)度也較低（通常只有純鐵的1/3～1/5），因而限制了它在要求較高磁能密度的低頻強(qiáng)電和大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

    鐵氧體是由鐵的氧化物及其他配料燒結(jié)而成。一般可分為永磁鐵氧體、軟磁鐵氧體和旋磁鐵氧體三種。

    永磁鐵氧體又叫鐵氧體磁鋼，就是我們平時(shí)見到的黑色小磁鐵。其組成原材料主要有氧化鐵、碳酸鋇或碳酸鍶。充磁后，殘留磁場的強(qiáng)度很高，并可以長時(shí)間保持殘留磁場。通常用作永久磁鐵材料。例如：揚(yáng)聲器磁鐵。

    軟磁鐵氧體是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物（例如：氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等）配制燒結(jié)而成。之所以稱之為軟磁，是因?yàn)楫?dāng)充磁磁場消失后，殘留磁場很小或幾乎沒有。通常用作扼流圈，或中頻變壓器的磁芯。這和永磁鐵氧體是完全不同的。

    旋磁鐵氧體是指具有旋磁特性的鐵氧體材料。磁性材料的旋磁性是指在兩個(gè)互相垂直的直流磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內(nèi)部按一定方向的傳播過程中，其偏振面會(huì)不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 。旋磁鐵氧體已廣泛應(yīng)用于微波通信領(lǐng)域。按照晶體類型分，旋磁鐵氧體可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型（六角型）鐵氧體。

    磁學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用情況的不同，鐵氧體可分為：軟磁、永磁、旋磁、矩磁、壓磁等五種類型。

    這類材料在較弱的磁場下，易磁化也易退磁，如鋅鉻鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。軟磁鐵氧體是當(dāng)前用途廣，品種多，數(shù)量大，產(chǎn)值高的一種鐵氧體材料。它主要用作各種電感元件，如濾波器磁芯、變壓器磁芯、無線電磁芯，以及磁帶錄音和錄像磁頭等，也是磁記錄元件的關(guān)鍵材料。

    一種具有單軸各向異性的六角結(jié)構(gòu)的化合物。主要是鋇、鍶、鉛三種鐵氧體及其復(fù)合的固溶體。有同性磁和異性磁之分。由于這類鐵氧體材料在外界磁化場消失以后，仍能長久地保留著較強(qiáng)的恒定剩磁性質(zhì)，可以用于對外部空間產(chǎn)生恒穩(wěn)的磁場。其應(yīng)用很廣泛，例如：在各類電表中、發(fā)電機(jī)、電話機(jī)、揚(yáng)聲器、電視機(jī)和微波器件中作為恒磁體使用。

    鐵氧體硬磁材料磁化后不易退磁，因此，也稱為永磁材料或恒磁材料。如鋇鐵氧體、鋼鐵氧體等。它主要用于電信器件中的錄音器，拾音器、揚(yáng)聲器，各種儀表的磁芯等。

    磁性材料的旋磁性是指在兩個(gè)互相垂直的穩(wěn)恒磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內(nèi)部雖然按一定的方向傳播，但其偏振面會(huì)不斷地繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。金屬、合金材料雖然也具有一定的旋磁性，但由于電阻率低、渦流損耗太大，電磁波不能深入其內(nèi)部，所以無法利用。因此，鐵氧體旋磁材料旋磁性的應(yīng)用，就成為鐵氧體獨(dú)有的領(lǐng)域。旋磁材料大都與輸送微波的波導(dǎo)管或傳輸線等組成各種微波器件。主要用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、遙測等電子設(shè)備中。

    這是指具有矩形磁滯回線的鐵氧體材料。它的特點(diǎn)是，當(dāng)有較小的外磁場作用時(shí)，就能使之磁化，并達(dá)到飽和，去掉外磁場后，磁性仍然保持與飽和時(shí)一樣。如鎂錳鐵氧體，鋰錳鐵氧體等就是這樣。這種鐵氧體材料主要用于各種電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器磁芯等方面。

    這類材料是指磁化時(shí)在磁場方向作機(jī)械伸長或縮短的鐵氧體材料，如鎳鋅鐵氧體，鎳銅鐵氧體和鎳鉻鐵氧體等。壓磁材料主要用作電磁能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的換能器，作磁致伸縮元件用于超聲。

    磁性材料的應(yīng)用很廣泛，可用于電聲、電信、電表、電機(jī)中，還可作記憶元件、微波元件等?？捎糜谟涗浾Z言、音樂、圖像信息的磁帶、計(jì)算機(jī)的磁性存儲(chǔ)設(shè)備、乘客乘車的憑證和票價(jià)結(jié)算的磁性卡等。下面著重談磁帶上所用的磁性材料和作用原理。

    硬磁性材料被磁化以后，還留有剩磁，剩磁的強(qiáng)弱和方向隨磁化時(shí)磁性的強(qiáng)弱和方向而定。錄音磁帶是由帶基、粘合劑和磁粉層組成。帶基一般采用聚碳酸脂或氯乙烯等制成。磁粉是用剩磁強(qiáng)的r－Fe2O3或CrO2細(xì)粉。錄音時(shí)，是把與聲音變化相對應(yīng)的電流，經(jīng)過放大后，送到錄音磁頭的線圈內(nèi)，使磁頭鐵芯的縫隙中產(chǎn)生集中的磁場。隨著線圈電流的變化，磁場的方向和強(qiáng)度也作相應(yīng)的變化。當(dāng)磁帶勻速地通過磁頭縫隙時(shí)，磁場就穿過磁帶并使它磁化。由于磁帶離開磁頭后留有相應(yīng)的剩磁，其極性和強(qiáng)度與原來的聲音相對應(yīng)。磁帶不斷移動(dòng)，聲音也就不斷地被記錄在磁帶上。

    放音時(shí)，將已錄音的磁帶以錄音時(shí)同樣的速度緊貼著放音磁頭縫隙進(jìn)。磁頭鐵芯是用高導(dǎo)磁率鐵氧體軟磁材料制成的，它對磁通阻力很小。因此，磁帶上所錄的音頻剩磁通，容易通過磁頭鐵芯而形成回路。磁帶上的剩磁通在放音磁頭線圈上感應(yīng)出一個(gè)與剩磁通變化規(guī)律相同的感應(yīng)電動(dòng)勢。再經(jīng)過放音放大器放大后，送去推動(dòng)揚(yáng)聲器，磁帶上所錄下的音頻信號便還原成原來的聲音。

    錄像磁帶與錄音磁帶所用的材料及作用原理基本相同，不過錄音記錄的是代表聲音的電信號，而錄像記錄的是代表景物的電視信號。電視信號中不但有聲音信號還有圖像信號。錄像磁帶與錄音磁帶相比，錄像磁帶記錄的密度很高，因?yàn)殇浵翊艓в涗洸ㄩL是微米數(shù)量級，為在這波長范圍能有充分的靈敏度和信噪比，磁性體粒度必須小，磁性層表面必須平滑。而且磁性層表面的耐磨性必須好，才能在同磁頭的高速摩擦以及同磁帶的輸送系統(tǒng)的固定部分摩擦條件下使用。為此，所使用的粘合劑必須耐熱、耐磨。

    應(yīng)用于計(jì)算機(jī)磁性存儲(chǔ)設(shè)備和作為乘客乘車的憑證和票價(jià)結(jié)算的磁性卡所用的磁性材科及作用原理，同磁帶所用的磁性材料及作用原理基本相同，只是用處不同而已。在磁性卡上有一窄條磁帶，當(dāng)你乘地鐵從甲站到乙站時(shí)，在甲站向儀器中投入從甲站到乙站的票錢（硬幣），之后投出一張磁性卡，在投出這張磁性卡的過程中已錄上了到乙站下車的磁記錄，拿這張磁性卡乘車到乙站后投入到儀器中，門開，出站。如果沒在乙站下車，而是在比乙站遠(yuǎn)的丙站下車，投入的硬幣不夠，出站門不開。要拿磁性卡補(bǔ)票后才能出站。

    在乙站或丙站投入磁性卡的過程，就是磁記錄經(jīng)過磁頭變成電信號的過程。再用電信號控制站門開關(guān)。

    電機(jī)的鐵芯所用的磁性材料一般用硬磁鐵氧體，這些材料的特點(diǎn)是磁化后不易退磁。對磁通的阻力小。

    根據(jù)鐵氧體結(jié)晶構(gòu)造和形態(tài)，制備工藝大致分為：多晶鐵氧體生產(chǎn)工藝；鐵氧體化學(xué)工藝；單晶鐵氧體制造工藝及其他特種工藝，如鐵氧體多晶薄膜和非晶鐵氧體等。 

多晶鐵氧體生產(chǎn)工藝

類似陶瓷工業(yè)中常用的燒結(jié)過程，包括如下步驟：經(jīng)固相反應(yīng)形成鐵氧體的金屬氧化物或碳酸鹽或其他化合物，在混合均勻之后，經(jīng)球磨、干燥，壓成特定的形狀。在大約1000°C的溫度下進(jìn)行預(yù)燒后，再一次充分研磨和混合。加入適量的粘合劑，壓成所要求的形狀或者作為塑性物質(zhì)擠壓成管狀、棒狀或條狀。然后在1200～1400°C溫度下燒結(jié)，準(zhǔn)確的溫度取決于所需的鐵氧體特性。在最后的燒結(jié)過程中，爐膛中的環(huán)境條件起有重要的作用。

鐵氧體化學(xué)工藝

亦稱濕法工藝，有時(shí)還稱為化學(xué)共沉淀法。專門制備較高性能鐵氧體的工藝方法，又可分成中和法和氧化法。其過程是：先將制備鐵氧體時(shí)所需的金屬元素，配制成一定濃度的離子溶液，然后根據(jù)配方取適量溶液進(jìn)行混合，通過中和或氧化等化學(xué)反應(yīng)生成鐵氧體粉末，其后工藝過程與前面介紹的相同。

單晶鐵氧體制造工藝

與非金屬單晶生長大致相同。Mn-Zn和Ni-Zn系鐵氧體單晶生長一般是采用布里茲曼法，即把多晶鐵氧體放入鉑坩堝里熔融后，在適當(dāng)?shù)臏囟忍荻入姞t中使坩堝下降，從坩堝底部慢慢固化生成單晶。為了使熔融狀態(tài)下形成的氧分壓達(dá)到平衡，晶體生長時(shí)在爐膛內(nèi)需要加幾個(gè)乃至100個(gè)MPa的氧分壓。

鐵氧體多晶薄膜的制備

如垂直磁化的鋇鐵氧體薄膜，采用新型的對向靶濺射裝置進(jìn)行濺射。制備石榴石單晶薄膜，多采用在單晶基板上進(jìn)行氣相或液相外延法，其具體工藝過程同半導(dǎo)體單晶薄膜的外延方法極為相近。

非晶鐵氧體的制備

當(dāng)前是采用超急冷方法和濺射法，所謂超急冷法即把鐵氧體原料和適量的類金屬元素混合后，在高溫熔融狀態(tài)下，驟然施行大溫度梯度的超急冷卻的方法。這方面的研究工作剛剛開始，制品的性能還不甚理想。

粉料制備方法

鐵氧體粉料的制備就是完成從原料到鐵氧體粉料的制造過程，鐵氧體粉的制造方法有許多種。

（1）溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理而成氧化物或其他化合物固體的方法。溶膠凝膠法是制備材料的濕化學(xué)方法中一種常用的方法，廣泛應(yīng)用于制備鐵氧體納米材料。

（2）化學(xué)共沉淀法

化學(xué)共沉淀法是制備鐵氧體的一種常見的方法。它是利用沉淀劑（如OH-、CO32-等）將溶液中的金屬離子共同沉淀，經(jīng)過過濾、洗滌、干燥、灼燒等過程得到產(chǎn)物。

（3）氧化物法

氧化物法制備鐵氧體的要點(diǎn)是把原材料混合、加熱，通過故態(tài)物質(zhì)間的反應(yīng)而獲得鐵氧體粉料。為了有效地促進(jìn)固相反應(yīng)而獲得均勻的、性質(zhì)好的鐵氧體粉料，除了注意原材料的選擇外，還要注意混和、預(yù)燒和粉碎條件的確定。氧化物法是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的手段。