磁性陶瓷被廣泛運(yùn)用于人類(lèi)日常生活、科技與國(guó)防事業(yè)中。對(duì)人們的生活產(chǎn)生很多影響。
磁性陶瓷又稱鐵氧體或鐵淦氧，是特種陶瓷材料中的重要品種。
磁性陶瓷的半導(dǎo)體材料，它的電阻率在10～107Ω·m，用作磁芯時(shí)，渦流損失小，介質(zhì)損耗低，最適合使用于一般磁性金屬磁性材料無(wú)法勝任的高頻下，多樣的磁學(xué)性能，使磁性陶瓷在自動(dòng)化控制、電子計(jì)算機(jī)和微波技術(shù)等方面獲得廣泛應(yīng)用，顯示出它強(qiáng)大的生命力。
一、磁性原理
眾所周知，物質(zhì)的特性是由構(gòu)成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)決定的。電子不停地圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還在自轉(zhuǎn)，因而就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，象一個(gè)個(gè)小小的磁鐵，這叫做磁矩，原子核也具有磁矩�？梢赃@樣說(shuō)，一切物質(zhì)都具有磁性。那么，為什么大多數(shù)物質(zhì)在自然界并不顯示磁性呢?如果物質(zhì)結(jié)構(gòu)具有填滿軌道的成對(duì)電子，它們的磁矩接近互相抵消，使得物質(zhì)的磁性非常弱，因而大多數(shù)物質(zhì)幾乎不顯示磁性。而只有如鐵、鈷、鎳等過(guò)渡族或稀士族元素，其外層軌道有不成對(duì)電子，它們產(chǎn)生的磁矩彼此沒(méi)有完全抵消，因而保留了一個(gè)永久磁矩。該磁矩在一種“交換作用”機(jī)理作用下，使許多原子磁矩相疊加，就形成了一個(gè)磁鐵，物質(zhì)在宏觀上就表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性，具有這種特性的材料就是鐵磁性材料。
鐵磁性材料的一大特點(diǎn)就是相對(duì)磁導(dǎo)率特別大，另一大特點(diǎn)就是鐵磁性在一定溫度和磁場(chǎng)作用下，顯示出很強(qiáng)的磁性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：?jiǎn)我辉氐拇判圆⒉缓�，而幾種鐵磁性元素與其它元素組成合金時(shí)，才具有優(yōu)良的磁性能，磁性陶瓷即屬這一類(lèi)鐵磁性材料。
二、磁性陶瓷的類(lèi)別
磁性陶瓷按晶體結(jié)構(gòu)分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型三類(lèi)。根據(jù)外加磁場(chǎng)和磁化情況不同，分為軟磁鐵氧體、壓磁鐵氧體、旋磁鐵氧體、鉅磁鐵氧體、壓磁鐵氧體五類(lèi)。
軟磁鐵氧體，易被磁化，也容易退磁，適用于反復(fù)磁化的場(chǎng)合，可作為導(dǎo)磁介質(zhì)，以高效、低耗傳遞電磁能量。它的最大用途是各種變壓器、傳感器、電磁鐵、繼電器等電感元件。
硬磁鐵氧體，磁滯特性很強(qiáng)，磁化后不易退磁，并能長(zhǎng)期保持其磁性。主要在磁路中作為永磁鐵來(lái)產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場(chǎng)。如用作錄音磁頭、電視聚焦器和揚(yáng)聲器、示波器、磁電儀表等等。
旋磁鐵氧體，具有旋磁效應(yīng)，能使作用于它的電磁波發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)。利用此性質(zhì)，可制成各種元器體，如衰減器、調(diào)制器和環(huán)行器、隔離器、回相器以及倍頻器、混頻器、放大器等等。
矩磁鐵氧體，具有矩形磁滯回線的磁性材料，可用于電子計(jì)算機(jī)上的記憶元件，邏輯元件，磁光存儲(chǔ)器和磁聲存儲(chǔ)器等等。
壓磁鐵氧體，在外力作用下可產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)的材料。在外力作用下可產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)的材料。在超聲工程方面可用作;超聲發(fā)生器、接收器、探聲器和聲納等;在計(jì)算計(jì)中作各類(lèi)存儲(chǔ)器;在電訊方向作濾波器，穩(wěn)頻器振蕩器等等。
三、磁性陶瓷制作工藝
1、軟磁鐵氧體
目前，軟磁鐵氧體品種最多，應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)不同用途，有成分，性能吻合的各類(lèi)鐵氧體，如在超高頻范圍，可選用磁鉛石型六方鐵氧體，在音頻、中頻、高頻范圍、常用尖晶石型的Mn—Zn鐵氧體，Ni-Zn鐵氧體，Li—Zn鐵氧體等。
軟磁鐵氧體的制作生產(chǎn)，要求原料純度高，配比精確。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在Mn—Zn鐵氧體的配方組成中，F(xiàn)e2O3含量在53～635%時(shí)，鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)接近于O，適用于不同頻率，具有良好的特性。另外，隨著ZnO含量增加，磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度提高。若ZnO含量超過(guò)25%時(shí)，磁導(dǎo)率反而下降。為改善磁性能，促進(jìn)燒結(jié)，可在配方中引入外加劑。如加入少量WO3，有助于晶粒成長(zhǎng)，提高磁導(dǎo)率;加入CaO、SiO2或CaO、Ba2O3以及CeO2能提高電阻率，降低損耗;加入CaO可降低燒結(jié)溫度，提高密度;加入微量P2O5也能使燒成溫度降低。
在Ni—Zn鐵氧中，要嚴(yán)格控制Fe2O3的含量，相應(yīng)提高NiO含量。一般來(lái)說(shuō)，使用頻率要求越高，NiO含量增加，而ZnO含量要低。為降低燒結(jié)溫度，改善磁性，可引入微量CaO、CuO、CoO和MnO等外加劑。一種適用于高頻的Ni—Zn軟磁鐵氧體的配方范圍為：Fe2O3 50～70%ZnO 5～40% NiO 5～40%。
軟磁鐵氧體的成型，一般彩用;干壓，擠制，注漿或熱壓鑄以及等靜壓，熱壓和爆炸法等方法。為減少制品燒成收縮，使反應(yīng)充分，同時(shí)提高鐵氧體的內(nèi)在性能，一般要先進(jìn)行預(yù)燒，有的進(jìn)行低溫預(yù)燒，有的進(jìn)行高溫預(yù)燒，有的甚至要求兩次預(yù)燒。鐵氧體的燒成，一般選用硅碳棒電窯，在1150～1350℃的氧化氣氛中進(jìn)行。在燒制高磁導(dǎo)率的軟磁鐵氧體時(shí)，還必須控制冷卻速度，使之緩慢冷卻，以降解鐵氧體的內(nèi)部應(yīng)力。
2、硬磁鐵氧體
硬磁鐵氧體可稱為永磁材料，主要有：磁鉛石型的Ba—鐵氧體、Sr—鐵氧體、Pb—鐵氧體、還有尖晶石型的CO—鐵氧體等。
硬磁鐵氧體的生產(chǎn)制作，不僅要求原料純度高和精確的配方組成，還要求磁體晶粒大小適度、分布均勻、取向合理，結(jié)構(gòu)致密。
硬磁鐵氧體預(yù)燒溫度一般在1100～1300℃。燒結(jié)溫度在1150～1250℃的氧化氣氛中進(jìn)行。如Ba—鐵氧體是把原料在1100～1200℃的溫度下預(yù)燒，成型后在1150～1250℃的溫度下燒結(jié)而成。Co—鐵氧體是在900℃左右的溫度下預(yù)燒，再在1100℃的溫度下減壓燒成后，在居里溫度300℃之間的溫度下施加磁場(chǎng)，然后緩慢冷卻而制成的。
鐵氧體燒結(jié)密度關(guān)系到剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，鐵氧體愈致密，其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。雖然提高燒成溫度，能使磁體密度增大，但會(huì)導(dǎo)致磁相晶粒長(zhǎng)大，對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度不利。正確方法是引入添加劑，來(lái)加快燒結(jié)速度、提高致密度、還能有效抑制磁體晶粒的長(zhǎng)大。常用的外加劑有：Al2O3、AS2O3和Bi2O3等。
3、旋磁鐵氧體
旋磁鐵氧體主要用來(lái)制作各類(lèi)微波元件，因此，又被稱為微波鐵氧體。目前，應(yīng)用廣泛的主要有“尖晶石型和石榴型鐵氧體。其中尖晶石型旋磁鐵氧體用途最廣，常用的有鎂系鐵氧體CMg—Mn、Mg—Mn—Al2O3、Mg—Cr鐵氧體等)，鎳系鐵氧體(Ni—Mg、Ni—Zn、Ni—Al鐵氧體等)。此外，還有鋰系鐵氧體CLi—Mg、Li—Al鐵氧體等。
石榴石型旋磁鐵氧體是由含稀土元素的鐵系氧化物構(gòu)成，其中最重要的就是釔石榴石鐵氧體。也有不含或少含稀土元素的石榴石旋磁鐵氧體，如Bi—Ca—V石榴石。
磁鉛石型旋磁鐵氧體可用于很高的頻段，它是用Al來(lái)代替Ba、Sr和pb鐵氧體中的一部分Fe而制成。
4、矩磁鐵氧體
一般來(lái)說(shuō)，密度高，晶粒均勻，結(jié)晶向異性大的尖晶石型鐵氧體均可制成矩磁鐵氧體。常用矩磁鐵氧體有;Mn—Mg、Mn—Cu、Mn—Ni、Li—Mn、Li—Ni鐵氧體等陶瓷材料。
在Mn—Mg矩磁鐵氧體中，F(xiàn)e2O3的含量在40～50%時(shí)，MgO和MnO的比例含量允許有較寬的選擇范圍。MnO的含量高，使鐵氧體具有良好的矩形磁滯回線，但過(guò)量時(shí)、磁化時(shí)需較大電流，對(duì)磁芯的工作不利。當(dāng)Fe2O3含量在43%，MgO：MnO：Fe2O3為1：3：3時(shí)，Mn—Mg鐵氧體矩磁特性最好。配方中引入以La2O3為主稀土元素，有助于改善矩磁鐵氧體的性能。
5、壓磁鐵氧體
壓磁鐵氧體以含Ni鐵體為主，應(yīng)用較廣的是Ni—Zn、Ni—Cu、Ni—Mg鐵氧體等。壓磁鐵氧體的密度大小直接關(guān)系到鐵氧體的壓磁性能。在生產(chǎn)工藝中，可采用加大成型壓力、提高燒成溫度、引入添加物和高溫預(yù)燒等方法，來(lái)提高鐵氧體的密度。如在Ni—Zn壓磁鐵氧體中，增加Zn的含量或以少許Cu來(lái)取代Ni作助熔劑，有利于提高鐵氧體密度。
以上僅就磁性陶瓷的類(lèi)別和工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。有關(guān)磁性陶瓷的工藝特性，科技工作者還在進(jìn)行更深入的研究。可以預(yù)見(jiàn);隨著科技的日益發(fā)展，新型的磁性陶瓷材料還將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮其巨大作用。
