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，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算機(jī)的存儲器磁芯等方面。

    這類材料是指磁化時在磁場方向作機(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、計算機(jī)的磁性存儲設(shè)備、乘客乘車的憑證和票價結(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，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，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，聲音也就不斷地被記錄在磁帶上。

    放音時，將已錄音的磁帶以錄音時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)出一個與剩磁通變化規(guī)律相同的感應(yīng)電動勢。再經(jīng)過放音放大器放大后，送去推動揚(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)用于計算機(jī)磁性存儲設(shè)備和作為乘客乘車的憑證和票價結(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，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，晶體生長時在爐膛內(nèi)需要加幾個乃至100個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。