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磁性陶瓷_图文_百度文库

作者:火博游戏    更新时间:2020-07-03 03:29

  磁性陶瓷_动物植物_PPT模板_实用文档。第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 1、材料的磁性 2、磁性材料的类型及主要应用 3、铁氧体材料类型及其主要制备方法 19:58 材料科学与工程学院 1 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求

  第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 1、材料的磁性 2、磁性材料的类型及主要应用 3、铁氧体材料类型及其主要制备方法 19:58 材料科学与工程学院 1 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 1、几个磁性效应 2、磁性材料的应用 19:58 材料科学与工程学院 2 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 1. 材料的磁性特征 2. 铁氧体材料及其制备过程 19:58 材料科学与工程学院 3 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.3 铁氧体材料 19:58 材料科学与工程学院 4 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.3 铁氧体材料 19:58 材料科学与工程学院 5 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.1 物质的宏观磁性 7.1.2 抗磁性 7.1.3 顺磁性 7.1.4 铁磁性 7.1.5 反铁磁性 7.1.6 亚铁磁性 7.1.7 磁畴 7.1.8 磁滞回线 材料科学与工程学院 6 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.1 物质的宏观磁性 任何材料在磁场中都会或大或小地显示出磁性,即被 磁化。此时材料的总磁通密度为 B=μ0H+μ0M=μ′H μ0 — 真空磁导率; H — 磁场强度 μ′— 材料的有效磁导率; M — 磁化强度 宏观上,物体被磁场磁化的程度与磁场强度有关 χ= M / H χ—磁化率,表示物质磁化性的重要参数。 物质可根据χ的不同分为顺磁、抗磁及铁磁三大类. 19:58 材料科学与工程学院 7 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.1 物质的宏观磁性 相关概念 磁化 材料在外加磁场H的作用下,本身具有的 磁矩会按磁场方向排列的现象。 自发磁化 无外磁场时,本身具有的磁矩会自发定 向排列的现象。 19:58 材料科学与工程学院 8 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.2 抗磁性 在外加磁场H的作用下,材料内部感生一个与外磁 场H方向相反的感生磁场(抵抗外磁场),这样材料内 部总的磁通密度小于外磁场的磁通密度,这种性质被 称为抗磁性,具有该性质的材料称为抗磁材料, χ<0 。 满壳层电子结构的物质具有这种性质,如一些金 属及不含过度金属离子或稀土离子的陶瓷。金属中有 一半简单金属是抗磁体。 19:58 材料科学与工程学院 9 第7章 磁性陶瓷 与超导磁悬浮 有何异同? 7.1 材料的磁性 7.1.2 抗磁性 抗磁悬浮 19:58 因抗磁性产生磁浮的热解碳 材料科学与工程学院 (pyrolytic carbon)。 10 抗磁悬浮视频 超导磁悬浮 偏置磁体和悬浮体都是永磁材料,它们之间的磁力用 来平衡悬浮体的重力,抗磁体附加在悬浮永磁体上下, 用来使悬浮体平稳悬浮,在径向和辐向都有稳定悬浮 的作用。 19:58 材料科学与工程学院 11 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.2 抗磁性 “抗磁性”一词 早在1778年,S. J. Brugmans就发 现了金属铋和金属锑在磁场中存在某些 抗磁性现象。 1845年,Michael Faraday(迈克 尔·法拉第)发现在施加外磁场中,所 有天然物质拥有不同程度的抗磁性,抗 磁性一词才正式在文献中使用,后来仅 限用于抗磁性很强的物质。 19:58 材料科学与工程学院 Michael Faraday 英国物理学家 12 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.3 顺磁性 未满电子壳层结构的材料在外磁场作用下,未成对 电子产生的磁矩会顺着磁场方向定向排列而产生宏观 的净磁矩(在外磁场中显磁性)。磁化率χ>0,材料 内部总的感通密度大于外磁场的磁通密度,这种性质 被称为顺磁性,具有这种性质的材料称为顺磁材料。 如含有过度金属或稀土离子的材料。 19:58 材料科学与工程学院 13 第7章 磁性陶瓷 顺磁性 7.1 材料的磁性 7.1.3 顺磁性 顺磁体中,磁矩的方向杂乱 物质在强磁场中的顺磁性: 无序,所以不加磁场无磁化。 顺着磁场方向定向排列 19:58 材料科学与工程学院 14 第7章 磁性陶瓷 顺磁性 7.1 材料的磁性 7.1.3 顺磁性 顺磁性物质在外磁场中显磁性,在磁天平中增重。 19:58 材料科学与工程学院 15 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.4 铁磁性 材料各磁畴具有自发磁化且排列一致的磁矩,在有外 磁场H时,自发排列一致的磁矩趋向于与外磁场相同的方 向排列。在外场撤去后仍有很强度磁性。这种现象称为铁 磁性,具有这种性能的材料称为铁磁体。如磁铁矿 FeO?Fe2O3 在较弱的磁场下,能产 生很大的磁化强度。 χ>>0 μ>>1 M >0 自发磁化且排列一致的磁矩 19:58 材料科学与工程学院 16 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.5 反铁磁性 材料具有自发磁化磁矩,但相邻晶面的磁矩排列方 向正反两个方向,且大小相等,在有外磁场H时,无磁 化现象发生。这种现象称为反铁磁性,具有这种性能的 材料称为反铁磁体。如非金属氧化物MnO,Cr2O3, α-Fe2O3等过渡元素的化合物. χ=0 μ=1 M =0 19:58 材料科学与工程学院 17 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.6 亚铁磁性 实质上是两种次晶格(相邻晶面)的反向磁矩未完 全抵消的反铁磁性。因有这种性质的材料有亚铁盐及 金属氧化物。故称亚铁磁性也称铁氧体磁性,具有这 种特性的物质称为 亚铁磁性物质 或铁氧体磁性材料。 往往称之铁氧体。 19:58 材料科学与工程学院 18 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.6 亚铁磁性 材料 磁化 铁磁性 χ很大,在较弱的磁场下 产生很大的磁化强度 亚铁磁性 像铁磁体,但χ较小 顺磁性 χ较小, 在磁场中受弱吸力 反铁磁性 χ很小(可忽略), 高于某温度可变为顺磁体 抗磁性 χ很小且负 在磁场中受弱斥力 几种磁性物质的M-H关系 19:58 材料科学与工程学院 19 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.7 磁畴和畴壁 磁畴: 自发磁化的磁矩按相同方 向排列的微小区域 磁畴 磁畴 (magnetic domains), 亦称韦斯畴。 畴壁: 磁畴之间的边界区域—— 方向不一致磁畴之间的渐变区 (约厚100nm)。 图8.3 磁畴壁中原子偶极子取向的变化 N-材料表面形成的磁极 19:58 材料科学与工程学院 20 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.8 磁滞曲线 铁磁体或亚铁磁体在外磁 场H 作用下,各磁畴随着磁场 增加向着外磁场方向转变,磁 剩余磁化强度 感应强度增加。当磁畴全部转 向形成一个单磁畴体时,磁感 应强度达到饱和Bs,磁场减少 矫顽磁场 到零时。有剩余磁感应强度Br, 只有加一矫顽力(磁场)才能 消除之。 饱和磁化强度 19:58 与电滞曲 线 典型铁电体的磁滞曲线 材料科学与工程学院 21 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 极化和磁化 有哪些异同? 19:58 材料科学与工程学院 22 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.9 几个磁效应 磁效应:物质的磁性和磁场会影响到物质其他物理性质 的变化,同时,物质其他性质的变化也会引起物质磁性 的变化,前者被称为磁效应,后者称为逆效应。 如 磁力效应 磁电效应 磁热效应 磁光效应 等 利用磁效应制备的材料称之为特磁材料。 19:58 材料科学与工程学院 23 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.9 几个磁性效应 1. 磁滞伸缩 磁-形变 铁磁性和亚铁磁性材 料磁化时,在磁化方向 所发生的伸长或缩短现 象称为磁致伸缩。 导致什么变化? 2. 法拉第效应 电磁波-磁 当一束线偏振电磁波通过适 当的纵向磁化介质时,电磁波 的偏振面将正向或反向偏转, 偏转角α正比于波束通过的介 质厚度d和介质的磁化强度M, 即α=KMd 应用于光通讯,如单向波导 19:58 材料科学与工程学院 24 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.9 几个磁性效应 磁滞伸缩应用例 应用于各类储罐的液位测 量。该种液位仪具有精度高、 环境适应性强、安装方便等 特点。因此,广泛应用于石 油、化工等液位测量领域, 并逐渐取代了其它传统的传 感器,成为液位测量中的精 品。 磁致伸缩液位仪 19:58 材料科学与工程学院 25 第7章 磁性陶瓷 7.1 材料的磁性 7.1.9 几个磁性效应 3. 克尔效应 光-磁 一束偏振光被抛光的磁极表面反射后,其偏振面发生 旋转,旋转角α 正比于材料的磁化强度M, α=KRM KR—常数。 可用于磁畴观察及光储存技术。 4. 维拉尔效应 力-磁 强磁材料在力的作用 下,其磁化率将发生变化。 这种力对强磁材料磁化性 能的影响叫做维拉尔效应。 5. 磁热效应 磁-热 在绝热条件下,铁磁材 料受到突然增加的磁场作用 时,材料的温度升高,这种 现象称为磁热效应。 19:58 材料科学与工程学院 26 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.3 铁氧体材料 19:58 材料科学与工程学院 27 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.1 磁性陶瓷分类 7.2.2 尖晶石型铁氧体 7.2.3 六方晶系铁氧体 7.2.4 石榴石铁氧体 7.2.5 钙钛矿结构铁氧体+ 19:58 材料科学与工程学院 28 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.1 磁性陶瓷分类 单晶 按结晶状态分 多晶 铁氧体是磁性陶瓷的主力 军,其组成及晶体结构很非 常泛,故以此为主介绍。 软磁 磁记忆 按磁性性质分 半硬磁 (HC的大小) 磁记录 硬磁 尖晶石型MFe2O4 按(铁晶氧体体结)构分石榴六石方型晶R系3FMe5OF1e212O19 粉体 按形态分 液体 块体 薄膜等 19:58 材料科学与工程学院 29 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.2 尖晶石型铁氧体 尖晶石:一种较复杂的面心立方结构,每个立方晶胞 中含有8个AB2O4的分子式,A、B分别代表二、三价 的金属离子。 正尖晶石:A位为正二价离子、B位为三价离子。 通式: M2+[Fe23+]O4 M2+ — Zn、Cd 反尖晶石:A位为三价离子,B位为二价+三价离子。 通式:Fe3+[M2+Fe3+]O4 M2+ — Ni、Co、Fe、 Mn、Cu 软磁铁氧体通常的结构 19:58 材料科学与工程学院 30 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.2 尖晶石型铁氧体 19:58 图7.6 尖晶石结构 ●四面体阳离子;○八面体阳离子; ○ 氧离子 材料科学与工程学院 31 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.3 六方晶系铁氧体 六方晶系: 存在于BaO-MO-Fe2O3三元系统中。 化学式:MO·6Fe2O3,M—Ba、Sr、Pb。 钡铁氧体最常见。 钡铁氧体: 由立方尖晶石晶格的块 S 和含Ba的六方密堆块 R 组成, 相互交替排列。 化学式:S块—Fe2O3,R块—BaFe6O11 19:58 材料科学与工程学院 32 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.3 六方晶系铁氧体 19:58 材料科学与工程学院 33 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.4 石榴石铁氧体 通式:Mc3Fea2Fed3O12,M—稀土离子或钇离子, 上标c、a、d表示该离子所占晶格位置的类型。 每个晶胞包括8个化学式单元,共160个原子。 石榴石铁氧体的净磁矩起因于反平行自旋磁 矩的贡献。磁矩还有来自自旋轨道的耦合。 19:58 材料科学与工程学院 34 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.4 石榴石铁氧体 19:58 材料科学与工程学院 35 第7章 磁性陶瓷 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.2.5 钙钛矿结构铁氧体(*) 钙钛矿结构 通式:ABO3 (见第6章相关)。 具有此结构的物质具有非常大的磁电阻效 应,因此成为当今功能陶瓷的研究热点。 19:58 材料科学与工程学院 36 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的类型 7.3 铁氧体材料 19:58 材料科学与工程学院 37 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 铁氧体材料 软磁 磁记忆 按HC大小分 半硬磁 磁记录 硬磁 19:58 材料科学与工程学院 38 第7章 磁性陶瓷 ★教学目的和要求 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 7.3.2 硬磁铁氧体 7.3.3 其它铁氧体 19:58 材料科学与工程学院 39 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 铁氧体材料发展简况和磁性来源 春秋战国时期:“磁石召铁”的记载,主要成分Fe3O4— —天然铁氧体。 20世纪30年代:开始研究铁氧体。 20世纪40年代:软磁铁氧体商品问世。 20世纪50年代:铁氧体快速发展的时期。 1952年:磁铅石型硬磁铁氧体研制成功。 1956年:石榴石型铁氧体研制成功。 19:58 材料科学与工程学院 40 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 在较弱的磁场作用下,很容易被磁化也 容易退磁的一类铁氧体材料。 典型代表:锰锌铁氧体Mn-ZnFe2O4 镍锌铁氧体Ni-ZnFe2O4 等 19:58 材料科学与工程学院 41 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体材料的性能 软磁铁氧体主要作为电感元件的磁芯应用于通讯、广 播、电视等领域。用途广,品种多,数量大,产值高 。 衡量软磁铁氧体性能的几个重要指标 指标1 —磁导率μ; 指标2 —损耗因子tanδ(或品质因素Q); 指标3 —工作频率范围; 指标4 —工作温度范围。 还有居里点Tc、电阻率ρ等 19:58 材料科学与工程学院 42 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 铁氧体磁铁 19:58 材料科学与工程学院 43 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 指标1 磁导率μ 对于磁芯来讲,μ要求大些好,因这样可减少满足 同电感量的线圈体积。 可通过提高材料的饱和磁化强度Ms、降低材料的 磁致伸缩常数和材料的各向异性等措施来提高。 19:58 材料科学与工程学院 44 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 指标2 损耗因子tanδ或品质因数Q 磁性材料的损耗形式有多种,改善方式也因此而异。 希望损耗小些、品质高些。 (1)涡流损耗 由电磁感应引起的感应电流造成的损耗。该损耗与 材料的厚度、μi和使用频率成正比,与电阻率成反比。 因此可通过控制晶界组成、晶界形状、厚薄和数量来 提高电阻率,从而降低涡流损耗。为形成晶界电阻层, 通常可以添加CaCO3、TiO2、SiO2、B2O3、P2O5等。 19:58 材料科学与工程学院 45 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 (2)磁滞损耗 由磁滞现象引起的功率损耗。减少该项损耗关键 是减小Hc,为此需使晶粒形状完整,大小均匀,边 界层较厚,也可添加一定量的Co2+。 (3)剩余损耗 除上述两项外的其他损耗。主要由电子和离子 扩散造成。为此需采用活性高、纯度高的原料,增 加原料细度,避免过高的烧结温度等措施。 19:58 材料科学与工程学院 46 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 如何减少涡流损耗? 如何减少磁滞损耗? 如何减少剩余损耗? 19:58 材料科学与工程学院 47 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 指标3 工作频率范围 工作频率增加,导致μ和Q都下降。 对应μ和Q迅速下降的频率称为应用频率极限; 对应μ下降至一半时的频率为截至频率。 指标4 工作温度范围 μ随工作温度而变化,导致磁芯工作不稳定。所以希望 磁导率温度系数α μ 小。可用控制配方(提高含铁量、添 加CoO)、控制烧结工艺、减少内应力等来改善。 19:58 材料科学与工程学院 48 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 1. 软磁铁氧体的性能 几种常见的软磁铁氧体性能 P151 表7.2 19:58 材料科学与工程学院 49 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 2. 软磁铁氧体的制备过程 称量 混合 煅烧 喷雾造粒 成型 烧结 配料 1. 煅烧的目的是什么? 形成的是什么? 2. 喷雾造粒可形成多 大的颗粒? 机械加工 包装 19:58 材料科学与工程学院 50 第7章 磁性陶瓷 压力喷嘴 铁氧体造粒 精密陶瓷专用喷雾造粒干燥机 铁氧体喷雾干燥调试现场 人工喷雾美化自然、降低温度、提高湿度 19:58 材料科学与工程学院 52 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 软磁铁氧体的制备中的影响因素 P152-3 组成 烧结气氛 晶粒大小和气孔 冷却速率 19:58 材料科学与工程学院 53 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 要利用物质的铁磁性,就得在工艺上要充分保证并提高 磁性能。几个重要基本特性取决于工艺情况: (1)饱和磁化强度、饱和磁感应强度取决于物质本身成分 和配比; (2)在成分和配比确定的前提下,磁导率、矫顽力等随 晶体组织结构而变化。 19:58 材料科学与工程学院 54 第7章 磁性陶瓷 玻璃成分 B2O3BaO 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 BaO,Fe2O3 CoO,TiO2 + (Ba铁氧体成分) + (矫玩力调整) 熔融急冷凝固 Ba铁氧体薄片 结晶化 Ba铁氧体磁性粉 19:58 材料科学与工程学院 55 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 3. 软磁铁氧体的应用 主要用于电磁能的转换。 应用一:最简单的应用 做成变压器铁芯,根据电磁感应原理,初级线圈中 施以电讯号,则次级线圈中有感生电压、感生电流产 生,从而获得电压升高、降低和稳压的作用。据此可 制成各种变压器,如音频变压器、脉冲变压器、选频 倒相变压器等。 19:58 材料科学与工程学院 56 变压器的结构 + u1 – 一次 绕组 铁芯 i1 Φ N1 单相变压器 i2 + u2 – ZL N2 二次 绕组 由高导磁硅钢片叠成 铁芯 厚0.35mm 或 0.5mm 变压器的磁路 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.1 软磁铁氧体 3. 应用 应用二: 作为电感元件,电感对于电流的变化具有阻抗作用, 当交流电压加到具有铁芯的电感线圈上时,交流电压不 断变化,而电抗元件对电流的变化具有滞后性。在每一 瞬间内把输人的功率变成电磁能储存起来,过一会儿又 把它放出来,变成输出功率。这类应用如电源滤波扼流 器、谐振回路中的电感、日光灯镇流器等。 应用三: 磁记录元件的关键材料,如天线磁芯、偏转磁芯以 及磁带录音磁头、多路通讯等的记录头的磁芯等。 19:58 材料科学与工程学院 59 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.2 硬磁铁氧体 又称永磁铁氧体或恒磁铁氧体, 是一种磁化后不易退磁,能长期保 持磁性的铁氧体,一般作为恒稳磁 场源。有三大特征。 特征①—剩余磁感应强度Br较高。 Br是材料经外场磁化达饱和并除去外场后,在闭合磁 路中所剩的磁感应强度,正是由于Br的存在,硬磁材料 才能在没有外磁场时,对外保持一定的磁场。一般Br为 0.3~0.5T左右。 19:58 材料科学与工程学院 60 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.2 硬磁铁氧体 特征②—矫顽力Hc大 矫顽力Hc即处于饱和磁化状态的磁性材料,将磁场单 调减小至零并反向增加,使磁化强度沿饱和磁滞回线减小 到零时的磁场强度。它表示材料抵抗退磁的能力。一般为 0.1~0.4T左右。 特征③ —最大磁能积(BH)max高 磁能积是衡量硬磁材料的一项重要参数,它是指磁滞回 线在第Ⅱ象限(退磁曲线)内磁感应强度B和磁场强度H 的乘积,在单位体积中储存的磁能与BH乘积成正比。 (BH)max越大,单位体积中储存的磁能越大,硬磁材 料的性能也越好。一般在8000~40000J/m3左右。 19:58 材料科学与工程学院 61 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.2 硬磁铁氧体 已知硬磁铁氧体材料主要为磁铅石型 通式:M0.6F2O3 M——Pb、Ba、Sr 19:58 材料科学与工程学院 62 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.2 硬磁铁氧体 提高硬磁铁氧体的矫顽力的三条途径: ① 磁畴的成核需要高磁场,如果成核场大于畴壁移动 的场,那么就需要一个反向场使磁化反转; ② 形成一些势垒阻止畴壁运动,这些势垒只有高反向 场才能克服; ③ 材料中的畴不能形成(即极细的晶粒)。研究表明, 当铁氧体的晶粒直径从10μ m减至1μ m时,其矫顽力从 7957.75A/m(100Oe)增至159155A/m(2000Oe)。 19:58 材料科学与工程学院 63 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.2 硬磁铁氧体 硬磁铁氧体的主要用途: 如钡铁氧体、钢铁氧体等。它主要用于电信器件 中的录音器,拾音器、扬声器,各种仪表的磁芯等。 19:58 材料科学与工程学院 64 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 1. 磁记录材料 主要用于磁带录音机、磁带录像机、电子计算机、 磁带存储器、磁印刷、磁全息和磁记录复制用的磁性材 料。属软磁铁氧体。磁头材料要求有较高的起始磁化率 μi和Bs(保证高灵敏度);较低的磁强度(减少噪声和损 耗);较高的耐磨性、抗剥离性(寿命长、耐机械加工)。 可以选用热压烧结和控制显微结构来制备各种记录磁头 材料。 19:58 材料科学与工程学院 65 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 2. 微波铁氧体 又称旋磁铁氧体。在高频磁场的作用下,平面偏振的 电磁波在这种铁氧体中按一定方向传播时,偏振面会不断 绕传播方向旋转。 常用的微波旋磁铁氧体有尖晶石型和石榴石型两大类, 前者价格便宜,后者性能优良,此外在毫米波段也可使用 六方晶系铁氧体。 19:58 材料科学与工程学院 66 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 2. 微波铁氧体 尖晶石铁氧体主要有Mg、Ni、Li等铁氧体,通常加入 Al、Cr以控制饱和磁化强度M;加Mn、Co以增大电阻率, 加Cu、Bi作助熔剂以增加密度。Li铁氧体具有高居里温 度,低磁致伸缩系数,较大的磁各向异性,窄的铁磁共 振线宽以及良好的矩形磁滞回线,价格比石榴石铁氧体 便宜,是制造高功率、低温度系数锁式器件的优良材料。 19:58 材料科学与工程学院 67 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 2. 微波铁氧体 石榴石型磁铁氧体目前已可满足微波频段大部分器 件的需要。其中钇铁石榴石铁氧体(YIG)在微波3cm 波段作为低功率器件的磁性材料,性能十分优异。为了 适应各频段器件的需要,常以多种离子,如In、Sn、Gd 钆(gá),Ge、Zr、Ti、Al、Ca、V离子置换Fe、Y等离 子,以改变饱和磁化强度值,提高温度稳定性。 常用的石榴石铁氧体有:Y-Al石榴石系、Y-Ca- V石榴石系、Y-Gd石榴石系等。 19:58 材料科学与工程学院 68 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 3. 矩磁铁氧体 具有矩形磁滞回线,且矫顽力较小。在电子计算机、 自动控制和远程控制等尖端科学技术中,用作记忆、开关 元件和逻辑元件、磁放大器、磁光存储器及磁声存储器磁 芯等。一般密度高、晶粒均匀、结晶各向异性。 较大的尖晶石型铁氧体都可制成磁特性好的矩磁材料。 常温下的有Mn-Mg系、Mn-Zn系、Cu-Mn系、Cd (镉gé)-Mn系等; 19:58 材料科学与工程学院 69 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 4. 磁泡材料 一种新型磁存储材料。磁泡—铁氧 体中的圆形磁畴。可在一些薄膜磁性 材料中产生。直径1~100μm。这些 畴从垂直于膜面的方向上看上去就像 是气泡,因此称之磁泡。 直径几微米的磁泡,可用于高密度 信息记录,且希望用于计算机的高速 存储器。 19:58 材料科学与工程学院 无磁场作用 磁场作用 70 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 4. 磁泡材料 材料有钙钛矿型的稀土正铁氧体单晶Ho(钬)FeO3、 Er(铒)FeO3、Tm(铥)FeO3、Yb(镱)FeO3等。后来 的有石榴石型铁氧体和非晶态磁泡材料(如Gd-Co、Gd -Fe等膜),其中石榴石型铁氧体的泡径小,迁移率高, 已实用。 19:58 材料科学与工程学院 71 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 5. 磁光材料 主要用于制作大型电子计算机的外存储器—磁光存储 器。这种存储器具有很高的存储密度(107位/cm2),比 一般的磁鼓、磁盘存储器要高102~103倍。 磁光材料要求具有较好的透光性、一定的磁化强度和 矫顽力、以及合适的转变温度等。除了研究较多的晶态和 非晶态合金薄膜外,铁氧体方面有钇铁石榴石铁氧体单晶、 钇铁石榴石铁氧体薄膜、稀土铕的氧化物EuO及Eu的硫属 化合物(EuX,X=O、S、Se、Te)等。 19:58 材料科学与工程学院 72 第7章 磁性陶瓷 7.3 铁氧体材料 7.3.3 其他铁氧体 6. 压磁铁氧体 以磁致伸缩效应为原理的铁氧体。主要应用于超声 器件、水声器件、机械滤波器、混频器、压力传感器 等方面。 主要材料有Ni-Zn、Ni-Cu、Ni-Mg及Ni-Co 铁氧体等。其中以Ni-Zn铁氧体应用最广泛。在组成 方面,可适当增加ZnO或渗入少量CuO代替NiO作助 熔剂。 19:58 材料科学与工程学院 73 现代文明社会离不开磁性材料! 应用 磁制冷材料 在等温磁化 时向外界放 出热量,绝 热退磁从外 界吸收热量 达到制冷的 目的。 19:58 材料科学与工程学院 74 強力磁鐵,衣服用PVC磁鐵,塑膠用磁鐵 第7章 磁性陶瓷 应用 19:58 材料科学与工程学院 76 应用 19:58 材料科学与工程学院 77 稀土磁性材料 能吸起自重 8 00倍的永磁体. 科学技术离不开磁性材料! 应用 19:58 材料科学与工程学院 79 第7章 磁性陶瓷 铁氧体材料新发展 信息存储铁氧体材料 吸波铁氧体材料 铁氧体吸波材料 磁性流体 庞磁电阻材料 19:58 材料科学与工程学院 80 第7章 磁性陶瓷 磁性材料之中国状况 中国地大物博,金属和稀有元素矿藏非常丰富, 有着丰富而天然的原材料资源优势,磁性材料产业所 需的各种原材料几乎国内都能满足。磁性材料行业稀 土成本占原料成本的30%,而中国是稀土的故乡,储 有世界上80%的稀土,因此有磁性材料行业优势。08年 低具有磁性材料生产企业及相关的企业1096家,其中 铁氧体生产企业359家,稀土磁体和金属磁体生产企业 226家产量为41万吨。 19:58 材料科学与工程学院 81 第7章 磁性陶瓷 磁性材料之中国状况 中国磁性材料工业在产量方面已经初具规模,发展速 度很快,产品和创汇出口多于进口。但与日本等磁性材料 工业发达的国家相比,无论是管理水平、制造工艺、产品 质量及产品档次都存在一定差距。中低档产品占据了较大 的国际市场,但在高档产品上还缺乏竞争力。随着高清晰 度电视等消费类电子产品的日益普及,汽车、通信业的发 展,对高档磁性材料的需求越来越多。中国的磁性材料企 业应该抓住这个有利的时机,开发高档磁性材料产品,占 领国际市场。 19:58 材料科学与工程学院 82 第7章 磁性陶瓷 磁性材料之中国状况 “十一五”时期,是中国磁性材料工业大发展 时期,世界磁性材料产业中心已经转移到中国。预 计中国铝镍钴磁钢产量为3,000吨(全球产量7,840 吨),铁氧体永磁产量195,000吨(全球产量 676,000吨),稀土钕铁硼磁体9,400吨(全球 14,400吨),软磁铁氧体产量98,800吨(全球 431,000吨)。到2010年中国各类磁体的产量均稳 居世界之首,占全球的份额还将继续增大。到2020 年,中国磁性材料的产量将占全球一半以上,成为 世界磁性材料产业中心。 19:58 材料科学与工程学院 83 第7章 磁性陶瓷 小结 磁学与电学各基本参量的类似性 磁学参量(磁路) 名称 单位 磁通量? Wb 磁通密度B Wb/m 2 磁场强度H A/m 磁导率? H/m 磁阻Rm 磁势Vm A 电学参量(电路) 名称 单位 电流强度I A 电流密度J A/m2 电场强度E 电导率? 电阻R 电动势V V/m ? V 第7章 磁性陶瓷 小结 磁化和极化相关参量比较 磁 电 饱和磁化强度——饱和极化强度 矫顽力 —— 矫顽力 剩余磁化强度——剩余极化强度 磁畴 —— 电畴 磁畴壁 —— 电畴壁 自发磁化 —— 自发极化 第7章 磁性陶瓷 小结 极化和磁化的 本质区别? 铁磁性和铁电性有相似的规律,但应该 强调的是它们的本质差别;铁电性是由离 子位移引起的,而铁磁性则是由原子(或 分子或离子)磁矩取向引起的;铁电性在 非对称的晶体中发生,而铁磁性发生在电 子的非平衡自旋中。 第7章 磁性陶瓷 小结 铁磁性材料 软磁(高磁导率材料); 硬磁(剩磁大,高矫玩力材料,永磁体材料); 矩磁(磁滞回线、铁氧体材料的分类 按性质分 软磁铁氧体 磁记忆铁氧体 半硬磁铁氧体 磁记录铁氧体 硬磁铁氧体。 2、软磁铁氧体材料 (1)性能 (2)制备 (3)制备中的影响因素 (4)应用 3、硬磁铁氧体材料 (1)定义 (2)特征 4、其他铁氧体材料 (1)磁记录材料 (2)微波铁氧体 (3)矩磁铁氧体 (4)磁泡材料 (5)磁光材料 (6)压磁铁氧体

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