铁氧体磁性材料：性质、分类与应用的全面解析

铁氧体磁性材料：性质、分类与应用的全面解析

1.铁氧体磁性材料的特性

铁氧体（）是一种非金属磁性材料，是由三氧化二铁与一种或多种其它金属氧化物（如氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶等）烧结而成。它的相对磁导率可高达几千，电阻率是金属的1011倍，涡流损耗小，适用于制作高频电磁器件。铁氧体有硬磁、软磁、矩磁、旋磁和压磁五种类型。以前称为铁磁材料或铁磁性，其生产工艺和外观与陶瓷相似，故又称磁瓷。

铁氧体是铁与一种或多种其他适当金属元素的复合氧化物，是一种半导体，通常用作磁介质。铁氧体磁性材料与金属或合金磁性材料最重要的区别是导电性，通常前者的电阻率为102~108Ω·cm，而后者只有10-6~10-4Ω·cm。中国最早接触的铁氧体是天然铁氧体即磁铁矿，发现于公元前4世纪，中国发明的指南针就是用这种天然磁铁矿制成的。到20世纪30年代，无线电技术的发展，迫切需要高频损耗较小的铁磁材料，而四氧化三铁的电阻率很低，不能满足这一要求。

1933年，日本东京工业大学首先创制出含钴铁氧体的永磁材料，当时称之为OP磁铁。20世纪30、40年代，法国、日本、德国、荷兰等国相继开展了铁氧体的研究。其中，荷兰飞利浦实验室物理学家JL斯诺克于1935年开发出多种具有优良尖晶石结构的含锌软磁铁氧体，并于1946年实现工业化生产。

2、铁氧体磁性材料的分类

（1）软磁材料：这类材料在弱磁场中容易磁化和退磁，如锌铬铁氧体、镍锌铁氧体等。软磁铁氧体是用途广泛、品种多、数量大、产值高的铁氧体材料，主要用作各种电感元件，如滤波器铁芯、变压器铁芯、收音机铁芯以及磁带录音和录像磁头等，也是磁记录元件的关键材料。

（2）永久铁氧体是具有六方结构和单轴各向异性的化合物，主要由钡、锶、铅三种类型的铁氧体及其复合固溶体组成。铁氧体有各向同性和各向异性两种类型。由于该类铁氧体材料在外加磁化场消失后，还能在较长时间内保持较强的恒定剩磁性能，因此可用来在外界空间产生恒定磁场，应用范围十分广泛，例如：用作各种电表、发电机、电话、扬声器、电视机、微波装置中的永久磁体。

（3）硬磁材料铁氧体 硬磁材料磁化后不易退磁，故又称永磁材料或恒磁材料。如钡铁氧体、钢铁氧体等。主要用于电讯设备中的录音机、拾音器、扬声器及各种仪器的磁芯等。

（4）旋磁材料磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的稳恒磁场和电磁波磁场作用下，平面极化的电磁波在材料内部虽然按一定的方向传播，但其极化面会围绕传播方向不断旋转的现象。金属、合金材料虽然也具有一定的旋磁性，但由于它们的电阻率小，涡流损耗大，电磁波不能深入其内部，所以不能被利用。因此，铁氧体旋磁性的应用就成了铁氧体的一个独特领域。旋磁材料大多与传输微波的波导或传输线组合，组成各种微波器件，主要用于雷达、通讯、导航、遥测等电子设备中。

（5）矩形磁性材料 指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。其特点是当施加较小的外磁场时，就能磁化并达到饱和状态。撤去外磁场后，磁性仍与饱和状态时一样。如镁锰铁氧体、锂锰铁氧体等。这种铁氧体材料主要用于各种电子计算机的存储器磁芯。

（6）压磁材料这类材料是指磁化时沿磁场方向产生机械伸缩的铁氧体材料，如镍锌铁氧体、镍铜铁氧体、镍铬铁氧体等。压磁材料主要用作电磁能与机械能相互转换的换能器，以及用作超声波的磁致伸缩元件。

3.铁氧体磁性材料的制备工艺

（1）多晶铁氧体的生产工艺与陶瓷工业中常用的烧结工艺相似，包括以下步骤：将通过固相反应形成铁氧体的金属氧化物或碳酸盐或其他化合物混合均匀，然后球磨、干燥，压制成特定形状。在约1000℃的温度下预烧后，充分研磨并再次混合。加入适量的粘合剂，压制成所需形状或作为塑性材料挤压成管、棒或条。然后在1200~1400℃的温度下烧结。确切的温度​​取决于所需的铁氧体性能。在最后的烧结过程中，炉内的环境条件起着重要作用。

（2）铁氧体化学法又称湿法，有时也称化学共沉淀法。是专门用于制备高性能铁氧体的工艺方法，又分为中和法和氧化法。其工艺过程为：先将制备铁氧体所需的金属元素配制成一定浓度的离子溶液，再按配方配制适量溶液，经中和或氧化等化学反应生成铁氧体粉末。后续工艺与上述相同。

（3）单晶铁氧体的制造过程与非金属单晶的生长大致相同。Mn-Zn、Ni-Zn铁氧体单晶生长一般采用法，即将多晶铁氧体置于铂坩埚中熔化，然后将坩埚置于具有适当温度梯度的电炉中降下，由坩埚底部缓慢凝固，即形成单晶。为了平衡熔融态下形成的氧分压，晶体生长时需在炉内补充几个乃至上百MPa的氧分压。

(4)铁氧体多晶薄膜的制备，如垂直磁化钡铁氧体薄膜，是利用新型对向靶溅射装置溅射制备的。石榴石单晶薄膜的制备，大多是利用气相或液相外延法在单晶衬底上进行，其具体过程与半导体单晶薄膜的外延法十分相似。

（5）非晶铁氧体的制备目前采用超快速冷却法和溅射法。所谓超快速冷却法就是将铁氧体原料与适量的类金属元素混合，然后在高温熔融状态下突然进行大温度梯度的超快速冷却。这方面的研究工作才刚刚开始，产品的性能还不理想。结论：铁氧体磁性材料具有技术性能优良、种类多样、应用广泛的特点。选择合适的技术工艺开展材料生产和材料应用工作，可以获得较好的效果。