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磁性陶瓷制作工艺的应用

发布:2011-12-21 11:11:53  来源: 科技在线 [字体: ]

   磁性陶瓷被广泛运用于人类日常生活、科技与国防事业中。对人们的生活产生很多影响。

        磁性陶瓷又称铁氧体或铁淦氧,是特种陶瓷材料中的重要品种。

  磁性陶瓷的半导体材料,它的电阻率在10~107Ω·m,用作磁芯时,涡流损失小,介质损耗低,最适合使用于一般磁性金属磁性材料无法胜任的高频下,多样的磁学性能,使磁性陶瓷在自动化控制、电子计算机和微波技术等方面获得广泛应用,显示出它强大的生命力。

  一、磁性原理

  众所周知,物质的特性是由构成物质的原子结构决定的。电子不停地围绕原子核旋转,同时还在自转,因而就会产生磁场,象一个个小小的磁铁,这叫做磁矩,原子核也具有磁矩。可以这样说,一切物质都具有磁性。那么,为什么大多数物质在自然界并不显示磁性呢?如果物质结构具有填满轨道的成对电子,它们的磁矩接近互相抵消,使得物质的磁性非常弱,因而大多数物质几乎不显示磁性。而只有如铁、钴、镍等过渡族或稀士族元素,其外层轨道有不成对电子,它们产生的磁矩彼此没有完全抵消,因而保留了一个永久磁矩。该磁矩在一种“交换作用”机理作用下,使许多原子磁矩相叠加,就形成了一个磁铁,物质在宏观上就表现出很强的磁性,具有这种特性的材料就是铁磁性材料。

  铁磁性材料的一大特点就是相对磁导率特别大,另一大特点就是铁磁性在一定温度和磁场作用下,显示出很强的磁性。实验证实:单一元素的磁性并不好,而几种铁磁性元素与其它元素组成合金时,才具有优良的磁性能,磁性陶瓷即属这一类铁磁性材料。

  二、磁性陶瓷的类别

  磁性陶瓷按晶体结构分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型三类。根据外加磁场和磁化情况不同,分为软磁铁氧体、压磁铁氧体、旋磁铁氧体、钜磁铁氧体、压磁铁氧体五类。

  软磁铁氧体,易被磁化,也容易退磁,适用于反复磁化的场合,可作为导磁介质,以高效、低耗传递电磁能量。它的最大用途是各种变压器、传感器、电磁铁、继电器等电感元件。

  硬磁铁氧体,磁滞特性很强,磁化后不易退磁,并能长期保持其磁性。主要在磁路中作为永磁铁来产生恒稳磁场。如用作录音磁头、电视聚焦器和扬声器、示波器、磁电仪表等等。

  旋磁铁氧体,具有旋磁效应,能使作用于它的电磁波发生一定角度的偏转。利用此性质,可制成各种元器体,如衰减器、调制器和环行器、隔离器、回相器以及倍频器、混频器、放大器等等。

  矩磁铁氧体,具有矩形磁滞回线的磁性材料,可用于电子计算机上的记忆元件,逻辑元件,磁光存储器和磁声存储器等等。

  压磁铁氧体,在外力作用下可产生磁致伸缩效应的材料。在外力作用下可产生磁致伸缩效应的材料。在超声工程方面可用作;超声发生器、接收器、探声器和声纳等;在计算计中作各类存储器;在电讯方向作滤波器,稳频器振荡器等等。

  三、磁性陶瓷制作工艺

  1、软磁铁氧体

  目前,软磁铁氧体品种最多,应用最为广泛。根据不同用途,有成分,性能吻合的各类铁氧体,如在超高频范围,可选用磁铅石型六方铁氧体,在音频、中频、高频范围、常用尖晶石型的Mn—Zn铁氧体,Ni-Zn铁氧体,Li—Zn铁氧体等。

  软磁铁氧体的制作生产,要求原料纯度高,配比精确。实验证实:在Mn—Zn铁氧体的配方组成中,Fe2O3含量在53~635%时,铁氧体的磁致伸缩系数接近于O,适用于不同频率,具有良好的特性。另外,随着ZnO含量增加,磁导率和磁感应强度提高。若ZnO含量超过25%时,磁导率反而下降。为改善磁性能,促进烧结,可在配方中引入外加剂。如加入少量WO3,有助于晶粒成长,提高磁导率;加入CaO、SiO2或CaO、Ba2O3以及CeO2能提高电阻率,降低损耗;加入CaO可降低烧结温度,提高密度;加入微量P2O5也能使烧成温度降低。

  在Ni—Zn铁氧中,要严格控制Fe2O3的含量,相应提高NiO含量。一般来说,使用频率要求越高,NiO含量增加,而ZnO含量要低。为降低烧结温度,改善磁性,可引入微量CaO、CuO、CoO和MnO等外加剂。一种适用于高频的Ni—Zn软磁铁氧体的配方范围为:Fe2O3 50~70%ZnO 5~40% NiO 5~40%。

  软磁铁氧体的成型,一般彩用;干压,挤制,注浆或热压铸以及等静压,热压和爆炸法等方法。为减少制品烧成收缩,使反应充分,同时提高铁氧体的内在性能,一般要先进行预烧,有的进行低温预烧,有的进行高温预烧,有的甚至要求两次预烧。铁氧体的烧成,一般选用硅碳棒电窑,在1150~1350℃的氧化气氛中进行。在烧制高磁导率的软磁铁氧体时,还必须控制冷却速度,使之缓慢冷却,以降解铁氧体的内部应力。

  2、硬磁铁氧体

  硬磁铁氧体可称为永磁材料,主要有:磁铅石型的Ba—铁氧体、Sr—铁氧体、Pb—铁氧体、还有尖晶石型的CO—铁氧体等。

  硬磁铁氧体的生产制作,不仅要求原料纯度高和精确的配方组成,还要求磁体晶粒大小适度、分布均匀、取向合理,结构致密。

  硬磁铁氧体预烧温度一般在1100~1300℃。烧结温度在1150~1250℃的氧化气氛中进行。如Ba—铁氧体是把原料在1100~1200℃的温度下预烧,成型后在1150~1250℃的温度下烧结而成。Co—铁氧体是在900℃左右的温度下预烧,再在1100℃的温度下减压烧成后,在居里温度300℃之间的温度下施加磁场,然后缓慢冷却而制成的。

  铁氧体烧结密度关系到剩余磁感应强度的大小,铁氧体愈致密,其剩余磁感应强度越大。虽然提高烧成温度,能使磁体密度增大,但会导致磁相晶粒长大,对磁感应强度不利。正确方法是引入添加剂,来加快烧结速度、提高致密度、还能有效抑制磁体晶粒的长大。常用的外加剂有:Al2O3、AS2O3和Bi2O3等。

  3、旋磁铁氧体

  旋磁铁氧体主要用来制作各类微波元件,因此,又被称为微波铁氧体。目前,应用广泛的主要有“尖晶石型和石榴型铁氧体。其中尖晶石型旋磁铁氧体用途最广,常用的有镁系铁氧体CMg—Mn、Mg—Mn—Al2O3、Mg—Cr铁氧体等),镍系铁氧体(Ni—Mg、Ni—Zn、Ni—Al铁氧体等)。此外,还有锂系铁氧体CLi—Mg、Li—Al铁氧体等。

  石榴石型旋磁铁氧体是由含稀土元素的铁系氧化物构成,其中最重要的就是钇石榴石铁氧体。也有不含或少含稀土元素的石榴石旋磁铁氧体,如Bi—Ca—V石榴石。

  磁铅石型旋磁铁氧体可用于很高的频段,它是用Al来代替Ba、Sr和pb铁氧体中的一部分Fe而制成。

  4、矩磁铁氧体

  一般来说,密度高,晶粒均匀,结晶向异性大的尖晶石型铁氧体均可制成矩磁铁氧体。常用矩磁铁氧体有;Mn—Mg、Mn—Cu、Mn—Ni、Li—Mn、Li—Ni铁氧体等陶瓷材料。

  在Mn—Mg矩磁铁氧体中,Fe2O3的含量在40~50%时,MgO和MnO的比例含量允许有较宽的选择范围。MnO的含量高,使铁氧体具有良好的矩形磁滞回线,但过量时、磁化时需较大电流,对磁芯的工作不利。当Fe2O3含量在43%,MgO:MnO:Fe2O3为1:3:3时,Mn—Mg铁氧体矩磁特性最好。配方中引入以La2O3为主稀土元素,有助于改善矩磁铁氧体的性能。

  5、压磁铁氧体

  压磁铁氧体以含Ni铁体为主,应用较广的是Ni—Zn、Ni—Cu、Ni—Mg铁氧体等。压磁铁氧体的密度大小直接关系到铁氧体的压磁性能。在生产工艺中,可采用加大成型压力、提高烧成温度、引入添加物和高温预烧等方法,来提高铁氧体的密度。如在Ni—Zn压磁铁氧体中,增加Zn的含量或以少许Cu来取代Ni作助熔剂,有利于提高铁氧体密度。

  以上仅就磁性陶瓷的类别和工艺进行了简单的介绍。有关磁性陶瓷的工艺特性,科技工作者还在进行更深入的研究。可以预见;随着科技的日益发展,新型的磁性陶瓷材料还将在更多的领域发挥其巨大作用。

 

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