磁性陶瓷

磁性陶瓷主要是指铁氧体陶瓷，铁氧体是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。铁氧体多属半导体，电阻率远大于一般金属磁性材料，具有涡流损失小的优点。在高频和微波技术领域，如雷达技术、通信技术、空间技术、电子计算机等方面都到了广泛的应用1。

简介磁性陶瓷又称为铁氧体，这类材料是指具有铁离子、氧离子及其他金属离子所组成的复合氧化物磁性材料，存在少数不含铁的磁性氧化物。根据应用划分，这类材料可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁等。软磁陶瓷材料是目前品种最多，应用最广泛的一种磁性陶瓷，其特点是起始磁导率高，容易磁化也容易退磁一类磁性材料2。

按用途分类从磁性陶瓷的性质及用途来看，它可分为软磁、硬磁、旋磁、压磁磁泡、磁光及热敏等磁性陶瓷。

硬磁硬磁磁性陶瓷也称永磁性磁性陶瓷，是一种矫顽力Hc较大、磁化后不易退磁并长期保留磁性的一种磁性陶瓷，硬磁磁性陶瓷Hc高(0.1~0.4T)，磁感应强度高(0.3~0.5T)，最大磁能高(8000~40000J·m-3)。主要的硬磁磁性陶瓷多属于磁铅石型结构，如Ba-铁氧体、Sr-铁氧体、Pb-铁氧体及它们的复合体。此外，属于尖晶石型的Co-铁氧体，由于晶格各向异性大，也作硬磁性材料使用3。

磁泡磁泡是指磁性陶瓷中的圆形磁畴，这些磁畴垂直于膜．直径为1~100μm，看上去像气泡，因此形象地称为“磁泡”。磁泡材料是一种新型的磁存储材料，以“泡”的“有”“无”表示信息的“1”和“o”两种状态。由电路和磁场来控制“泡”的产生、消失、传送、分裂以及磁泡间的相互作用，实现信息的存储、记忆和逻辑运算等功能，磁泡存储器具有容量大、体积小、功耗低、可靠性高等优点3。

压磁它是利用磁致伸缩，将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的一种磁性陶瓷，也称为磁致伸缩材料。主要压磁铁氧体有Ni-Zn，Ni-Cu，Ni-Mg和Ni-Co等铁氧体，其中Ni-Zn铁氧体应用得最广泛。压磁铁氧体主要用于超声、水声器件，机械滤波器及一些电信器件3。

按晶体结构分类从磁性陶瓷的晶体结构来看，主要有以下三种类型：

尖晶石型磁性陶瓷其晶体结构与天然镁铝尖晶石(MgO-Al2O3)结构相似，属等轴晶系，化学式一般以MeFe2O4表示，其中Me通常为二价离子，如Mg2+、Mn2+、Ni2+、Fe2+、Cd2+、Cu2+等4。

磁铅石型磁性陶瓷其晶体结构与天然磁铅石Pb(Fe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5)O19结构类似，属六方晶系，分子式为MeFe12O19，其中Me表示二价金属离子，如Ba2+、Pb2+等，这类磁性陶瓷有较大的矫顽力，是一类磁性较强的硬磁材料4。

石榴石型磁性陶瓷其晶体结构与天然石榴石(Fe,Mn)3Al2(SiO4)3结构类似，属等轴晶系，化学分子式为3Me2O3·5Fe2O3或2Me3Fe5O12，其中Me表示三价稀土金属离子，如Y3+、Sm3+、Eu3+、Dy3+、Tm3+等。在这种类型的磁性陶瓷中，钇铁氧体3Y2O3·5Fe2O3是最重要的一种，它的电阻率较高，高频损耗极小，是一种良好的超高频微波磁性陶瓷材料4。

磁性陶瓷的基本特征磁性陶瓮的磁性物质的磁性来自原子磁矩，原子以由原子核为中心的电子轨道运动为特征。一方面原子核外的电子沿着一定的轨道绕着原子核作轨道运动，由于电磁感应，产生轨道磁矩。另一方面电子本身还不停地作自旋运动，产生自旋磁矩，原子的磁矩就是这两种磁矩的总和4。

在一些物质中存在着一种特殊的相互作用，这种作用能影响物质中磁性原子、离子的磁矩的相对方向性的排列状态。当具有这种作用较强的物质处在较低温度时，磁矩可能形成有序的排列。物质中磁矩排列方式存在着不同，其中铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性排列方式为有序排列。通常所说的磁性材料是指常温下为铁磁性或亚铁磁性的物质在宏观上表现出强磁性，磁性陶瓷大多属于亚铁磁性材料。由于陶瓷具有复杂的结晶状态（实际上根据原子，或离子的种类和晶体结构不同，在外部可观察到更复杂的磁性现象），磁性陶瓷按其晶格类型可分为尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙铁矿型、钛铁石型、氯化钠型、金红石型、非晶结构等8类。以当前被研究得最详细、实用上又最重要的尖晶石结构的铁氧体为例，它的一般化学式为MFe2O4，式中的M为二价金属离子。尖晶石结晶的单胞由8个分子组成，含有8个2价金属、16个3价金属、32个氧，其中氧为最密集的排列（面心立方），金属离子嵌入到氧离子堆积的空隙中4。

磁滞回线物质的另一个基本特性是表现磁化过程的特性，即得到磁滞回线。这种磁滞回线的形状和大小，首先随磁性物质的种类和组成而异，其次也受磁化机理、初磁化区域、不连续磁化区域、回转磁化区域等暂存方式的影响。因此由磁滞回线可得到磁性物质的一些重要性能指标，包括饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矫顽力、起始导磁率和最大导磁率等4。

磁性陶瓷与其他种类的磁性材料相比，还具有电阻率高，可在高频范围使用，硬度大，化学性质稳定，适宜于大批量生产，成本低价格较便宜等特点4。

磁性陶瓷的应用磁性陶瓷是一种用途非常广泛的功能材料，它作为电子工业的基础材料之一，近年来得到很大的发展。人们研究开发了许多新型的磁性陶瓷，如开关电源用高频低功耗功率铁氧体、宽频微波吸收铁氧体、高矫顽力纳米晶磁性陶瓷、R2CuO2型超导和磁有序材料、室温磁制冷材料等等。这些材料的性能更好、用途更广。它们的发展必将对电子、计算机、自动控制等产业的发展起到重要的推动作用1。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所