铁氧体
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/28/Ceramic_magnets.jpg/220px-Ceramic_magnets.jpg)
铁氧体(英语:Ferrite)是一种陶瓷材料,以氧化铁为其主要成份[1]。大部份的铁氧体是磁性材料,用来制作永久磁铁、变压器的铁芯及其他相关的应用。
性质
铁氧体一般是不导电的亚铁磁性陶瓷材料,是从赤铁矿(Fe2O3)或磁铁矿(Fe3O4)中提炼而得。铁氧体类似其他金属氧化物,硬度高、具脆性。铁氧体依照其磁矫顽力的低或高,区分为“软磁体”或“硬磁体”。
化学式
许多铁氧体属于尖晶石,其化学式是AB2O4,A和B是不同的金属阳离子,一般包括铁离子。尖晶石的铁氧体一般会是立方晶系(fcc)的氧化物。不过也有可能出现化学式为[M2+1-δFe3+δ][M2+δFe3+2-δ]O4的混合结构,其中δ为反位程度(degree of inversion)。
有一种称为ZnFe的磁性材料,其化学式为ZnFe2O4,其中Fe3+位在八面体间隙的位置,而Zn2+在四面体间隙的位置,这是一种正常尖晶石铁氧体结构的例子[2]。
有些铁氧体为六方晶系,例如钡铁氧体BaO:6Fe2O3或BaFe12O19。
软铁氧体
用在变压器或电磁铁铁芯的铁氧体中包括有镍、锌或锰的化合物,其矫顽力低,一般会称为软铁氧体。其矫顽力低意味著可以在不消耗许多能量(磁滞现象)的情形下,将材料的磁化强度由正变负,其材料本身的高电阻率也降低另一个能量损耗来源:涡电流的产生。由于在高频的损失较低,常用在射频变压器的铁芯及开关电源中用到的电抗器。
常见的软铁氧体有:
- 锰锌铁氧体(MnZn,化学式为MnaZn(1-a)Fe2O4),其磁导率及饱和感应(saturation induction)都较镍锌铁氧体要高。
- 镍锌铁氧体(NiZn,化学式为NiaZn(1-a)Fe2O4),其电阻率高于锰锌铁氧体,较适合用在超过1 MHz频段的应用。
硬铁氧体
用在永久磁铁的铁氧体为硬铁氧体,有较高的矫顽力和磁化后的剩磁。氧化铁及碳酸钡或碳酸锶用于制造硬铁氧体。[3][4]因为其高矫顽力,硬铁氧体不易被退磁,这也是永久磁铁的一个重要特性。硬铁氧体可以产生磁通,也有较高的磁导率。硬铁氧体也称作陶瓷磁铁,其价格便宜,常用在家用制品中(例如冰箱磁铁)。硬铁氧体可以产生的最大磁场B约0.35T,而最大磁场强度H约30至160千安培匝每米(400至2000奥斯特)[5],密度约5g/cm3。
常见的硬铁氧体有:
- 锶铁氧体,SrFe12O19 (SrO·6Fe2O3),用于微波装置、记录介质、磁光介质、电讯和电子工业。[6]
- 钡铁氧体,BaFe12O19 (BaO·6Fe2O3),是常用于永久磁铁的材料,钡铁氧体是较强韧的陶瓷,在湿气下稳定,可以抗腐蚀,常用在重低音扬声器磁铁,也用作磁储存介质,如磁条。
- 钴铁氧体,CoFe2O4 (CoO·Fe2O3),也用做磁储存的介质[7]。
制造
铁氧体的制造方式是将细小粉末的氧化铁和碳酸盐原料压入模具中,然后加热。加热过程中会锻烧碳酸盐:
- MCO3 → MO + CO2
因此铁氧体中的氧化钡及氧化锶一般会由其碳酸盐,碳酸钡及碳酸锶提供。 氧化物的混合物再进行类似陶瓷制作过程要进行的高温烧结。
烧结后的产物会再研磨到小于2µm的颗粒大小,此大小的颗粒很小,每个颗粒只包括单磁畴,粉末再压制成形、干燥、再次烧结,成形过程可以放在有外加磁场的环境中,可以得到较好的各向异性,可以作为磁铁使用。
若成品较小,形成较简单,也可以直接用干式压模的方式制造。不过在制造过程中粒子有可能会结块形成较大的磁畴.其磁特性会不如用湿式压模制造的制品。也可以在锻烧后不经研磨,只作一次的烧结,不过其磁特性也会较差。
电磁铁也要经过预烧结、研磨及压模,不过烧结时会置放在特殊的气体中,例如氧气很少的大气中。原料和烧结后成品的化学成份和物体结构会有很大的差异。
铁氧体在制造时会希望会是叠层的结构,为了使各层的铁氧体在烧结时不要粘在一起,许多制造商在生产时会用一般陶瓷粉末的分隔层,分隔层可以由许多的材料组成,包括铝、锌及锰的化合物。分隔层的原料也可以是细小的颗粒或是大颗粒。适当调整磁性材料及分隔层材料颗粒的大小,可以在增加铁氧体产量的同时,减少表面的损坏及污染。
应用
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/81/Ferrite_cores.jpg/450px-Ferrite_cores.jpg)
铁氧体常用在制作电感器、变压器及电磁铁中的铁芯,铁氧体的高电阻可以减少其涡电流损失。铁氧体的铁芯也常放在电脑的电源线及信号线上,称为磁珠,可以避免高频的电磁杂讯(电磁干扰)进入设备或从设备中传出。
早期的电脑记忆体利用硬铁氧体铁芯的剩磁记录资料,一般会组合成磁芯记忆体的阵列。铁氧体的粉末也用在磁带的涂层中,最常见的是氧化铁。
铁氧体颗粒也做为隐形飞机使用的雷达波吸收涂层,在电磁相容量测用的实验室中,也会用铁氧体颗粒来吸收电磁波,避免反射。
许多收音机中的磁铁及喇叭中的磁铁都是铁氧体磁铁,铁氧体磁铁已经取代铝镍钴磁铁在此领域的应用。
在电吉他的拾音器中,磁性拾音器也会用铁氧体为其磁性材料。
参考资料
- ^ Carter, C. Barry; Norton, M. Grant "Ceramic materials: science and engineering" Springer, 2007. ISBN 0-387-46270-8.
- ^ Shriver, D. F.; Atkins, P. W.; Overton, T. L.; Rourke, J. P.; Weller, M. T.; Armstrong, F. A. “Inorganic Chemistry” W. H. Freeman, New York, 2006. ISBN 0-7167-4878-9.
- ^ Ferrite Permanent Magnets. Arnold Magnetic Technologies. [18 January 2014]. (原始内容存档于2012-05-14).
- ^ Barium Carbonate. Chemical Products Corporation. [18 January 2014]. (原始内容存档于2014-02-01).
- ^ Amorphous Magnetic Cores. Hill Technical Sales. 2006 [18 January 2014]. (原始内容存档于2020-07-11).
- ^ Ullah, Zaka; Atiq, Shahid; Naseem, Shahzad. Influence of Pb doping on structural, electrical and magnetic properties of Sr-hexaferrites. Journal of Alloys and Compounds. 2013, 555: 263–267. doi:10.1016/j.jallcom.2012.12.061.
- ^ Synthesis and Magnetic Properties of Cobalt Ferrite (CoFe2O4) Nanoparticles Prepared by Wet Chemical Route (PDF). [2013-02-26]. (原始内容存档于2019-07-01).