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铁氧体

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一叠铁氧体磁铁

铁氧体(英语:Ferrite)是一种陶瓷材料,以氧化铁为其主要成分[1]。大部分的铁氧体是磁性材料,用来制作永久磁铁变压器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

用在变压器电磁铁铁芯的铁氧体中包括有的化合物,其矫顽力低,一般会称为软铁氧体。其矫顽力低意味着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碳酸钡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(例如冰箱磁铁英语refrigerator magnet)。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]
  • 钡铁氧体英语Barium ferrite,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英语subwoofer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英语single domain (magnetic),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分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

各种不同形状的变压器铁芯

铁氧体常用在制作电感器变压器电磁铁中的铁芯,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噪声(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。

磁性奈米颗粒英语Magnetic nanoparticles会有超顺磁性的磁性质。

参考资料

  1. ^ Carter, C. Barry; Norton, M. Grant "Ceramic materials: science and engineering" Springer, 2007. ISBN 0-387-46270-8.
  2. ^ 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.
  3. ^ Ferrite Permanent Magnets. Arnold Magnetic Technologies. [18 January 2014]. (原始内容存档于2012-05-14). 
  4. ^ Barium Carbonate. Chemical Products Corporation. [18 January 2014]. (原始内容存档于2014-02-01). 
  5. ^ Amorphous Magnetic Cores. Hill Technical Sales. 2006 [18 January 2014]. (原始内容存档于2020-07-11). 
  6. ^ 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. 
  7. ^ 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).