磁性陶瓷

磁性陶瓷又稱為鐵氧體，這類材料是指具有鐵離子、氧離子及其他金屬離子所組成的複合氧化物磁性材料，存在少數不含鐵的磁性氧化物。根據應用劃分，這類材料可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁等。軟磁陶瓷材料是目前品種最多，應用最廣泛的一種磁性陶瓷，其特點是起始磁導率高，容易磁化也容易退磁一類磁性材料 ^[2]  。

從磁性陶瓷的性質及用途來看，它可分為軟磁、硬磁、旋磁、壓磁磁泡、磁光及熱敏等磁性陶瓷。

硬磁磁性陶瓷也稱永磁性磁性陶瓷，是一種矯頑力H_c較大、磁化後不易退磁並長期保留磁性的一種磁性陶瓷，硬磁磁性陶瓷H_c高(0.1~0.4T)，磁感應強度高(0.3~0.5T)，最大磁能高(8000~40000J·m^-3)。主要的硬磁磁性陶瓷多屬於磁鉛石型結構，如Ba-鐵氧體、Sr-鐵氧體、Pb-鐵氧體及它們的複合體。此外，屬於尖晶石型的Co-鐵氧體，由於晶格各向異性大，也作硬磁性材料使用 ^[3]  。

磁泡是指磁性陶瓷中的圓形磁疇，這些磁疇垂直於膜．直徑為1~100μm，看上去像氣泡，因此形象地稱為“磁泡”。磁泡材料是一種新型的磁存儲材料，以“泡”的“有”“無”表示信息的“1”和“o”兩種狀態。由電路和磁場來控制“泡”的產生、消失、傳送、分裂以及磁泡間的相互作用，實現信息的存儲、記憶和邏輯運算等功能，磁泡存儲器具有容量大、體積小、功耗低、可靠性高等優點 ^[3]  。

它是利用磁致伸縮，將電能轉換為機械能或將機械能轉換為電能的一種磁性陶瓷，也稱為磁致伸縮材料。主要壓磁鐵氧體有Ni-Zn，Ni-Cu，Ni-Mg和Ni-Co等鐵氧體，其中Ni-Zn鐵氧體應用得最廣泛。壓磁鐵氧體主要用於超聲、水聲器件，機械濾波器及一些電信器件 ^[3]  。

從磁性陶瓷的晶體結構來看，主要有以下三種類型：

其晶體結構與天然鎂鋁尖晶石(MgO-Al₂O₃)結構相似，屬等軸晶系，化學式一般以MeFe₂O₄表示，其中Me通常為二價離子，如Mg²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺等 ^[4]  。

其晶體結構與天然磁鉛石Pb(Fe_7.5Mn_3.5Al_0.5Ti_0.5)O₁₉結構類似，屬六方晶系，分子式為MeFe₁₂O₁₉，其中Me表示二價金屬離子，如Ba²⁺、Pb²⁺等，這類磁性陶瓷有較大的矯頑力，是一類磁性較強的硬磁材料 ^[4]  。

其晶體結構與天然石榴石(Fe,Mn)₃Al₂(SiO₄)₃結構類似，屬等軸晶系，化學分子式為3Me₂O₃·5Fe₂O₃或2Me₃Fe₅O₁₂，其中Me表示三價稀土金屬離子，如Y³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Dy³⁺、Tm³⁺等。在這種類型的磁性陶瓷中，釔鐵氧體3Y₂O₃·5Fe₂O₃是最重要的一種，它的電阻率較高，高頻損耗極小，是一種良好的超高頻微波磁性陶瓷材料 ^[4]  。

物質的磁性來自原子磁矩，原子以由原子核為中心的電子軌道運動為特徵。一方面原子核外的電子沿着一定的軌道繞着原子核作軌道運動，由於電磁感應，產生軌道磁矩。另一方面電子本身還不停地作自旋運動，產生自旋磁矩，原子的磁矩就是這兩種磁矩的總和 ^[4]  。

在一些物質中存在着一種特殊的相互作用，這種作用能影響物質中磁性原子、離子的磁矩的相對方向性的排列狀態。當具有這種作用較強的物質處在較低温度時，磁矩可能形成有序的排列。物質中磁矩排列方式存在着不同，其中鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性排列方式為有序排列。通常所説的磁性材料是指常温下為鐵磁性或亞鐵磁性的物質在宏觀上表現出強磁性，磁性陶瓷大多屬於亞鐵磁性材料。由於陶瓷具有複雜的結晶狀態（實際上根據原子，或離子的種類和晶體結構不同，在外部可觀察到更復雜的磁性現象），磁性陶瓷按其晶格類型可分為尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鐵礦型、鈦鐵石型、氯化鈉型、金紅石型、非晶結構等8類。以當前被研究得最詳細、實用上又最重要的尖晶石結構的鐵氧體為例，它的一般化學式為MFe₂O₄，式中的M為二價金屬離子。尖晶石結晶的單胞由8個分子組成，含有8個2價金屬、16個3價金屬、32個氧，其中氧為最密集的排列（面心立方），金屬離子嵌入到氧離子堆積的空隙中 ^[4]  。

物質的另一個基本特性是表現磁化過程的特性，即得到磁滯回線。這種磁滯回線的形狀和大小，首先隨磁性物質的種類和組成而異，其次也受磁化機理、初磁化區域、不連續磁化區域、迴轉磁化區域等暫存方式的影響。因此由磁滯回線可得到磁性物質的一些重要性能指標，包括飽和磁感應強度、剩餘磁感應強度、矯頑力、起始導磁率和最大導磁率等 ^[4]  。

磁性陶瓷與其他種類的磁性材料相比，還具有電阻率高，可在高頻範圍使用，硬度大，化學性質穩定，適宜於大批量生產，成本低價格較便宜等特點 ^[4]  。

磁性陶瓷是一種用途非常廣泛的功能材料，它作為電子工業的基礎材料之一，近年來得到很大的發展。人們研究開發了許多新型的磁性陶瓷，如開關電源用高頻低功耗功率鐵氧體、寬頻微波吸收鐵氧體、高矯頑力納米晶磁性陶瓷、R₂CuO₂型超導和磁有序材料、室温磁製冷材料等等。這些材料的性能更好、用途更廣。它們的發展必將對電子、計算機、自動控制等產業的發展起到重要的推動作用 ^[1]  。