2022-07-05 22:09:25

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当磁化发生在Hc不大于1000A/m,这样的材料称为软磁体。软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物,采用粉末冶金方法生产。

基本信息

  • 中文名称

    软磁铁氧体材料

  • 实质

    磁化发生Hc不大于1000A/m的材料

  • 材料

    亚铁磁性氧化物

  • 方式

    粉末冶金方法

折叠 编辑本段 产品介绍

软磁材料的矫顽力很低,在磁场中可以反复磁化,当外电场去掉以后获得的磁性便会全部或大部分消失。

软磁铁氧体采用粉末冶金方法生产,有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类,其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大 。

软磁铁氧体分为以下九种:纯铁和低碳钢、铁硅系合金、铁铝系合金、铁硅铝系合金、镍铁系合金、铁钴系合金、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金。

折叠 编辑本段 特性要求

要求: 四高----µi、Q、fr、稳定性(M、DF);

特点:容易获得磁性也容易失去,主要用于高f弱场

折叠 编辑本段 分类

折叠 尖晶石型;立方晶系;

石榴石型:体心立方型

磁纤石型:六角晶系

折叠 按材料应用性能

(1)、高磁导率材料(µi = 2000--4104): 低频、宽频带变压器及小型脉冲变压器

(2)、低损耗材料:电源磁芯,高功率场合;

(3)、低损耗高温定性材料:通信滤波器磁芯;

(4)、 高频大磁场材料: 空腔谐振器、高功率变压器等

(5)、功率铁氧体(高Bs)材料: 开关电源及低频功率变压器

(6)、高密度记录材料:用做录音,录象磁头;

(7)、波吸收体材料:吸收电磁波能量,广泛应用于抗干扰 电子技术

折叠 编辑本段 磁特性参数及其改善措施

折叠 磁特性参数

1.起始磁导率

µI=lim_(△H→0){△B/△H}

2.磁损耗品质因素:Q=ωL / R;

损耗角正切:tanδ=1/Q;

比损耗系数: tan /µi =1/µi·Q

一般材料µi· Q =常数.

3.温度稳定性温度系数:αμ

比温度系数:αu/µi

4.减落反映材料随时间的稳定性

5.磁老化

6.截止频率fr由于畴壁或自然共振, 迅速下降致所对应的频率点 ,衡量材料应用频率的上限.

折叠 提高磁导率的相关理论及方法

一、起始磁导率的理论概述:

微观机理: 可逆畴转,可逆畴壁位移

µi = µi 转+ µi位

对于一般烧结铁氧体:

1.如内部气孔较多,密度低,壁移难, µi 转为主;

2.如晶粒大,气孔少,密度高,以壁移为主.

磁化的难易程度决定于磁化动力(MsH)与阻滞之比,比值高则易磁化;反之难磁化.

二、理论上提高磁导率的条件:

1.必要条件:

1>.Ms要高( ∝Ms2 );

2>.k1, λs→0;

2.充分条件:

1>.原料杂质少,  ;

2>.密度要提高 ( P ↓),即材料晶粒尺寸要大( D↓);

3>.结构要均匀 (晶界阻滞↓);

4>.消除内应力 s·σ ↓ ;

5>.气孔↓,另相↓ (退磁场↓)

三、提高µi 的方法

(一)提高材料的Ms

尖晶石铁氧体 Ms = | MB - MA|

1.选高Ms的单元铁氧体

如:MnFe2O4(4.6--5 µB); NiFe2O4 (2.3 µB)

2.加入Zn,使MAs降低

另外:

CoFe2O4 (3.7 µB)磁晶各向异性

Fe3O4(4 µB) 电阻率低,K也较大

Li0.5Fe2.5O4(2.5 µB)

烧结性差,10000C, Li挥发

(二).降低 k1和s

1.选L=0的单元铁氧体; MnFe2O4 , Li0.5Fe2.5O4, MgFe2O4

2.选择L被淬灭; NiFe2O4 ,CuFe2O4

3.离子取代降低k1, λs

1>.加入Zn2+,冲淡磁性离子的磁各向异性

2>.加入Co2+:一般铁氧体k1<0, Co2+的k1>0,正

负k补偿;

3>.引入Fe2+,Fe2+在MnZn表现为正k,可正负补

偿调整k;

4>.加入Ti4+, 2Fe3+  Fe2++Ti4+;

5>高磁导率的成分范围

(三).显微结构:

1.结晶状态: 晶粒大小、完整性、均匀性;

2.晶界状态: 厚薄、气孔、另相;

3.晶粒内气孔,另相: 大小、多少和分布;

4. 高&micro;材料:大晶粒,晶粒均匀完整,晶界薄,无气孔和另相

(四).内应力对&micro;的影响:

1>.有磁化过程中的磁致伸缩引起,它与s 成正比;

2>.烧结后冷却速度太快,晶格应变和离子、空位分布不均匀而产生畸变;

3>.由气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀等引起的应力,与原材料纯度和工艺有关。

折叠 编辑本段 软磁铁氧体的损耗

折叠 磁损耗产生原因

软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗,即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散。

折叠 磁损耗分类

非共振区(损耗较小):

1>.涡流损耗;

由于电磁感应引起涡流而产生。

一般铁氧体ρ很高时,可忽略涡流损耗;对高μ材料,由于Fe^2+含量较高,(ρ=10^-2~10Ωm),涡流损耗较大。

降低涡流损耗的有效方法是:提高ρ(晶粒内部的ρ,晶界的ρ)

2>.磁滞损耗;

是指软磁材料在交变场中存在不可逆磁化而形成磁滞回线,所引起材料损耗,大小正比于回线面积.

原因:不可逆的壁移,使B落后于H.

降低损耗的方法:

1)低场下,防止不可逆磁化过程产生,降低损耗与提 高&micro;i的方法一致; 但同时应注意 防止不可逆壁 移的出现

2)高场下,使不可逆磁化过程尽快完成,减少磁滞回 线面积.

3>.剩余损耗;

软磁材料除涡流损耗和磁滞损耗以外的一切损耗,在低频弱场,主要是磁后效损耗,在高频场,共振尾巴延伸致低频场;

磁后效决定于: 扩散离子与空位浓度;与工作温度、频率有关;

扩散弛豫时间:τ= 1 / (9.6 ρ· f · exp(-θ/T))

其中f:晶格振动频率; ρ:扩散离子浓度; θ:激活能;

离子激活能θ高,环境温度T低,则τ远较应用频率对应的τ长,损耗小;

共振区(损耗较大):

4>.尺寸损耗;

5>.畴壁损耗;

6>.自然共振

折叠 编辑本段 改善软磁铁氧体材料性能的方法

1.原材料:纯度高、活性好、杂质少,对MnZn材料

而言粒度最好在0.15~0.25 &micro;m范围内。特别注 意半径较的大杂质混入;

2.配方除满足高Ms,更重要是满足k1≈0, λs≈0;

一般当要求&micro;i在5000以下时,可以加入必要的添 加剂如 CaO, TiO2, LaO,CuO, Bi2O3, B2O3, BaO, V2O5,ZrO2 等,以改善损耗特性及其它性能的作用;

3.保证获得高密度及优良显微结构,造成磁化过程 以壁移为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结 法是获得稳定优良性能必不可少的条件;

4.采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性能,促使均匀化,消除内应力,调节离子、空位的稳 定分布状态。

折叠 编辑本段 软磁铁氧体材料粉料的制备

软磁铁氧体微粉的制备大多采用火法和湿化学法两种, 铁氧体微粉的制备主要采用湿化方法,软磁铁氧体微粉的制备主要采用共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等湿化学法。下面以湿法工艺制备Mn-Zn铁氧体微粉为实例进行讲述。

折叠 1共沉淀法制备铁氧体微粉

化学共沉淀法制备铁氧体微粉是选择一种合适的可溶于水的金属盐类, 按所制备材料组成计量, 将金属盐溶解, 并以离子状态混合均匀, 再选择一种合适的沉淀剂, 将金属离子均匀沉淀或结晶出来, 再将沉淀物脱水或热分解而制得铁氧体微粉。因此化学共沉淀法是一种最经济的制备铁氧体微粉的方法。由于其所制备的粉体微粒具有纯度高, 粒度分布均匀, 活性好等特点, 使之近年来得到深入研究及广泛应用。共沉淀法按其沉淀剂的不同可分为:碳酸盐、草酸盐和氢氧化物等若干种方法。

1)氢氧化物共沉淀法 这种方法可分为中和法和氧化法。中和法就是将三价铁离子和组成铁氧体材料的其它金属盐溶液, 用碱中和, 在一定条件下, 直接在水溶液中形成尖晶石型铁氧体。其离子反应方程式为:2Fe3++ M 2++ OH----- MO- Fe2O 3↓中和法形成铁体的主要影响因素是溶液 pH值和温度( 一般 pH 为 10~13, 温度近沸) 。

氧化法的主要工艺是先配制含有二价铁离子和其它二价金属离子的硫酸盐水溶液, 加过量的强碱溶液, 保持 pH 为一定值, 即形成悬浮液, 然后往此溶液中通入空气氧化而逐渐生成铁氧体沉淀物。铁氧体的形成及其晶粒大小, 受溶液 pH 值、温度等因素影响。在 pH> 10 时, 铁氧体颗粒大小, 随金属阳离子浓度增大而增大, 随温度降低而减小。要制备具有实用价值、结构完美, 并具有一定颗粒大小的沉淀物, 必须选择适当的条件才能达到。

2)碳酸盐共沉淀法

碳酸盐共沉淀法是它是在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂碳酸盐, 得到前驱体沉淀物, 再焙烧成粉体。在共沉淀时, 为了防止钠离子的污染, 选用 NH3- NH4HCO 3 作沉淀剂, 可消除使用单一沉淀剂所产生的沉淀过滤困难和后烧结困难等蔽端。此法工艺简单, 易于操作, 成本较低, 具有较好的经济价值。

折叠 2溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是 20 世纪 90 年代兴起的一种新的湿化学合成方法, 被广泛的应用于各种无机功能材料的合成当中。此法是将金属有机化合物如醇盐等溶解于有机溶剂中, 通过加入纯水等使其水解、聚合、形成溶胶, 再采取适当的方法使之形成凝胶, 并在真空状态下低温干燥, 得疏松的干凝胶, 再作高温煅烧处理, 即可制得纳米级氧化物粉末, 凝胶的结构和性质在很大程度上取决于其后的干燥致密过程, 并最终决定材料的性能。

此法制备的粉体纯度高, 均匀性好, 粒经小 ,尤其对多组分体系, 其均匀度可达到分子或原子 水平。

烧结温度比高温固相反应温度低, 晶粒大小随温度和时间的增加而增大, 完全晶化温度约为750 ℃左右。与共沉淀法相比, 该法合成的纳米粉体仅在烧结时才出现团聚, 且在不高的温度( 700~800 ℃) 晶化完全。这样可以节约能源, 避免由于烧结温度高而从反应器中引入杂质, 同时烧前易部分形成凝胶, 具有较大的表面积, 利于产物的形成。是一种较好的制备超微粉的方法 。

折叠 3水热法

水热法也是近 10 余年来发展起来的制备超微粉又一新的合成方法。此法以水作溶剂, 在一定温度和压力下, 使物质在溶液中进行化学反应的一种制备无机功能材料微粉的方法, 此法可实现多价离子的掺杂, 这些特性为研究新材料提供了有利条件。在水热反应中, 微粉晶粒的形成经历了一个溶 解-结晶的 过程, 所制备 的微粉晶体粒 径小, 粒度较均匀, 不需高温煅烧预处理, 合成温度大约为 900 ℃, 形成的晶体较为完整, 纯度高, 且具有较高的活性。有研究表明, 水热反应温度、时间等对产物纯度、颗粒、磁性有较大影响, 所制备的微粉晶粒一般只有几十纳米。

折叠 4超临界法

超临界法是指以有机溶剂等代替水作溶剂,在水热反应器中, 在超临界条件下制备微粉的一种方法。反应过程中液相消失, 更有利于体系中微粒的均匀成长和晶化, 比水热法更为优越, 是一个进一步值得研究的方法。超临界流体干燥法所制备的微粉粒度分布较均匀, 晶体完全, 比表面能较小, 不易团聚。

折叠 编辑本段 软磁铁氧体材料研究的历史

折叠 世界上最早开始研究的国家--中国

中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。早在战国时期就有关于天然磁性材料(如磁铁矿)的记载。

11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用。1099~1102年有指南针用于航海的记述,同时还发现了地磁偏角的现象。

折叠 软磁材料在工业中的应用

软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末,是伴随着电力电工及电讯技术的兴起而出现的,其应用范围极其广泛。软磁材料不仅应用于家电领域、信息化领域、汽车领域和其他配套领域,更主要的是软磁材料作为电子元器件生产的主要原材料为其带来了源源不断的需求。近年来,其市场需求量逐年上升,产品种类也日益增多,成为磁性材料行业发展的一大亮点。根据权威机构统计数据的显示,2004年中国软磁材料产量超过10万吨,实现销售收入约70亿元,其产量占全球磁性材料总产量的33%左右,而实现的销售收入则占全球磁性材料总销售收入的40%左右。

国内高性能永磁铁氧体磁性材料(相当于日本TDK产品的FB4和FB5及以上系列)的需求占永磁铁氧体磁性材料总需求的比例将由2000年的40%左右(不足6万吨)增至2005年的70%以上(约15万吨)高性能软磁铁氧体磁性材料(相当于日本TDK产品的PC40和H5C2及以上系列)的需求占软磁铁氧体磁性材料总需求的比例将由2000年的10%以下增至2005年的30%以上(PC40及以上2万吨,H5C2及以上1万吨)

折叠 20世纪铁氧体软磁材料的研究成果

人类研究铁氧体是从20世纪30年代开始的。

20世纪40年代,荷兰J.L.斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的铁氧体软磁材料

40年代到60年代,是科学技术飞速发展的时期,雷达、电视广播、集成电路的发明等,对软磁材料的要求也更高,生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。20世纪50年代是铁氧体蓬勃发展的时期。1952年磁铅石硬磁铁氧体研制成功;1956年又在此晶系中开发出平面型超高频铁氧体,同时发现了合稀土元素的石榴石型铁氧体,从而形成了尖晶石型、磁铅石型和石榴石型三大晶系铁氧体材料体系。 进入70年代,随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展,研制出了磁头用软磁合金,除了传统的晶态软磁合金外,又兴起了另一类材料--非晶态软磁合金应该说铁氧体的问世是强磁学和磁性材料发展史上的一个重要里程碑。至今铁氧体磁性材料已在众多高技术领域得到了广泛的应用。

折叠 编辑本段 软磁铁氧体材料的发展趋势

折叠 铁氧体吸波材料

由于科学技术的讯猛发展,在武器的隐身技术和电子计算机防信息泄露技术中,以及在生物学中的热效应方面,铁氧体作为吸波材料方面的应用尤为重要。近年来研究者主要集中研究复合铁氧体材料以及纳米尺寸的铁氧体来控制其电磁参数,铁氧体纳米磁性材料作为微波的吸收体,纳米级的微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级,吸收率高,一方面,它能吸收空所中的游离的分子或介质中其他分子通过成键方式连接在一起,造成各向异生的改变。另一方面,在微波场中,活性原子及电子运动加剧,促使磁化,最终将电磁能转化为热能,从而增加吸收体的吸波能力。

折叠 在信息存储方面的应用

信息存储铁氧体材料磁记录是利用强磁性介制输入、记录、存储和输出信息的技术和装置。其磁记录用的磁性材料分为两类:磁记录介制,是作为记录和存储信息的材料,属于永磁材料。另一类是磁头材料,是作为输入和输出信息用的传感器材料,属于软磁材料。

折叠 磁性流体

磁流体是一种新型的功能材料,它由磁性颗粒、稳定剂(表而活性剂)和载液三部份组成,在磁场作用下显示出优于其他磁性材料的优良性能,因此被广泛应用。这是一种人工合成的胶体系统,包括胶状的磁性微料(磁铁矿),经界面活性剂的辅助分散于连续的载粒液中,磁性微粒的直径约10mm。磁性流体集固体的可磁化性和液体的流动性于一体,在磁场作用下,磁性流体可被磁化,显示超顺磁性。磁性流体在生物医学领域具有广泛的应用,近年发展起来的磁性药物载体是国内外十分关注的高新技术

折叠 绿色磁材

随着2010年世博会的召开。以低能耗、低污染、低排放为基础的新型经济模式--低碳经济时代的到来,持续的低碳和绿色经济,将是未来世界发展的大势所趋,这对于新能源、环保、节能等新兴产业会带来巨大的中长期的投资和发展机遇。低碳经济涉及广泛的产业领域和管理领域,也与磁性材料的发展密切相关,也将是未来新型的高新磁性材料应用和市场的重要发展方向

折叠 编辑本段 中国磁性材料市场

折叠 中国磁性材料市场现状

软磁铁氧体产品,高技术领域应用占22%,如数字通信、电磁兼容(EMC)、射频宽带、抗电磁干扰(EMI)、高清显示、汽车电子。传统中低档产品领域应用占78%,如电视机、电源适配器电子镇流器、普通开关电源变压器、天线棒。

从总体来看,中国的铁氧体磁体的性能还以中低档为多数,虽然产量高居世界第一,但产值并不理想。中国的磁性材料总产值约265亿人民币,永磁铁氧体产值62亿,平均价格在1.5万元/吨;软磁铁氧体产值在93亿,平均价格在3.1万元/吨,其余钐钴磁体、钕铁硼磁体和金属磁体占市场110亿元 。

折叠 对中国磁性材料市场发展展望

1、人工、能源成本上涨是趋势;

2、原料价格继续在波动中上涨仍然是必然;

3、磁性产品和电子元件出口将在曲折中缓慢恢复

4、国内下游用户激烈的竞争和价格战必然逼迫磁性 材料企业价格下行,利润缓步下降

5、无生产规模的、大众化中低档磁性材料产品生产 企业生存辛苦

6、有成本优势和技术优势的企业将得到良好发展

7、中国磁性材料研究开发和生产整体水平将向国际先进水平靠齐,由磁性材料生产大国向强国迈进。

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