中國最早接觸到的鐵氧體是公元前 4世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的天然鐵氧體,即磁鐵礦(Fe3O4),中國所發(fā)明的指南針就是利用這種天然磁鐵礦制成的。
到20世紀(jì)30年代無線電技術(shù)的發(fā)展,迫切地要求高頻損耗小的鐵磁性材料。而四氧化三鐵的電阻率很低,不能滿足這一要求。
1933年日本東京工業(yè)大學(xué)首先創(chuàng)制出含鈷鐵氧體的永磁材料,當(dāng)時(shí)被稱為OP磁石。30~40年代,法國、
日本、德國、荷蘭等國相繼開展了鐵氧體的研究工作,其中荷蘭菲利浦實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家J.L.斯諾克于1935年研究出各種具有優(yōu)良性能尖晶石結(jié)構(gòu)的含鋅軟磁鐵氧體,于1946年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
1952年,該室J.J.文特等人曾經(jīng)研制成了以
BaFe12O19為主要成分的永磁性鐵氧體。這種鐵氧體與1956年該室的G.H.永克爾等人所研究的四種甚高頻磁性鐵氧體具有類似的六角結(jié)構(gòu)。1956年E.F.貝爾托和F.福拉又報(bào)道了亞鐵磁性的Y3Fe5O12的研究結(jié)果。其中代換離子Y有Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、
Tm、Yb和Lu等稀土離子。
由于這類磁性化合物的晶體結(jié)構(gòu)與天然礦物石榴石相同,故將其稱之為石榴石結(jié)構(gòu)鐵氧體。迄今為止,除了1981年日本杉本光男采用超急冷法制得的非晶結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料以外,從結(jié)晶化學(xué)的觀點(diǎn)看,均未超出上述三種類型的晶體構(gòu)造。所做的工作多數(shù)是為了適合新的用途而進(jìn)行改性和深入的研究。
鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物,是由鐵的氧化物及其他配料燒結(jié)而成。一般可分為永磁鐵氧體、軟磁鐵氧體和旋磁鐵氧體三種。
永磁鐵氧體又叫鐵氧體磁鋼,就是我們平時(shí)見到的黑色小磁鐵。其組成原材料主要有氧化鐵、碳酸鋇或碳酸鍶。充磁后,殘留磁場的強(qiáng)度很高,并可以長時(shí)間保持殘留磁場。通常用作永久磁鐵材料。例如:揚(yáng)聲器磁鐵。
軟磁鐵氧體是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物(例如:氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等)配制燒結(jié)而成。之所以稱之為軟磁,是因?yàn)楫?dāng)充磁磁場消失后,殘留磁場很小或幾乎沒有。通常用作扼流圈,或中頻變壓器的磁芯。這和永磁鐵氧體是完全不同的。
旋磁鐵氧體是指具有旋磁特性的鐵氧體材料。磁性材料的旋磁性是指在兩個(gè)互相垂直的直流磁場和電磁波磁場的作用下,平面偏振的電磁波在材料內(nèi)部按一定方向的傳播過程中,其偏振面會(huì)不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。旋磁鐵氧體已廣泛應(yīng)用于微波通信領(lǐng)域。按照晶體類型分,旋磁鐵氧體可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型(六角型)鐵氧體。
根據(jù)鐵氧體結(jié)晶構(gòu)造和形態(tài),制備工藝大致分為:多晶鐵氧體生產(chǎn)工藝;鐵氧體化學(xué)工藝;單晶鐵氧體制造工藝及其他特種工藝,如鐵氧體多晶薄膜和非晶鐵氧體等。
多晶鐵氧體生產(chǎn)工藝
類似陶瓷工業(yè)中常用的燒結(jié)過程,包括如下步驟:經(jīng)固相反應(yīng)形成鐵氧體的金屬氧化物或碳酸鹽或其他化合物,在混合均勻之后,經(jīng)球磨、干燥,壓成特定的形狀。在大約1000°C的溫度下進(jìn)行預(yù)燒后,再一次充分研磨和混合。加入適量的粘合劑,壓成所要求的形狀或者作為塑性物質(zhì)擠壓成管狀、棒狀或條狀。然后在1200~1400°C溫度下燒結(jié),準(zhǔn)確的溫度取決于所需的鐵氧體特性。在最后的燒結(jié)過程中,爐膛中的環(huán)境條件起有重要的作用。
鐵氧體化學(xué)工藝
亦稱濕法工藝,有時(shí)還稱為化學(xué)共沉淀法。專門制備較高性能鐵氧體的工藝方法,又可分成中和法和氧化法。其過程是:先將制備鐵氧體時(shí)所需的金屬元素,配制成一定濃度的離子溶液,然后根據(jù)配方取適量溶液進(jìn)行混合,通過中和或氧化等化學(xué)反應(yīng)生成鐵氧體粉末,其后工藝過程與前面介紹的相同。
單晶鐵氧體制造工藝
與非金屬單晶生長大致相同。Mn-Zn和Ni-Zn系鐵氧體單晶生長一般是采用布里茲曼法,即把多晶鐵氧體放入鉑坩堝里熔融后,在適當(dāng)?shù)臏囟忍荻入姞t中使坩堝下降,從坩堝底部慢慢固化生成單晶。為了使熔融狀態(tài)下形成的氧分壓達(dá)到平衡,晶體生長時(shí)在爐膛內(nèi)需要加幾個(gè)乃至100個(gè)MPa的氧分壓。
鐵氧體多晶薄膜的制備
如垂直磁化的鋇鐵氧體薄膜,采用新型的對(duì)向靶濺射裝置進(jìn)行濺射。制備石榴石單晶薄膜,多采用在單晶基板上進(jìn)行氣相或液相外延法,其具體工藝過程同半導(dǎo)體單晶薄膜的外延方法極為相近。
非晶鐵氧體的制備
當(dāng)前是采用超急冷方法和濺射法,所謂超急冷法即把鐵氧體原料和適量的類金屬元素混合后,在高溫熔融狀態(tài)下,驟然施行大溫度梯度的超急冷卻的方法。這方面的研究工作剛剛開始,制品的性能還不甚理想。