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鐵素體 。
一疊鐵氧體磁鐵
鐵氧體 (英語:Ferrite )是一種陶瓷材料 ,以氧化铁 為其主要成份[ 1] 。大部份的鐵氧體是磁性 材料,用來製作永久磁鐵 、變壓器 的鐵芯 及其他相關的應用。
性質
鐵氧體一般是不導電的亚铁磁性 陶瓷材料,是從赤鐵礦 (Fe2 O3 )或磁鐵礦 (Fe3 O4 )中提煉而得。鐵氧體類似其他金屬氧化物,硬度 高、具脆性 。鐵氧體依照其磁矯頑力 的低或高,區分為「軟磁體」或「硬磁體」。
化學式
許多鐵氧體屬於尖晶石 ,其化學式 是AB2 O4 ,A和B是不同的金屬陽離子 ,一般包括鐵離子。尖晶石的鐵氧體一般會是立方晶系 (fcc)的氧化物。不過也有可能出現化學式為[M2+ 1-δ Fe3+ δ ][M2+ δ Fe3+ 2-δ ]O4 的混合結構,其中δ為反位程度(degree of inversion)。
有一種稱為ZnFe的磁性材料,其化學式為ZnFe2 O4 ,其中Fe3+ 位在八面體間隙的位置,而Zn2+ 在四面體間隙的位置,這是一種正常尖晶石鐵氧體結構的例子[ 2] 。
有些鐵氧體為六方晶系,例如鋇鐵氧體BaO:6Fe2 O3 或BaFe12 O19 。
軟鐵氧體
用在變壓器 或電磁鐵 鐵芯 的鐵氧體中包括有鎳 、鋅 或錳 的化合物,其矯頑力 低,一般會稱為軟鐵氧體 。其矯頑力低意味著可以在不消耗許多能量(磁滯現象 )的情形下,將材料的磁化強度 由正變負,其材料本身的高电阻率 也降低另一個能量損耗來源:渦電流 的產生。由於在高頻的損失較低,常用在射頻 變壓器的鐵芯及开关电源 中用到的電抗器 。
常見的軟鐵氧體有:
錳鋅鐵氧體 (MnZn ,化學式為Mna Zn(1-a) Fe2 O4 ),其磁導率 及飽和感應(saturation induction)都較鎳鋅鐵氧體要高。
鎳鋅鐵氧體 (NiZn ,化學式為Nia Zn(1-a) Fe2 O4 ),其電阻率 高於錳鋅鐵氧體,較適合用在超過1 MHz頻段的應用。
硬鐵氧體
用在永久磁鐵的鐵氧體為硬鐵氧體 ,有較高的矯頑力和磁化後的剩磁 。氧化鐵 及碳酸鋇 或碳酸鍶 用於製造硬鐵氧體。[ 3] [ 4] 因為其高矯頑力,硬鐵氧體不易被退磁,這也是永久磁鐵的一個重要特性。硬鐵氧體可以產生磁通 ,也有較高的磁导率 。硬鐵氧體也稱作陶瓷磁鐵,其價格便宜,常用在家用製品中(例如冰箱磁鐵 )。硬鐵氧體可以產生的最大磁場B 約0.35T ,而最大磁場強度H 約30至160千安培匝每米(400至2000奥斯特 )[ 5] ,密度約5g/cm3 。
常見的硬鐵氧體有:
鍶鐵氧體 ,SrFe12 O19 (SrO·6Fe2 O3 ),用於微波裝置、記錄介質、磁光介質、電訊和電子工業。[ 6]
鋇鐵氧體 ,BaFe12 O19 (BaO·6Fe2 O3 ),是常用於永久磁鐵的材料,鋇鐵氧體是較強韌的陶瓷,在濕氣下穩定,可以抗腐蝕,常用在重低音扬声器 磁鐵,也用作磁儲存 介質,如磁條 。
鈷鐵氧體 ,CoFe2 O4 (CoO·Fe2 O3 ),也用做磁儲存的介質[ 7] 。
製造
鐵氧體的製造方式是將細小粉末的氧化鐵和碳酸鹽原料壓入模具中,然後加熱。加熱過程中會鍛燒 碳酸鹽:
MCO3 → MO + CO2
因此鐵氧體中的氧化鋇及氧化鍶一般會由其碳酸鹽,碳酸鋇 及碳酸鍶 提供。
氧化物的混合物再進行類似陶瓷製作過程要進行的高溫烧结 。
燒結後的產物會再研磨 到小於2µm 的顆粒大小,此大小的顆粒很小,每個顆粒只包括單磁疇 ,粉末再壓製成形、乾燥、再次燒結,成形過程可以放在有外加磁場的環境中,可以得到較好的各向異性 ,可以作為磁鐵使用。
若成品較小,形成較簡單,也可以直接用乾式壓模的方式製造。不過在製造過程中粒子有可能會結塊形成較大的磁疇.其磁特性會不如用濕式壓模製造的製品。也可以在鍛燒後不經研磨,只作一次的燒結,不過其磁特性也會較差。
電磁鐵也要經過預燒結、研磨及壓模,不過燒結時會置放在特殊的氣體中,例如氧氣很少的大氣中。原料和燒結後成品的化學成份和物體結構會有很大的差異。
鐵氧體在製造時會希望會是疊層的結構,為了使各層的鐵氧體在燒結時不要粘在一起,許多製造商在生產時會用一般陶瓷粉末的分隔層,分隔層可以由許多的材料組成,包括鋁、鋅及錳的化合物。分隔層的原料也可以是細小的顆粒或是大顆粒。適當調整磁性材料及分隔層材料顆粒的大小,可以在增加鐵氧體產量的同時,減少表面的損壞及污染。
應用
各種不同形狀的變壓器鐵芯
鐵氧體常用在製作電感器 、變壓器 及電磁鐵 中的鐵芯 ,鐵氧體的高電阻可以減少其渦電流 損失。鐵氧體的鐵芯也常放在電腦的電源線及信號線上,稱為磁珠 ,可以避免高頻的電磁雜訊(電磁干擾 )進入設備或從設備中傳出。
早期的電腦記憶體 利用硬鐵氧體鐵芯的剩磁記錄資料,一般會組合成磁芯記憶體 的陣列。鐵氧體的粉末也用在磁帶 的塗層中,最常見的是氧化鐵 。
鐵氧體顆粒也做為隱形 飛機使用的雷達波吸收塗層,在電磁相容 量測用的實驗室中,也會用鐵氧體顆粒來吸收電磁波,避免反射。
許多收音機中的磁鐵及喇叭中的磁鐵都是鐵氧體磁鐵,鐵氧體磁鐵已經取代鋁鎳鈷磁鐵 在此領域的應用。
在電吉他的拾音器 中,磁性拾音器也會用鐵氧體為其磁性材料。
磁性奈米顆粒 會有超順磁性 的磁性質。
參考資料
^ 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 (CoFe2 O4 ) Nanoparticles Prepared by Wet Chemical Route (PDF) . [2013-02-26 ] . (原始内容 存档于2019-07-01).