功能陶瓷 第4章 磁性陶瓷概述

磁性陶瓷磁性陶瓷本文主要从以下几个方面简要介绍磁性陶瓷：料的磁性；磁性陶瓷简介；磁性陶瓷分类；磁性陶瓷制备工艺；磁性陶瓷的应用一、材料的磁性：1）物质的宏观磁性：任何材料在磁场中都会或大或小地显示出磁性，即被磁化。

此时材料的总磁通密度为 B ＝μ0H ＋μ0M ＝μ′H其中 μ0 — 真空磁导率；H — 磁场强度μ′ — 材料的有效磁导率；M — 磁化强度宏观上，物体被磁场磁化的程度与磁场强度有关:χ＝ M / Hχ—磁化率，表示物质磁化性的重要参数。

物质可根据χ的不同分为顺磁、抗磁及铁磁三大类.相关概念：磁化：材料在外加磁场H 的作用下，本身具有的磁矩会按磁场方向排列的现象。

自发磁化：无外磁场时，本身具有的磁矩会自发定向排列的现象。

2）抗磁性：在外加磁场H 的作用下，材料内部感生一个与外磁场H 方向相反的感生磁场（抵抗外磁场），这样材料内部总的磁通密度小于外磁场的磁通密度，这种性质被称为抗磁性，具有该性质的材料称为抗磁材料, χ＜0 。

满壳层电子结构的物质具有这种性质，如一些金属及不含过度金属离子或稀土离子的陶瓷。

金属中有一半简单金属是抗磁体。

3）顺磁性：未满电子壳层结构的材料在外磁场作用下，未成对电子产生的磁矩会顺着磁场方向定向排列而产生宏观的净磁矩（在外磁场中显磁性）。

磁化率χ＞0，材料内部总的感通密度大于外磁场的磁通密度，这种性质被称为顺磁性，具有这种性质的材料称为顺磁材料。

如含有过度金属或稀土离子的材料。

4）铁磁性：材料各磁畴具有自发磁化且排列一致的磁矩，在有外磁场H 时，自发排列一致的磁矩趋向于与外磁场相同的方向排列。

在外场撤去后仍有很强度磁性。

这种现象称为铁磁性，具有这种性能的材料称为铁磁体。

如磁铁矿FeO •Fe 2O 35）反铁磁性： 材料具有自发磁化磁矩，但相邻晶面的磁矩排列方向正反两个方向，且大小相等，在有外磁场H 时，无磁化现象发生。

这种现象称为反铁磁性，具有这种性能的材料称为反铁磁体。

2 平面型六角晶体结构磁铅石型的甚高频铁氧体： Ba3Co22+Fe24O41 （Co2Z） 适用于100~1000MHz的超高频和甚高频范围。在1000 MHz 频率下，其导磁率基本上不发生变化。 100MHz以上优于 Ni-ZnFe2O4。
12
晶粒越大，起始磁导率μ0越大，矫顽力Hc越小。
13
15
铁氧体磁性材料的种类和应用
各向异性铁氧体 一般的硬磁氧体，虽然其晶粒是各向异性的，但由于各 个晶粒没有定向排列。因此，整个铁氧体还是各向同性的 。尽管磁化矫顽力很高，但Br较小。因此，磁感矫顽力不 可能很大，其磁能积(BH)max也就不大。 各铁氧体中晶粒的磁化方向都排列接近一致时，这种铁 氧体称为各向异性铁氧体，其磁能积(BH)max比一般的各 向同性硬磁铁氧体大出3~4倍。 生产方法有两种： ① 在磁场条件下成型、干燥和烧成。 ② 采用颗粒呈扁平状或条状的原料。因为它们在成型过 程中易于定向排列。成型后采用热压烧结。
27
(2)球磨 钢筒球磨机，粉料、钢球、液体(水) 。 第一次球磨的作用，主要是将各种粉料混合均匀； 预烧后的第二次球磨是将预烧料粉碎和磨细。 振动球磨法：比普通滚动球磨机的效率高出几十倍，提高 粉碎效率。粉料磨得更细，有利于以后的固相反应。 振动球磨：惯性式与偏旋式。
28
(3)预烧 烧结铁氧体。 预烧过程：固相化学反应阶段： 表面接触期-表面孪晶期-孪晶的发展和巩固期-全面扩散期反应结晶产物形成期-形成化合物的晶格结构缺陷校正期。 低温预烧：500℃ 高温预烧：1000℃ 二次预烧：低温预烧500℃，粉磨，高温预烧：1000℃
13
14
14
铁氧体磁性材料的种类和应用
(2)永磁铁氧体材料 被磁化后不易退磁，能长期保留磁性。 残留磁感应强度Br较高（0.3~0.5T），矫顽力Hc高（ 0.1~0.4T）；磁能积（BH）max高（6000~40000J/m3），高 于高碳钢。 磁铅石型：BaFe12O19和SrFe12O19。 价格低廉，制备简便，性能虽不及优质永磁合金，但远 比碳钢优良。金属永磁合金使用大量的Co和Ni。 用途：永磁电动机，汽车交流发动机，喷雾器、玩具马 达、选矿机、仪表等。 晶粒越小，矫顽力越高；密度越高，Br越高。 1100~1200℃较低温度烧结，还可以采用高温预烧后二次 球磨、加入外加剂、等静压成型及热压烧结。

磁性陶瓷
由于金属和合金磁性材料的电阻率低,损 耗大，因而无法适用于高频。陶瓷质的磁 性材料电阻率高，可以从商用频率到毫米 波范围以多种形态得到应用，而且具有较 高的高频磁导率，这是其他磁性材料难以 比拟的。
材料的磁性
抗磁性： 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩几乎为零并且与原来 磁矩方向相反。 但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场 的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负 数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度 之比值，符号为κ。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一。 抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向，因此，会被磁场排斥。所有物质都具有抗 磁性。可是，对于具有顺磁性的物质，顺磁性通常比较显著，遮掩了抗磁性。 只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如，惰性气体元素和抗腐 蚀金属元素（金、银、铜等等）都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时，抗 磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除，则抗磁性也会遁隐形迹。 常见的抗磁物质：水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织。抗磁物质 的一个重要特点是磁化率不随温度变化。
材料的磁性
B剩磁 Hc矫顽力
磁滞回线
材料的磁性
2.磁滞回线： 是磁性材料的主要特性。Hc为矫顽力，Hm为最 大磁场，Br称为剩余磁感应强度， Bm称为最大 磁感应强度（饱和磁感应强度）。 3.磁导率μ 磁导率μ是表征磁介质磁化性能的一个物理量。对 铁磁体来说，磁导率很大，且随外加磁性的强度 而变化。磁导率μ越大越好，已成为鉴别磁性材料 性能是否优良的主要指标。
石榴石型铁氧体
立方晶系， 分子式为Me3Fe5O12或写成3Me2O3· 5Fe2O3。其中Me表示+3 价稀土金属离子。晶体结构与天然石榴石[(FeMn)3Al2(SiO3)]结构 类似的铁氧体称为石榴石型铁氧体。 特点：其晶胞中含有8个分子式，即96个O2-，其中除含有四面 体和八面体空隙外，还有8个O2-构成的十二面体空隙，这种空隙体 积较大；改性易。 常用离子半径大的稀土离子等常处于这种空隙中。 石榴石型铁氧体具有优异的磁性和介电性能，体积电阻率高， 损耗小。同时还具有一定和透光性，在微波，磁泡，磁光等领域中 是极其重要的一种磁性材料。

功能陶瓷的特点及应用功能陶瓷是指具有特定功能的陶瓷材料，它们通常具有特殊的物理、化学、电学和磁学性能，以及高温稳定性和耐腐蚀性。

以下将以电子陶瓷、磁性陶瓷、结构陶瓷和生物陶瓷为例，介绍功能陶瓷的特点及应用。

1. 电子陶瓷：电子陶瓷是一种应用于电子器件中的陶瓷材料，具有优异的电学特性和高温稳定性。

其特点包括高介电常数、低介电损耗、低热膨胀系数和优异的绝缘性能。

电子陶瓷主要应用于电容器、石英晶体谐振器、微波滤波器等电子元件中，广泛应用于通信、计算机和消费电子等领域。

2. 磁性陶瓷：磁性陶瓷是一种具有磁性的陶瓷材料，主要包括铁氧体陶瓷和硬质磁性材料。

磁性陶瓷具有优异的磁性能，如高磁导率、高剩磁和高矫顽力。

铁氧体陶瓷主要应用于电感器、传感器、磁记录材料等领域；硬质磁性材料则广泛应用于电机、发电机、转轴、磁磨粉等领域。

3. 结构陶瓷：结构陶瓷是一种具有优异力学性能的陶瓷材料，主要包括氧化铝、氮化硅和碳化硅等。

结构陶瓷具有高硬度、高强度、耐磨性和耐腐蚀性等特点，广泛应用于机械、航空航天、汽车和能源等领域。

例如，氧化铝陶瓷可用于制造切割工具、机械密封件和电子陶瓷等；氮化硅和碳化硅陶瓷则常用于制造高温热工装备和轴承等。

4. 生物陶瓷：生物陶瓷是一类用于医疗和生物工程的陶瓷材料，主要包括氧化锆、羟基磷灰石和氧化铝等。

生物陶瓷具有良好的生物相容性、化学稳定性和力学性能，可用于制造人工骨骼、牙科修复材料、植入器件等。

例如，氧化锆陶瓷可用于制作人工关节和牙科修复材料，羟基磷灰石陶瓷则可用于骨修复和植骨。

总结起来，功能陶瓷具有特定的物理、化学和电学性能，以及高温稳定性和耐腐蚀性。

它们在电子、磁性、结构和生物领域都具有重要的应用价值，广泛用于电子器件、磁性材料、机械装备、医疗器械等各个领域。

随着科技的发展，功能陶瓷的研究和应用将进一步得到拓展，为各行各业的发展提供新的可能性。