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鐵氧體微觀結構與性能

這里的鐵氧體指多晶燒結鐵氧體,多晶體鐵氧體大多為固相燒結,液相量很少或不含液相,瓷體主要由晶粒、晶界、氣孔和晶界夾雜物組成。下面主要討論晶粒大小和氣孔對鐵氧體的影響。

1.晶粒大小的影響

一般材料的晶粒越大,晶界越整齊,起始磁導率愈高。這是因為晶粒越大,晶界越整齊,晶界附近的應力越小;疇壁移動的妨礙越小,起始磁導率就越高。一般高磁導率鐵氧體的晶粒大小和起始磁導率的關系,平均粒徑在5~10μm時,磁導率增加很快,因為直徑<5. 5μm的顆粒主要靠磁疇的旋轉獲得相對磁導率約為500的性能。而當直徑>5. 5μm時主要由疇壁移動,獲得相對磁導率約為4000的性能。當平均直徑>20μm時,晶粒界面上出現了不少孔隙,反而阻礙了疇壁移動。如果在工藝上嚴加控制,使得晶粒長大的同時,只出現少量氣孔,則可以得到起始磁導率(相對)μ0達到(1~4)X10的4次方的超高磁導率的鐵氧體。它的結構特點是晶粒粗大整齊、晶界明顯、密度較高、氣孔率較低。

晶粒大小還與矯頑力Hc有關,晶粒越小,晶界越多,疇壁移動阻力越大。當晶粒小于5μm左右時,磁疇為單疇狀態,這就是說不存在壁,也就不可能有壁移磁化,只能有磁疇的轉動了,所以晶粒越小的材料,矯頑力Hc越大,因此,一般軟磁鐵氧體要求有較大的粒徑,而硬磁鐵氧體則要求有較小的粒徑。

2. 氣孔的影響

氣孔的存在,減少了磁路和有效面積,阻礙疇壁移動,所以氣孔率高的材料,剩余磁感應強度Br較低,矯頑力Hc較高,矩形性較差,磁導率較低。氣孔對材料的機械等性能的影響也很顯著,這里不作討論,只敘述氣孔對材料品質因素Q的影響,氣孔可以提高材料的電阻率,降低渦流損耗,改善材料的品質因素。采用各種措施控制材料的氣孔率,可以調節它的高頻性能和微波性能。利用鐵氧體的多孔性,還可以制作各種用途的溫敏鐵氧體和多孔鐵氧體。

此外,晶粒的均勻性對材料的性能也有直接影響。原材料混合的不均勻和重新積聚,化學組成的偏移(如有過量Fe2O3),雜質(特別是微量的SiO2混入)和氣孔的不均勻分布,成型壓力和燒成溫度的不均勻都可能使部分晶粒得到異常的生長,出現巨晶和微晶交錯的雙重結構(或稱復合結構或孿晶),具有這種雙層結構的材料,物理性能、起始磁導率μ0、品質因素及溫度系數αu等都較差。

總之,鐵氧體的各種物理性能取決于材料的微觀結構。例如,在低頻磁場下工作的軟磁材料,要求有較大的平均粒徑,而矩磁材料、旋磁材料和壓磁材料所要求的平均直徑都比較小,高磁導率和軟磁材料的微觀結構,只允許在晶界上有少許氣孔,要求有最大的密度和最小的孔隙率。甚至高頻軟磁材料(或稱甚高頻鐵氧體)則要求有較小的平均粒徑和一定的氣孔率,硬磁材料的平均粒徑都比較小。總之,進一步提高微觀結構的均勻性,使晶粒均勻,晶界清晰,晶粒形狀完整,周圍沒有氧化區,盡量避免缺位,凹坑和裂紋等結構缺陷,是各種鐵氧體材料的共同要求。


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