鐵氧體

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一疊鐵氧體磁鐵

鐵氧體是一種陶瓷材料,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鐵芯及其他相關的應用。

性質[编辑]

鐵氧體一般是不導電的亚铁磁性陶瓷材料,是從赤鐵礦(Fe2O3)或磁鐵礦(Fe3O4)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[编辑]

許多鐵氧體屬於尖晶石,其化學式是AB2O4,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-δFe3+δ][M2+δFe3+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ZnFe2O4,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:6Fe2O3或BaFe12O19

軟鐵氧體[编辑]

用在變壓器電磁鐵鐵芯的鐵氧體中包括有的化合物,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MnaZn(1-a)Fe2O4),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NiaZn(1-a)Fe2O4),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[编辑]

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碳酸鋇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(例如冰箱磁鐵英语refrigerator magnet)。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,SrFe12O19 (SrO·6Fe2O3),用於微波裝置、記錄介質、磁光介質、電訊和電子工業。[6]
  • 鋇鐵氧體英语Barium ferrite,BaFe12O19 (BaO·6Fe2O3),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英语subwoofer磁鐵,也用作磁儲存介質,如磁條
  • 鈷鐵氧體,CoFe2O4 (CoO·Fe2O3),也用做磁儲存的介質[7]

製造[编辑]

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英语single domain (magnetic),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[编辑]

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。

磁性奈米顆粒英语Magnetic nanoparticles會有超順磁性的磁性質。

參考資料[编辑]

  1. ^ Carter, C. Barry; Norton, M. Grant "Ceramic materials: science and engineering" Springer, 2007. ISBN 0-387-46270-8.
  2. ^ 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.
  3. ^ Ferrite Permanent Magnets. Arnold Magnetic Technologies. [18 January 2014]. 
  4. ^ Barium Carbonate. Chemical Products Corporation. [18 January 2014]. 
  5. ^ Amorphous Magnetic Cores. Hill Technical Sales. 2006 [18 January 2014]. 
  6. ^ 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. 
  7. ^ Synthesis and Magnetic Properties of Cobalt Ferrite (CoFe2O4) Nanoparticles Prepared by Wet Chemical Route