磁性陶瓷

磁性陶瓷，氧化物材料，表现出一定类型的永久磁化强度，称为亚铁磁性。商业制备的磁性陶瓷可用于各种永磁体，变压器，电信和信息记录应用。本文介绍了主要磁性陶瓷材料的组成和性能，并概述了其主要的商业应用。

铁氧体：成分，结构和性能

磁性陶瓷由铁素体制成，铁素体是由氧化铁与某些其他金属结合而成的结晶矿物。它们的化学通式为M（Fe _x O _y），M代表除铁以外的其他金属元素。最常见的铁素体是磁铁矿，一种天然存在的亚铁素体（Fe [Fe ₂ O ₄]或Fe ₃ O ₄），通常被称为铁矿。磁铁矿的磁性自远古时代就已被开发出来。

铁氧体表现出的磁性称为铁磁性。它与铁等金属材料表现出的磁化（称为铁磁性）有很大不同。在铁磁性中，只有一种晶格位点，并且未配对的电子“自旋”（引起磁场的电子运动）在给定域内沿一个方向排列。另一方面，在亚铁磁性中，存在多种晶格位，并且电子自旋排列成在给定域内彼此相对（有些是“自旋”，有些是“自旋”）。反向自旋的不完全抵消会导致净极化，尽管它比铁磁材料弱一些，但可能会很强。

将三类基本的铁氧体制成磁性陶瓷产品。根据它们的晶体结构，它们是尖晶石，六角形铁素体和石榴石。

尖晶石

尖晶石的分子式为M（Fe ₂ O ₄），其中M通常为二价阳离子，例如锰（Mn ²⁺），镍（Ni ²⁺），钴（Co ²⁺），锌（Zn ²⁺），铜（Cu ²⁺）或镁（Mg ²⁺）。M也可以代表单价锂阳离子（Li ⁺）或什至是空位，只要这些正电荷的不存在被其他三价铁阳离子（Fe ³⁺）补偿即可。氧阴离子（O ²⁻）采用密堆积的立方晶体结构，金属阳离子以不寻常的两晶格排列占据间隙。在包含32个氧阴离子的每个晶胞中，8个阳离子与4个氧（四面体位点）配位，16个阳离子与6个氧（八面体位点）配位。反平行对准和两个子晶格之间磁自旋的不完全消除会导致永久磁矩。由于尖晶石为立方结构，没有优选的磁化方向，因此它们在磁性上是“软”的。即，通过施加外部磁场来改变磁化方向相对容易。

六角铁氧体

所谓的六方铁氧体的分子式为M（Fe ₁₂ O ₁₉），其中M通常为钡（Ba），锶（Sr）或铅（Pb）。晶体结构很复杂，但是可以描述为具有唯一c轴或垂直轴的六边形。这是基本结构中的易磁化轴。由于不能轻易将磁化方向更改为另一个轴，因此将六角形铁氧体称为“硬质”。

石榴石铁氧体

石榴石铁氧体具有硅酸盐矿物石榴石的结构，化学式为M ₃（Fe ₅ O ₁₂），其中M为钇或稀土离子。石榴石除了具有四面体和八面体位置（例如在尖晶石中所见的位置）之外，还具有十二面体（12坐标）位置。因此，净亚铁磁性是三种类型位点之间反平行自旋对准的复杂结果。石榴石也具有磁性。

陶瓷铁氧体的加工

陶瓷铁氧体是通过传统的混合，煅烧，压制，烧制和精加工步骤制成的。阳离子组成和气体气氛的控制至关重要。例如，通过用Zn（Fe ₂ O ₄）部分代替Ni（Fe ₂ O ₄）或Mn（Fe ₂ O ₄），可以大大提高尖晶石铁氧体的饱和磁化强度。锌阳离子更喜欢四面体配位，并迫使额外的Fe ³⁺进入八面体位点。这导致自旋的抵消较少，饱和磁化强度更大。

先进的加工工艺也用于铁氧体的制造，包括共沉淀，冷冻干燥，喷雾焙烧和溶胶-凝胶加工。（这些方法在高级陶瓷文章中进行了介绍。）此外，单晶是通过从助熔剂中拉出（切克劳斯基方法）或通过梯度冷却剂（布里奇曼方法）来生长的。也可以通过化学气相沉积（CVD），液相外延（LPE）和溅射将铁氧体薄膜沉积在合适的基板上。（这些方法在晶体中描述：晶体生长：从熔体中生长。）