关于铁氧体介绍

[拼音]：tieyangti

[外文]：ferrite

一般指以氧化铁 (Fe2O3)为重要成分的强磁性复合氧化物，随着这类材料的种类的扩大和应用的发展，广义说来也包括铁族或过渡族金属的磁性硫族化合物，亦称铁淦氧磁物、铁淦氧或磁性瓷。这是因为这类磁性化合物中大都含有三价的铁或铁族离子，其制造工艺又与一般陶瓷相似的缘故。

历史

人类最早发现和应用的天然磁石就是一种铁氧体，称为磁铁矿，其化学式为Fe3O4或FeO·Fe2O3。中国在春秋战国时代（公元前770～前221），便有了“慈石”(《管子》)、“慈石召（吸）铁”(《吕氏春秋》)和最早的指南器“司南”（《韩非子》）的记载。古代希腊在公元前5世纪前后，亦有关于磁石的记载。到20世纪初，才出现人工合成的铁氧体，但其磁性能远不及金属磁性材料，故未获得应用。到了30年代以后，由于高频无线电技术的发展，需要能降低涡流损耗和避免趋肤效应的高电阻磁性材料，推动了非金属磁性材料，首先是铁氧体的研究。第二次世界大战结束后不久，尖晶石型的软磁铁氧体，如Mn-Zn系铁氧体和Ni-Zn系铁氧体便有商品生产，应用于通信和广播等无线电技术中；50年代初期起，先后有尖晶石型的Mg-Mn系矩磁铁氧体应用于电子计算机，尖晶石型的Mg-Mn系和Ni-Zn系旋磁铁氧体以及石榴石型的 YIG系铁氧体应用于雷达、中继通信等微波技术，磁铅石型的钡铁氧体应用于电声、仪表等电子工业；60年代由于基础研究和实际需要，各种铁氧体单晶有了更多更广的发展；70年代磁泡技术兴起，促进了铁氧体材料物理和外延技术的研究和应用。

类型

目前铁氧体的种类已发展到许多种，其磁性与晶体结构有密切的联系，故一般按晶体结构进行分类和讨论。表中列出几种主要属于广义铁氧体的结构、晶系、实例及主要应用。其中尖晶石型、石榴石型和磁铅石型铁氧体研究较多，应用也较广。常说的铁氧体主要就是指这三种结构类型的强磁材料。广义的六角晶系铁氧体化学式为lBaO·mM2+O·nFe2O3(其中l、m、n为整数，M2+为2价金属离子)。目前已发现六种类似的结构，分别称为M、W、X、Y、Z、U型，l=1，m=0，n=6的BaFe12O19为M型（六角晶系）铁氧体。有些类型的铁氧体，如铁钛石型和刚玉型铁氧体，目前尚未发现具有实用价值的材料。岩盐和金红石型属于广义的铁族或稀土族单一磁性氧化物，但通过离子代换，可以获得磁性可调节的复合氧化物。随着铁氧体研究和应用的发展，将会出现更多结构类型的铁氧体。

磁性

铁氧体的基本磁性(内禀磁性)与晶体结构和离子种类有紧密的关系。由于铁氧体中磁性离子间存在着非磁性的氧离子或其他离子，导致原子磁矩有序(序磁性)的交换作用不再是直接交换作用，而是各种间接交换作用，因而产生较为复杂的磁有序现象，即可形成多种的磁结构。这些磁结构可以用中子衍射技术来确定。大多数铁氧体为亚铁磁性，少数铁氧体也表现铁磁性、反铁磁性或更复杂的非共线序磁性（如三角磁性、螺旋磁性等）。

最早研究和目前应用最多的铁氧体磁性是亚铁磁性。一般说来，铁氧体中的金属离子处于几个晶体学上不等效的由氧离子形成的（间隙）晶位中，构成亚点阵，例如尖晶石型铁氧体(M2+O·Fe2O3，M2+为2价金属离子)有4个氧离子形成的四面体晶位（称为A晶位）和6个氧离子形成的八面体晶位（称为B晶位）。在这些不等效晶位内的磁性离子间由于微观环境（称为化学环境，指原子间键长、键角、近邻原子数等）的不同而具有不同的交换作用，因而使原子磁矩形成不同的磁有序。例如，多数尖晶石型铁氧体的A-B、A-A、B-B磁性离子间的交换作用都是负值，但A-B交换作用占主要地位，因此，A和B晶位的数目和大小不同的原子磁矩虽形成反平行的排列，但仍获得未完全抵消的净磁矩（图c）。这种磁有序从宏观上的净磁矩看类似铁磁性（图a），但从微观上的磁矩反平行排列看是未抵消的反铁磁性（图b），所以称为亚铁磁性，有时亦称未抵消的反铁磁性。如，其中1个Fe3+离子占A晶位，1个Fe2+和1个Fe3+离子占 B晶位。按洪德定则，Fe2+离子的自旋磁矩＝4μB(μB是玻尔磁子)，Fe3+离子的自旋磁矩=5μB，在轨道矩猝灭情况下，只有自旋磁矩的贡献。A-B交换作用占主要地位且为负值，即形成亚铁磁结构时，每一Fe3O4分子的总磁矩；但当A-B交换作用占主要地位且为正值，即形成铁磁结构时，Fe3O4的分子磁矩。从实验测定的Fe3O4分子磁矩，表明为亚铁磁结构。

亚铁磁性材料的饱和磁矩σS随温度T变化的σS-T曲线由于几个磁亚点阵的存在而具有多种形式。有的随温度升高而单调下降，与铁磁性的相似；有的随温度上升先上升而后下降；有的随温度上升而下降到零（此时温度称抵消点）后再上升，然后又下降。这些多样的σS-T曲线都有其理论意义和实际应用。

一些以Cr2X3为主要成分(X＝S，Se)的尖晶石型广义铁氧体MCr2X4，其中Cr在B晶位，M 在A晶位，称为正型尖晶石。实验测定CdCr2S4、CdCr2Se4和HgCr2Se4的分子磁矩分别为 (5.15～5.55)μB、(5.4～5.98)μB和(5.4～5.64)μB，其中Cd和Hg离子为非磁性离子、Cr3+离子自旋磁矩＝3μB。

上述三种铁氧体B晶位中的Cr3+离子若为铁磁结构，则计算的分子磁矩＝3μB+3μB＝6μB，与实验值（约5.2μB～6μB）相近，表明它们确为铁磁性的铁氧体。分子磁矩的实验值与理论值的差异可能同轨道磁矩等作用有关。

另一类具有铁磁性的广义铁氧体是EuO和EuS，它们具有NaCl（岩盐）型的晶体结构，Eu2+离子与其12个最近邻Eu2+离子为铁磁性的Eu-Eu直接交换作用，占主要地位，与其6个次近邻Eu2+离子（中间有非磁性O2-离子）为反铁磁性的Eu-O-Eu间接交换作用(超交换作用)，占次要地位，故总的效应是形成铁磁有序结构。这已为中子衍射的实验所证实。EuO和EuS的分子磁矩实验值(分别为6.7μB和6.87μB)，亦与Eu2+离子的自旋磁矩理论值(7μB)相近。

另一种正型尖晶石型铁氧体ZnFe2O4，Zn2+为非磁性离子，A-O-B和A-O-A超交换作用为零，只剩下B-O-B（即Fe3+-O-Fe3+）超交换作用，且为负值，故ZnFe2O4在奈耳点(9.5K)以下为反铁磁结构，已由中子衍射实验所证实。具有NaCl(岩盐)型晶体结构的MnO、FeO、CoO 和NiO 亦为反铁磁结构，其奈耳点分别为122、198、291和520K。MnO为最早用中子衍射测定磁结构的磁性物质。EuO和EuS虽为铁磁性(居里点θf分别为77和16K)，但EuTe却为反铁磁性（奈耳点θN=7.8～11K），这是因为Eu-Eu直接交换作用和Eu-X-Eu超交换作用的绝对值分别随点阵常数的增大而迅速减小和缓慢增加的缘故。

少数铁氧体由于其中几种大小相近的交换作用或者大小相近的交换作用和磁晶各向异性（见磁各向异性）的同时作用，其原子磁矩可出现较为复杂的非共线的磁有序。如尖晶石型的CuCr2O4（居里点θf＝135K）和Mn3O4（居里点 θf＝30～43K），已由中子衍射证实，A、B磁亚点阵中的磁矩呈三角形排列，称为三角型或成角型亚铁磁性。又如正型尖晶石结构的MnCr2O4，亦由中子衍射证实，在温度低于43K时出现共线型亚铁磁结构，在低于18K时，Mn和两种Cr离子磁矩各形成螺旋磁结构，称为螺旋型亚铁磁性。

应用

铁氧体在磁性材料中不但磁性多种多样，而且用途也十分广泛。按应用特性可把铁氧体分为以下 7类：

（1）软磁铁氧体。一般应用在广播、通信和电视等射频波段的电子工业中，作各种变压器、电感器、天线棒、磁记录头和调谐器等。对这类铁氧体磁性的主要要求是:起始磁导率高，矫顽力低，磁损耗小和对温度、时间的稳定性高。目前应用的主要有尖晶石型的 Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体等。

（2）永磁铁氧体。亦称硬磁铁氧体，一般应用在电声器件、电器仪表、控制器件、工业设备和磁记录介质中。对这类铁氧体的主要要求是：最大磁能积高，矫顽力高，剩余磁感应强度高，对温度、时间和振动的稳定性高。目前应用的有磁铅石型的Ba铁氧体和Sr铁氧体等。作磁记录介质的有尖晶石型的γ－Fe2O3系和金红石型的CrO2颗粒状材料等。

（3）矩磁铁氧体。一般应用在计算机存储器、无触点开关和磁放大器中。对这类铁氧体的主要要求是：剩磁比高，矫顽力小，开关系数低，对温度、时间的稳定性高。目前应用的有尖晶石型的常温用的Mg－Mn系铁氧体和宽温用的Li系铁氧体和Ni系铁氧体等。

（4）旋磁铁氧体。亦称微波铁氧体，应用于雷达、导航、中继和卫星通信、电子对抗和射电天文等微波技术中。对这类铁氧体的主要要求是:旋磁性高，共振线宽窄，饱和磁化强度适当，对温度、时间的稳定性高。目前应用的有石榴石型的Y系铁氧体、CaX系铁氧体、尖晶石型的Mg-Mn系铁氧体、Ni-Zn系铁氧体、Li系铁氧体、六角晶系铁氧体等。

（5）压磁铁氧体。亦称磁致伸缩铁氧体，应用于超声和水声器件、电信器件、存储器件和测量器件。对这类铁氧体的主要要求是：磁致伸缩系数大，灵敏度常数高，压磁（磁－d性）耦合系数高，对温度、时间的稳定性高，力学强度高。目前应用的有尖晶石型的Ni-Zn铁氧体和Ni-Zn-Co铁氧体等。

（6）磁光铁氧体。目前应用尚不多，可用于光通信、光雷达等光电子学技术中，作磁光调制器、磁光变换器、磁光隔离器等。对这类铁氧体的主要要求是：法拉第旋转大（见法拉第效应），光衰减低，透光波段宽。目前仅有可用于近红外波段的石榴石型钇铁氧体 (YIG系)。室温下对可见光透明的强磁体只有FeBO3和FeF3，尚不能满足应用的要求。

（7）磁泡铁氧体。可用于电子计算机和其他信息处理器件，作为兼有容量大、速度快、并且无机械运动部件的存储器。对这类铁氧体的主要要求是：磁泡材料优质高、矫顽力低、磁泡迁移率高，对温度、时间的稳定性高（tu为单轴磁各向异性常数，4πMS为饱和磁化强度）。目前可应用的主要为石榴石型稀土复合铁氧体。

参考书目

1. 李荫远、李国栋编：《铁氧体物理学》，修订本，科学出版社，北京，1978。
2. 施密特、威因著，王遵仲译:《铁氧体》，国防工业出版社，北京，1966。(J.Smit and H.P.J.Wijn，Ferrites，N. V. Philips Gloeilampenfabrieken， Eindhoven， 1959.)

参考文章

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