《磁性材料》PPT课件.ppt

1,第8章 磁性材料,2,8.1 材料的磁性 磁性材料和磁化率： 磁性材料分类 按导电性差异,可分为：金属和铁氧体磁性材料； 按磁性能差异，可分为：软磁、永磁、旋磁、压磁以及磁光材料等； 按磁化率大小和符号，可分为抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料。 8.1.1 抗磁性和顺磁性 抗磁性 0且绝对值很小，惰性气体，许多有机化合物，部分金属（Bi，Zn，Ag等）和非金属,3,顺磁性 0且绝对值很小，居里定律 居里-外斯定律 顺磁材料典型的有稀土金属和铁族元素的盐类 8.1.2 铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性 铁磁性 有一类材料在一定温度下，只要很小的外加磁场就能被磁化到饱和，其磁化大率大于零，数值为10106数量级，M与H的关系是非线性的函数关系，反复磁化时出现磁滞现象； 原子磁矩来源于电子自旋磁矩（S）和轨道磁矩（L）； 自发磁化和磁畴 铁磁性材料和顺磁性材料的区别：有无自发磁化现象； 铁磁性元素不多，但具有铁磁性的合金和化合物很多。,4,反铁磁性 另一类材料，当TTN时，磁化率与温度的关系遵从居里-外斯定律（Tp通常小于零） ，当TTN时，磁化率不是继续增大，而是减小，并在TN处出现极大值， TN称为奈尔温度，这类磁性称为反铁磁性； 内部离子之间存在交换相互作用，只是不同次晶格的离子磁矩反平行排列，且大小相等； 反铁磁性材料主要有过渡金属元素的盐类及化合物。 亚铁磁性 反铁磁外材料中的次晶格磁矩相互抵消。如果次晶格磁矩虽然反平行排列，但大小不同，从而出现未被抵消的净磁矩，其宏观磁性跟铁磁性相同，这类磁性称为亚铁磁性 磁化率约在100104数量级，铁氧体是典型的亚铁磁性材料； 超交换相互作用 抗磁性、顺磁性和反铁磁性属于弱磁性范畴，铁磁性和亚铁磁性属于强磁性范畴。,5,8.1.3 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线 磁化曲线(B-H或M-H曲线）,6,磁滞回线 剩余磁化强度Mr和剩余磁感应强度Br 内禀矫顽力MHC和感应强度矫顽力BHC MHC BHC 矫顽力表征材料磁化后保持磁化状态的能力 按BHC的大小，材料分为： 软磁材料 BHC 8108102 Am-1 永磁材料 BHC 8103 8105 Am-1 半永磁材料BHC介于软、永磁材料之间,7,8.2 软磁材料,8.2.1 软磁材料的特性 软磁材料的磁滞回线窄而长，起始磁导率i高，矫顽力Hc小，既容易获得也容易失去磁性，是极其重要的一类磁性材料。 分类： 按电阻率的不同，可分为金属软磁材料（主要用于频率较低的场合） 铁氧体软磁材料（主要用于频率较高的场合） 衡量软磁材料性能优劣的主要参数 起始磁导率(i) ，其中 表征储能特性， 表征能量损耗特性 材料的i越高，在相同电感量要求下，器件体积可以越小，线圈匝数也可减小，并越有利于减小漏磁。,8,2. 磁损耗 产生原因:软磁材料在弱交变磁场，一方面会受磁化而储能，另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗，即材料从交变磁场中吸收能量并以热能形式耗散. 定义 来表征，还常用比损耗系数 来表征 在低频弱场下， ，所以 交变磁场中软磁材料的损耗主要来自三方面：磁滞损耗(tanh)，涡流损耗(tane)和剩余损耗(tanr)，总损耗为：,9,3. 磁导率的温度稳定性 磁导率的温度系数 实际应用中，常用比温度系数 来表征 4. 磁导率的减落 软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、磁、光、热和机械等冲击后畴壁易于移动，表现出较高的磁导率。当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降。这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化。 磁导率的表征 减落D 减落系数d 减落因子DF,10,5. 磁老化 由于材料结构的变化而引起的不可逆变化； 磁老化系数 磁老化系数的大小与材料的值和制造工艺有关 6. 截止频率 软滋材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的 值降为起始值的 一半且 达到峰值时的频率，称为截止频率fr它与材料的组成和显微结构有关。,11,8.2.2 铁氧体软磁材料,1. 晶体结构与金属离子的分布 铁氧体是铁和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物，其磁性属于亚铁磁性； 磁性来源于被氧离子所分隔的磁性金属离子间的超交换相互作用，它使处于不同晶格位置上的金属离子磁矩反向排列，磁矩不相等时，表现出强磁性； 铁氧体的晶体结构类型 尖晶石型AFe2O4，主要有NiZn和MnZn，主要作为软磁材料。 磁铅石型MFe12O19，M2+：二价金属离子，主要有BaFe12O19 和SrFe12O19， 主要作为永磁材料。 石榴石型R3Fe5O12，R3+：三价稀土金属离子，主要作为旋磁材料。,12,甲,尖晶石型铁氧体 分子式：MeFe2O4，其中Me为二价金属离子，Fe3可部分被Al3 或Cr3+取代 AB2O4晶体结构,A位置金属离子 B位置金属离子 O2- 位置,尖晶石晶胞的部分结构示意图,甲,甲,甲,乙,乙,乙,乙,13,氧离子密堆积中的A，B位置,A位四面体,B位八面体,O2- A位金属离子 B位金属离子,14,点阵常数a及氧参数u,点阵常数a: 单位晶胞(8个子晶格)的棱边长; 理想尖晶石结构: ，ro (氧离子半径)；ro=1.32。 理论：a= 7.5; 实际: a = 8.08.9 注:点阵常数为判定物相的一个重要参数，可通过X射线衍射测 a 值。点阵常数还可用作求尖晶石理论密度：d = 8M / Noa3 ( M：分子量；N0: 阿佛加德罗常数） 氧参数u： O2-离它最近子晶格面的距离，单位为a， 用u表示； 它是描写尖晶石铁氧体中O2-真实位置的一个参数。 理论时 : = 0.375a ;实际: = 0.3790.385a,15,实际尖晶石铁氧体常为多元铁氧体，分子式可表示为： 组成遵循电中性原则：x(nA)+y(nB)+z(nc)+=8 当x+y+z+=3，形成正分化合物 当x+y+z+3，电性显示为P型 当x+y+z+ 3，电性显示为N型,对于尖晶石铁氧体： 分子式 MeFe2O4 分布式: (MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 ，其中（ ）内的离子占A位， 内的离子占B位 x=1： (Me2+)Fe23+O4 -正尖晶石 x=0： (Fe3+)Me2+Fe3+O4 -反型尖晶石 0 x 1 : (MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 -混合型尖晶石,16,2. 尖晶石铁氧体的饱和磁化强度及其温度特性 自由离子磁矩 离子磁矩：本征特性， 由其结构决定，总磁矩为自旋磁矩和轨道磁矩的合成； 总磁矩绝对值 总自旋磁矩绝对值 gJ: 朗德因子， J: 总角动量量子数， S：总自旋角动量量子数 当离子组成晶体时由于相邻离子晶体场的作用，使离子的轨道磁矩被“猝灭”，因而对总磁矩没有或仅有较少的贡献。,17,部分过渡金属离子的磁矩,18,晶体场对轨道磁矩的淬灭影响,当3d金属离子位于晶体场中，晶体场使轨道角动量 L 被全部或部分淬灭，从而导致轨道磁矩 L 全部或部分淬灭。 在尖晶石铁氧体中主要考虑两部分： 八面体晶体场； 三角对称晶体场 以八面体的Fe2+、Co2+为例分析离子磁矩淬灭情况,19,晶体场对离子轨道磁矩的影响,离子磁矩3.7B,离子磁矩4B,20,单元及多元铁氧体的分子磁矩,分子磁矩：一个分子MeFe2O4所具有的磁矩数 分子磁矩的计算 (1) 离子分布 ; (2) 离子磁矩 多元铁氧体的离子分布: 1.按特喜位分布，有B位趋势的先占B位,把趋势弱的赶入A位 金属离子占位的倾向性： Zn2+,Cd2+, Mn2+,Fe3+, V5+,Co2+, Fe2+ ,Cu+1, Mg2+ ,Li+1, Al3+, Cu2+, Mn3+ ,Ti4+,Ni2+,Cr3 + 两种以上金属离子的复合铁氧体，按特喜位分布；趋势差不多时，按A、B均出现。同时特喜占A位或B位的金属离子进行置换可在很大程度上改变金属离子的原来分布 2.考虑轨道磁矩淬灭及离子价变化情况; 3.受温度影响;,占A位趋向性增强,占B位趋向性增强,21,22,多元铁氧体的分子磁距 含Zn2+ 的多元铁氧体 (Zn2+xFe3+1-x)Ni2+1-xFe3+1+xO4 - Zn2+占A位, nZn2+ = 0; 0K时, nB= 10x+2.3(1-x) = 7.7x+2.3,23,含Al3+ 的多元铁氧体 (Fe3+) Ni2+Fe3+1-xAl3+x O4 -Al3+占B位, 0K时, nB = 2.35x; 一般x , nB ,可能出现成分补偿点 .,24,单位体积饱和磁化强度MS 式中n B为分子的磁矩数； M为 分子量; d x: 为X射线密度; S为比饱和磁化强度。,25,制备一种高频Ni-Zn铁氧体软磁材料，其基本配方为：Fe2O3=50mol%，NiO=22 mol%，CoO=6mol%，ZnO= 22mol%。请计算及分析： 写出该材料的化学分子式与占位结构分布式 各组分的质量分数； 计算0K时的比饱和磁化强度s； 注：分子量：Fe2O3=159.7, NiO=74.7 CoO=75, ZnO=81.4离子磁矩： Co2+=3.7B, Ni2+=2.3B, Fe3+=5B, Fe2+=4B 解：设化学式为：ZnNiCoFe2O4 则 + + = 1 : : = 0.22 : 0.22 : 0.06 =0.44 =0.44 =0.12 化学式：Zn0.44Ni0.44Co0.12Fe2O4 占位结构分布式: （Zn2+0.44Fe 3+0.56）Ni 2+0.44Co 2+0.12Fe 3+1.44O4,26,各组分的质量分数 Fe2O3 wt.%=67.27% NiO wt.%=13.85% CoO wt.%=3.79% ZnO wt.%=15.09% 0K时的比饱和磁化强度s 分子磁矩 nB=(2.30.44)(3.70.12)(51.44)(50.56)=1.0120.4447.22.8 =5.856 (B),27,饱和磁化强度与温度的关系 分子场理论近似地推广到亚铁磁性； 有效分子场系数： 尖晶石型铁氧体的三种不同类型的MsT曲线,28,f 高低取决于超交换相互作用的强弱； 影响f 高低因素有： 磁性离子与氧离子间的距离和夹角； 磁性离子对键数目； 磁性离子种类。,f,29,3尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩 磁晶各向异性 磁化的难易程度与晶体对称性相关的现象。 磁晶各向异性能（Ek) 对于立方晶系尖晶石型铁氧体： 其中是i 磁化矢量与i晶轴夹角的方向余弦；Ki 是磁晶各向异性常数。 忽略常数项和高次项后， 当K1 0时，100为易磁化方向； 当K1 0时，111为易磁化方向；,30,产生磁晶各向异性的原因 原子核与电子的相对运动所产生的磁场，迫使电子自旋倾向于取垂直于电子运动轨道平面的方向； 当离子处于晶体场中时，晶体电场又将电子的轨道运动约束在一定的方向； 这种自旋-轨道-晶体场联合作用，导致离子的磁矩相对于晶轴的取向具有不同的能量，其宏观表现就是磁晶各向异性。 磁致伸缩 磁性物体磁化状态的改变引起其形状、尺寸改变的现象； 饱和磁致伸缩系数s，其数量级约为105 106， 对于立方晶系 式中，100 、111分别为沿着立方体晶轴100和111方向的磁致伸缩系数；i 与i分别表示饱和磁化方向与测量磁致伸缩方向相对于三个晶轴的方向余弦。,31,当100 =111 =S0时，并假设测量方向和磁化方向的夹角为， 对于多晶体，当0时， 应力能为： 式中，为磁化方向与应力方向之间的夹角 磁致伸缩的微观物理本质: 由于晶格中离子的电子云为非球面对称，当自旋方向改变时，自旋-轨道的耦合，电子云的状态将随之变化，因此，离子间的作用力在晶格的不同方向发生变化，有的变强，有的变弱，结果引起晶格形变，对整个晶格而言，则表现出伸长或缩短。,32,4尖晶石铁氧体的电特性,绝大多数铁氧体的导电特性属于 半导体类型； 电阻率 其中，E称为激活能，代表电子从一个 离子跃迁到相邻离子上所需的能量；P为 温度T时的电阻率。 在各种尖晶石铁氧体中，Fe3O4电阻 率最低； 尖晶石铁氧体的介电常数随组成离 子的浓度而改变，随应用频率的升高 而产生剧烈频散。,33,5. 软磁铁氧体材料的性能参数及改善途径,起始磁导率i 跟饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数Kl以及磁伸缩系数s等密切相关，可以表示为： 要得到高i低Hc的软磁铁氧体的途径： 提高Ms值； 降低Kl、 s和值； 减小另相，提高密度，增大晶粒尺寸。,34,磁谱磁导率的频率稳定性 磁谱：在交变磁场作用下，软软磁材料的磁导率成为复数 磁导率随频率变化的曲线。 对于立方系软磁材料 ， 式中，为磁旋比,35,磁损耗 Legg公式 其中，Rm为相应于磁损耗的电阻，Bm为最大工作磁感应强度；f为工作频率；e为涡流损耗系数；a为磁滞损耗系数；C为剩余损耗系数。 磁损耗的改善途径 降低涡流损耗的方法主要从提高晶粒内部和晶界电阻率； 对于磁滞损耗，在弱场下主要是通过减少不可逆壁移的方法来降低，在较强场下主要是靠提高i，降低Hc来实现磁滞损耗的降低； 降低剩余损耗，一方面要防止电子、空位、离子等的扩散，尤其是Fe2和Fe3之间的电子扩散，另一方面要在应用条件下避开磁后效峰。,36,磁导率的温度稳定性 温度升高到居里点附近时，i呈现峰值(I峰)，达到居里点时，i剧降到1； Fe3O4等铁氧体在居里温度以下出现II峰； 利用K1(T)的变化规律，控制材料II峰出现的温度，从而在居里点和II峰出现的温度之间找到i (T)曲线较为平坦的区域。,37,磁导率的时间稳定性 磁导率随时间的增加而逐渐下降 由结构变化引起的不可逆的磁老化和可逆的减落组成； 降低磁减落的措施是防止阳离子空穴的产生。 6. 常用软磁铁氧体 （1） MnZn铁氧体材料 （2） NiZn铁氧体材料 （3）平面六角晶系铁氧体软磁材料,38,8.2.3 金属软磁材料,1. 工业纯铁 Bs=2.15T, TC=770，m约为20103，最纯的多晶铁m 达280103 ，单晶铁m 可达14300103 恒定磁场中的优良的磁导体和磁屏蔽材料，低电阻率限制了其在交变磁场中的应用； 工业纯铁主要有：电解铁、阿姆柯铁和羰基铁,39,8.3 永磁材料,8.3.1 永磁材料的特性 永磁材料 指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料； 退磁曲线 磁能积(BH)和最大磁能积(BH)max (BH)max衡量材料性能好坏的重要参数 凸出系数 回复磁导率,40,永磁材料的特性 高Br； 高(BH)max 高MHc和BHc ； 凸出系数趋于1； 回复磁导率rec趋于1 温度、磁场和时间的稳定性好。,41,8.3.2 金属永磁材料 按形成高矫顽力的机理来划分，可分为： 淬火硬化型；（已很少使用） 析出硬化型； 时效硬化型； 有序硬化型； 单畴微粉型。 析出硬化型永磁材料 AlNiFe系合金 在1000以上是单相的固溶体，晶体结构为体心立方结构在900以下时，分解为两相1+2； 制造工艺中，可以通过控制冷却速度来实现 1十2，析出或分解过程的控制。,42,AlNiCo系合金 合金从高温冷却到900附近时为单相固溶体，继续冷却并适当控制冷速的情况下，于850以下发生失稳分解，分解为两相1十2。 回火处理：当于600进行回火时，合金中不仅发生1相长大(呈伸长形)，同时由于2相中过溶的Fe和Co在回火温度下容易向1相中扩散，即发生回溶现象，另一方面， 1相又将过溶的Ni和Al扩散到2相，发生Ni、A1的脱溶，使合金中1和2相之间的成分和磁化强度差别增大，从而导致合金获得良好的永磁性能。 磁场热处理：高温固溶后的AlNiCo合金在900一780的控速冷却过程中，如果对合金外加磁场，则合金的磁滞回线将发生显著的变化，尤其是退磁曲线的凸出系数明显提高。 1相的长轴顺着磁场方向排列，具有感生单轴各向异性。 影响磁场热处理效果的因素：磁场热处理的有效温度范围；冷却速度；外加磁场大小。,43,2. 稀土永磁材料 发展历程 20世纪60年代出现RCo5型第一代稀土永磁材料； 70年代出现R2Co17型第二代型稀土永磁材料； 80年代出现R-Fe-B系第三代稀土永磁材料（今磁能积最高的永磁材料） 稀土永磁材料内部交换作用； TM-TM (3d-3d)，最强 R-R (4f-4f)，最弱 R-TM (4f-3d),44,RCo5型稀土永磁材料 最早SmCo5，随后发展了PrCo5，(Sm0.5Pr0.5) Co5 ，Ce(Co,Cu,Fe)5等； RCo5型稀土永磁材料具有CaCu5型晶体结构，属六角晶系，由Co原子层和Co、R混合原子层相间重叠而成，其c轴为易磁化轴。 SmCo5的制备注意事项 由于稀土元素容易挥发和氧化，在配方时应补足可能发生的损量以免成分偏析。 制粉应在介质(如甲苯、航空汽油等)保护下进行振动球磨； 烧结中应添加适量的液相合金并注意控制烧结温度和降温模式； SmCo5永磁在500-800范围内回火，或在此区间缓慢冷却，其矫顽力大幅度降低、这称为“750回火效应”，若再在900950加热并淬火，则其矫顽力又可部分或全部回复。,45,R2Co17型稀土永磁材料 首先得到研究的是Sm2Co17，用Fe部分取代Co而成为Sm2(Col-xFex)l7合金。两者均为单相合金，其矫顽力由反磁化畴形核、长大的临界场决定。后来加入其他元素，形成Sm-Co-Cu-Fe-M系永磁材料，其矫顽力机理属时效硬化型，其中Sm2(Co，Cu，Fe，Zr)17合金磁性能最好，其缺点是Sm和Co的含量仍然较高，且工艺复杂。 R2(TM)17化合物在低温区大多具有Th2Zn17型结构，属于菱方晶系。 R-Fe-B型稀土永磁材料 Nd-Fe-B永磁材料组成中不含Co，以Nd2Fe14B化合物为基，含富Nd相和富B相。 Nd2Fe14B晶体属四方晶系； 获得优良磁性能的Nd-Fe-B永磁的组成大约为Nd15Fe77B8 。它含有适量的非磁型富Nd相和富B相。,46,稀土永磁材料 20世纪90年代，出现了两类新的稀土永磁材料。 一类是R2Fel7N1-型(03)其晶体结构与R2Co17相同，但N原子作为间隙原子进晶胞中，晶格膨胀67，并使得Tc和Bs显著提高 ( Tc=476，Bs=1.54T )，磁晶各向异性场HA约为Nb-Fe-B的两倍。 另一类是RFe12Mx型，其中M为Ti、V、Cr、Mo、W和Si等，它具有ThMn12型四方结构。M的加人促使晶体结构稳定，并可提高材料的饱和磁化强度Ms。,47,8.3.3 铁氧体永磁材料,1晶体结构与离子取代 BaO-MeO-Fe2O3三元体系中，六角晶系结构的化合物有M、W、X、Y、U、Z型。 作为铁氧体永磁材料的化合物是磁铅石结构的M型，主要有BaM，SrM以及PbM； BaM的化学组成为BaFe12O19 对于BaM而言，可以通过离子取代来改善其电磁性能； 取代不需要电荷补偿； 取代需要电荷补偿；,48,2提高铁氧体永磁材料性能的方法 通过磁场取向成型造成各向异性材料并尽可能地减少气孔、提高密度，才能有效地提高铁氧体永磁材料的剩磁Br。 将材料做成单畴集合体以提高材料的内禀矫顽力MHC。 单畴临界半径 3常用铁氧体永磁材料 各向同性钡铁氧体 工艺简单、成本低廉 制备的注意事项 BaO与Fe2O3的比例。 烧结温度对磁性能的影响。,49,各向异性钡铁氧体永磁材料 性能高、应用广； 通过磁场中取向成型，使各晶粒的易磁化轴趋于一致排列，则B r将比各向同性材料约提高1倍，(BH)max将近提高4倍。 要使各向异性铁氧体永磁材料的性能提高，应注意： 成型粉体必须具有铁磁性： 每个颗粒应是单晶单畴； 单畴颗粒应能自由转动，取向外加磁场。,50,铁氧体永磁材料的发展 （1）CaLa铁氧体永磁材料 M型六角晶系CaLa系铁氧体的分子式为(CaOnFe2O3)100-x(La2O3)x ，其中n=5.66.24，x=04，最佳成分为(CaO6Fe2O3)97(La2O3)3 优点：价格低廉和工艺稳定 （2） W型六角铁氧体永磁材料 分子式：AB18O27，如BaFe18O27=BaO2Fe2+O8Fe2O3简称Fe2M，Fe2+被Zn2+、Ni2+取代，形成Zn2M、 Ni2M,51,8.3.4 复合永磁材科,为了改善机械性能使永磁材料变为易加工、柔软可曲的材料，将具有永磁特性的粉体与有机材料混合，通过模子或注射成型制作具有可塑性的粘结永磁，其中填充了体积分数力1015的非磁性质。 1. 复合钡和锶铁氧体 将BaM或SrM永磁粉末在9001000下热处理1h，以消除颗粒表面缺陷提高Hc和Br，然后，与粘结剂复合，得到的各向同性永磁体的性能不高。 2复合稀土永磁材料,52,8.3.5 永磁材料的磁性能稳定性,1金属永磁材料的温度特性 2铁氧体永磁材料的温度特性 铁氧体永磁材料Br(T)曲线近似为直线，随着温度上升而剩磁Br下降； 永磁铁氧体低温不可逆现象 3永磁材料的稳定性处理 处理方法主要有： 人工时效处理； 交流退磁处理； 磁接触稳定处理； 温 度循环稳定处理,53,8.3.6 磁记录用薄膜磁性材料,连续薄膜型垂直磁记录介质，包括 Co-V、Co-Ru、Co-Sm、Fe-Cr、BaM铁氧体等的溅射膜； Co-Cr、Co-Fe的蒸镀膜； Ni-Co-P、Co-Ni-Mn-Re-P等的化学镀膜或电镀膜。 1. Co-Cr合金薄膜 2. BaFe12O19铁氧体薄膜,54,8.4 旋磁材料,旋磁材料是指适用于微波频段(102一105MHz)的旋磁媒质。其中，主要是旋磁铁氧体材料，实际应用中有尖晶石型、石榴石型，以及应用于毫米波段的磁铅石型。 8.4.1 石榴石型铁氧体的晶体结构与离子取代 石榴石型铁氧体的分子式为R3Fe5O12常称为RIG 石榴石型铁氧体属立方晶系，具有体心立方晶格，占位结构式：R3Fe2(Fe3)O12 实际应用中，往往通过离子取代来改善材料的性能，离子取代除应满足摩尔数比和保持电价平衡条件外，其占位倾向性也应由金属离子半径、化学键及晶体场等因素决定。,55,8.4.2 石榴石铁氧体的饱和磁化强度 在石榴石结构中存在着由金属离子占据的c、a、d三种间隙位置，因此，有六种类型的超交换相互作用：a-a、d-d、a-d、a-c和d-c，其大小取决于两个磁性离子跟氧离子间构距离与夹角。理论和实验表明，最强超交换相互作用存在于a-d之间，次强d-c。 对于R3Fe5O12来说，0K时的分子磁矩为： n B=mc(mdma ) =3mR5 B 在0K时，若mc (mdma ) ， 多数RIG在居里点f以下存在抵消点 c ； 单元石榴石铁氧体的居里点f 十分接近，约为550一560 K；,56,8.4.3 石榴石铁氧体磁晶各向异性及磁致伸缩特性,YIG和GdIG的磁晶各向异性和磁致伸缩系数均很小； 具有轨道角动量的稀土离子所形成的RIG表现出较大的磁晶各向异性和磁致伸缩，而且对温度有强烈的依赖性，通常在低温时急剧上升； 100K以上，全部RIG的K10，即易磁化力向处于 111方向； EuIG具有正的100 及111，SmIG、ErIG及TmIG具有正的100 及负的111 ；,57,8.4.4 旋磁材料的技术要求,1高旋磁性 铁氧体的旋磁特性与饱和磁化强度Ms有关， Ms 越高，旋磁特性越强，但Ms 的增加易使铁氧体在微波信号作用下发生自然共振，低场损耗增加； 自然共振的的吸收频带 式中为Hk磁晶各向异性场；为磁旋比。 为了避免低场损耗的影响，应采用低Ms 材料，使上式中的上限频率低于工作频率工作。 2. 低损耗 旋磁材料的损耗分为 磁损耗，主要来源于自然共振和铁磁共振，用线宽H表示。 电损耗，主要来源于介电损耗(tan)，与电阻率有关，提高电阻率可以降低介电损耗。,58,3高功率负荷 对高功率微波铁氧体器件，要求材料能承受高峰值功率与平均功率。这就要求提高材料产生高功率效应的阈值(hc)，为此需要增加材料自旋波线宽Hk。 Hk表示波数为k的自旋波损耗的参量。 4. 高稳定性 旋磁材料的居里点f 影响着微波铁氧体器件的温度稳定性。尤其是在高功率或高温环境中应用时，为了提高温度稳定性，通常使用高居里点材料。 5磁化曲线及磁滞回线 对于在低场区应用的旋磁材料，材料的磁化强度将依赖于外加恒磁场，其变化关系即为静态基本磁化曲线。在这种情况下，磁化曲线是旋磁材料的一个指标。对于工作在剩磁状态的材料，要求其磁滞回线呈矩形。,59,8.4.6 常用旋磁铁氧体材料,1.石榴石型 共性 这类材料具有优异的共振特性:非常低的铁磁共振线宽、介电损耗； 磁晶各向异性很弱； 降低MS时仍可保持较高的居里点f ； 通过离子的置换能较独立地改变MS、 H、 Hk等参量。 YIG铁氧体(Y3Fe5O12) 配方可写为(Y2O3)3+X(Fe2O3)5 材料成分比、纯度、晶格缺陷以及表面粗糙度对性能的影响很大。 YAlIG铁氧体 在Y3AlxFe5xO12系列中，非磁性的Al3+主要进入四面体位置，所以此材料的MS和居里点均随x的增加而下降，但H变化不大。这类材料在低频微波铁氧体器件中应用较为广泛。,60,YGdIG铁氧体(Y3-xGdxFe5O12) 这类材料在应用上的主要目的是降低室温时的饱和磁化强度MS ，尤其是获得在使用温度范围内MS 的温度稳定性很好的材料。 与YAlIG相比可用于较高的微波功率。 钙钒系列石榴石铁氧体 YCaVIG (Y3-2xCa2xFe5-xVXO12) BiCaVIG (Bi3-2xCa2xFe5-xVXO12) 成本低廉、性能优良,61,2六角晶系铁氧体(磁铅石型) 在毫米波及亚毫米波段，可利用六角晶系高磁晶各向异性所决定的内场来降低所需的外加恒定磁场；可通过缺铁加锰的配方，来提高电阻率、降低介电损耗。 3尖晶石型 Mg系铁氧体