关于氮吸附法测比表面及孔径实验和气体法测真密度在软磁铁氧体材料类磁性材料方面应用的讨论

前言

一般来讲，能对磁场作出某种方式反应的材料称为磁性材料。事实上，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化而具有磁性，只是磁化的程度不同。有些物质具有很强的磁性，而大部分物质磁性很弱，因此实际上只有很少一部分物质能够作为磁性材料来应用。磁性材料发展到今天，已出现一大批磁性材料，其品种繁多，功能各异。今天，我们主要围绕软磁铁氧体材料，来讨论一下氮吸附类实验对其的意义及应用。

磁性材料的概念

根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大。这反映了分子电流假说的局限性。实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因。从实用的观点出发，磁性材料可以分为：软磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料。通常所说的磁性材料是指强磁性物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。

软磁铁氧体是在较弱的磁场下易磁化也易退磁的一种铁氧体材料，是目前各种铁氧体中用途最广、数量最大、品种较多、产值较高的一类。由于软磁材料的矫顽力很低，在磁场中可以反复磁化，当外电场去掉以后获得的磁性便会全部或大部分消失。多用于各种电感元件如滤波器磁芯、变压器磁芯以及磁带录音和录象磁头、多路通讯等的记录磁头。

在制备参数把控方面的应用

在制备软磁铁氧体类产品时，铁氧体粉料性质将影响后面如造粒，成型，烧结等工序。由于后期阶段的人为难以实时监控其微观组织变化，所以，我们重点考虑要对铁氧体原料的质量进行检测和监控。

铁氧体主要分为4类，分别为：用作铁氧体基本成分的原料、熔点较低且能促进烧结的助熔剂、促进固相反应的矿化剂以及改善各种性能的添加剂。

在选择原材料时，原料的纯度、活性、含水量、组成变动均是需要考虑的因素。准备烧结的粉料务必要纯度高、活性高、含水量适宜。北京精微高博科学技术有限公司的JW-BK200C型静态容量法比表面分析仪，可实现运用氮吸附法比表面积的准确测量和孔径的高精度分析。多年的吸附实验研究使精微高博成为了国标GB/T19587-2017《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》起草单位中唯一的比表面仪生产企业。应用BK200C不仅可以复核失水后参与实验的样品质量，核算出真正参与实验的样品的质量，使实验值更加精准，还可以通过计算和对比处理样品前后的差值，我们可以进行样品工艺的影响因子分析，筛选出最佳的工艺组合，有助于相关研发部门进行工艺流程的改进。

除此之外，烧结温度也是要根据粉料的不同情况来进行微调。对其进行影响的主要是颗粒形状和粒径大小。烧结前的预烧温度高，则获得的粉料颗粒的粒径就小，颗粒的比表面积也小；而粉碎时间长，分散体系中粒径会逐渐减小，比表面积会增大。

  上图为南京某磁性材料研发公司寄送样品的BET比表面积区间图，在均值95%的置信区间中，精微高博BK200C表现优秀，测试结果重复性丝毫不弱于进口仪器。BK系列仪器测试性能卓越，该系列仪器核心硬件全部采用国际先进品牌，配备有“涡轮分子泵”和1000Torr、10Torr、1torr或0.1torr不同量程的压力传感器，通过全模块化设计，配合微孔分析模型的准确应用，真正实现了微孔的精确分析，最小孔径可测达0.35nm，测试结果准确性、精确性、稳定性达到进口同类仪器水平，性价比极高，非常适合粉体材料的研究应用。高比表面积表示每单位质量粉末颗粒间有更多的接触面积，而比表面越小，一般孔容也就会越小，则说明样品表面的孔或凹陷越少，颗粒表面就越光滑，也可侧面说明颗粒内部致密而无孔隙。若颗粒表面孔径较多，则发生毛细凝聚现象，孔中将会吸入空气和水分。而在烧结生产工艺过程中，混合料中始终要保持有适宜的水分，水在烧结料的准备过程中起着润湿物料、促进物料成球的作用，适宜的烧结料水分含量能够确保烧结过程中料层的透气性，从而提高垂直烧结速度，促进烧结矿产量与质量的提高。同时，水在烧结过程中还起着传递热量与氧量的作用，因此混合料中的水分含量是决定制粒效果的关键因素。并且，当粉末烧结时，烧结的动力是粉料的表面能，粒径越小，则表面能越大，烧结动力越大，反应速度越快，烧结温度越低。因此BK200C的高精度的全孔分析能力可助检测控制参数一臂之力。

在新型材料研发方面的探究

从微观结构方面，软磁铁氧体材料通常分为尖晶石型铁氧体与六角晶系铁氧体两种类型，其中以尖晶石型铁氧体应用历史最长，但尖晶石型铁氧体的介电常数和磁导率的电磁参数都比较小，而且难以满足相对介单一铁氧体难以满足吸收频带宽、厚度薄和面密度小的要求。为满足控制电磁参数的需求，近些年研究复合型铁氧体材料以及微小尺寸的铁氧体已然成为了研究的热点。

研究所需务必是纯度高、活性好、杂质少的原材料。一般来说晶粒越大，起始磁导率增加，而晶粒的大小、完整性及均匀性对最大磁通密度也有一定的影响。在采用BK200C型静态仪器控制粒度和比表面的基础上，对微孔进行全面分析，可以更好地对烧结产生的晶粒进行各项指标的参数控制，并全面分析结晶状态并对磁畴的形成进行因子分析。保证获得高密度及优良显微结构后，造成磁化过程，而采用适当的热处理工艺如二次还原烧结法和平衡气氛烧结法更是能够获得稳定优良性能，可以进一步改善显微结构性能，促使均匀化，消除内应力，调节离子、空位的稳定分布状态。

不仅是微观晶体，在烧结前对混料的各方面物理性质进行研究，可以有效地探索出影响烧结质量的关键因素。气孔与晶粒边界会引起退磁场，且气孔引起的退磁场正比于外加磁场，最大磁通密度所对应的正是最大外加磁场，而由晶粒边界引起的退磁场正比于磁通密度，可以说，即使是晶粒大，只要工艺略有不当，气孔也会大量涌入晶粒内部，一旦内部出现气孔，那么气孔对壁移的阻滞极为严重，大量存在的气孔就将降低起始磁导率。所以气孔越多、越大，气孔对起始磁导率和最大磁通密度的影响就越大。因此，通过实验我们可以发现，要增大最大磁通密度，需要减少气孔，换句话说，我们就需要增大烧结密度。使用JW-M100A系列全自动真密度测试仪能3min快速测定各种粉体、块体等固体材料的真体积及真密度。国际ISO标准组织于2014年正式推行气体体积置换法国际标准ISO/DIS 12154 《Determination of density by volumetric displacement - Skeleton density by gas pycnometry》用于测试真密度。因此不仅可以排除因手动操作及液体排除的不精确性带来的系统误差及测试误差，高精度测量铁氧体烧结后的密度，还可以分析测得开闭孔率，帮助进一步探究材料特性，侧面辅助帮助研发人员最大程度消除气泡隐患，为质量管理人员控制出厂合格率提供出色助力。

精微高博对外承接样品比表面及孔径等测试项目，在实验方面积累了大量经验，如有实验方面的疑问或意见，欢迎来电或通过邮件与我们交流。

本文部分内容节选自国家/国际标准及书籍，详见：

GB/T19587-2017 《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》

ISO/DIS 12154  《Determination of density by volumetric displacement - Skeleton density by gas pycnometry》

《磁学基础与磁性材料》  严密，彭晓颂， 浙江大学出版社， 2006