YIG 鐵氧體因其可調(diào)的飽和磁化強(qiáng)度 4?Ms、小鐵磁共振線寬 ΔH、低介電損耗及可控居里溫度 Tc 等性能而廣泛應(yīng)用于不同頻段的微波鐵氧體器件中。隨微波器件使用環(huán)境的復(fù)雜化,對(duì)應(yīng)用于其中的微波鐵氧體材料提出了高的要求,因此開展 YIG 鐵氧體改性研究對(duì)滿足微波器件需求至關(guān)重要。由此本文采用氧化物陶瓷工藝制備 YIG 微波鐵氧體,研究了不同球磨介質(zhì)、添加劑、燒結(jié)溫度等工藝及不同離子取代的對(duì) YIG 微波鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)、磁性能和微波性能的影響。
主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
1、采用
氧化鋯珠與軸承鋼球作為球磨介質(zhì),研究了球磨工藝對(duì)YIG 微波鐵氧體性能的影響,結(jié)果表明:采用氧化鋯珠進(jìn)行球磨可以提高材料的飽和磁化強(qiáng)度
4?Ms、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 及電阻率?,降低矯頑力Hc。添加Bi2O3 燒結(jié)可促進(jìn)固相反應(yīng),提高密度,降低Hc;BaTiO3 添加劑有助于提高材料的介電常數(shù)?r,降介電損耗tan??。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度有助于提高密度,增加致密化程度,降低Hc。
2、利用離子取代置換,研究了YIG 微波鐵氧體對(duì)其性能的影響,結(jié)果表明:Ni2+取代 Y2.3Ca0.7Zr0.3V0.2NixFe4.5-xO12-x/2 鐵氧體材料中產(chǎn)生鐵酸釔另相,4?Ms及 Br 減?。幻芏?d 略有增加,晶粒向小尺寸均勻化方向生長,Hc 。Cu2+取代可大幅降低 Y2.3Ca0.7Zr0.3V0.2CuxFe4.5-xO12-x/2 鐵氧體材料的燒結(jié)溫度;在 x≥0.2 時(shí)出現(xiàn)鐵酸釔另相,4?Ms 及 Br 減小,而密度 d 和Hc 增加。此外,相同取代量下 4?Ms及 Br 隨燒結(jié)溫度先后減??;密度的 d 在取代量 x=0.1 時(shí)隨燒結(jié)溫度升高而逐漸,在 x=0.2 時(shí)增長幅度變小,在 x=0.3 波動(dòng)很??;Hc 先減小后。Zr4+取代Y2.6-xCa0.4+xFe4.8-xV0.2ZrxO12 鐵氧體材料晶格常數(shù)a 隨取代量增加而變大,4?Ms 在x=0.0~0.4 內(nèi)逐漸增加,在 0.4 后減??;Br 不斷減小,Hc 持續(xù)增加,密度 d 不斷減小。此外,在相同取代量下4?Ms 隨燒結(jié)溫度先后減??;Br 減??;密度 d 在取代量x=0.0~0.3 間有微弱減小,在x=0.4~0.7 之間基本不變;Hc 在1380℃燒結(jié)時(shí)小。Sn4+取代Y3-xCaxFe5-xSnxO12 鐵氧體材料且晶格常數(shù)a 隨取代量;在相同燒結(jié)溫度下,4?Ms 隨取代量增加而變大;Br 減小。在取代量相同條件下,4?Ms、Br、密度 d 均隨燒結(jié)溫度先后減小,Hc 則先減小后。該組實(shí)驗(yàn)中,基于亞鐵磁性奈耳分子場理論,采用非線性擬合方法求得不同 Sn4+含量的分子場系數(shù)(?aa,?dd 和?ad=?ad),得到與實(shí)測曲線良好吻合的磁矩隨溫度(1.8~400K)變化曲線圖;當(dāng)Sn4+含量增加時(shí),?ad=?ad 減小導(dǎo)致居里溫度 Tc 降低。此外,鐵磁共振線寬 ΔH 隨Sn4+取代量增加鐵磁共振線寬ΔH 先下降至x=0.3 時(shí)取得小值3.36kA/m,此后微小上升;通過趨近飽和定律擬合4?Ms 得到磁晶各向異性常數(shù)K1,基于自旋波理論
對(duì)ΔH 進(jìn)行分離,得到ΔH 的主要影響因素。
3、設(shè)計(jì) SnO2-V2O5 復(fù)合取代及燒結(jié)溫度正交實(shí)驗(yàn),研究各因素對(duì) Y3-x-
2yCax+2yFe5-x-ySnxVyO12 鐵氧體材料磁性能影響作用,結(jié)果表明:Bs、Br 受V5+取代影響明顯,Sn4+取代次之;Hc 受 Sn4+取代影響明顯,燒結(jié)溫度次之;d 受 V5+取代影響明顯,燒結(jié)溫度次之。通過化及工藝,獲得 Bs、Br 及密度 d 大且Hc 低的 Y3-x-2yCax+2yFe5-x-ySnxVyO12 鐵氧體材料?;募肮に嚍椋簾Y(jié)溫度1420℃、Sn4+取代量 x=0.4,V5+取代量 y=0.03;材料性能參數(shù)為:Bs=190mT、Br=112mT、d=5.12g/cm3、Hc=17A/m。
球磨介質(zhì)對(duì) YIG 鐵氧體性能的影響
球磨是影響制備的鐵氧體性能的重要步驟,原料按比例配備后進(jìn)行一次球磨,其目的主要是粉碎并均勻混合原料,以便預(yù)燒時(shí)進(jìn)行反應(yīng)[43]。二次球磨在預(yù)燒后進(jìn)行,主要為混合添加劑及預(yù)燒料并粉碎顆粒至一定尺寸使成型容易。鐵氧體的矯頑力主要取決于其顯微結(jié)構(gòu),要求晶粒均勻,接近于單疇臨界尺寸,因此二次球磨后的粉料顆粒應(yīng)接近單疇臨界尺寸,粉料顆粒尺寸分布區(qū)間盡可能窄。預(yù)燒料的顆粒尺寸一般為毫米級(jí)別,應(yīng)先粉碎以提高球磨效率,因此本實(shí)驗(yàn)中對(duì)預(yù)燒料進(jìn)行40 目篩子過篩,再送進(jìn)球磨機(jī)細(xì)磨。
本實(shí)驗(yàn)采用行星式球磨機(jī),為機(jī)械球磨,此過程中磨具將會(huì)無法避免磨損,因此的精確性會(huì)遭受影響。為了減少磨損,所選用的球磨介質(zhì)需具備硬度高、耐磨損等特性。實(shí)驗(yàn)證明濕磨得到的粉料粒度相比干磨小,分布范圍窄,亦均勻因而常加入去離子水。 不同的球磨介質(zhì)由于其磨損程度及磨損物均不相同,因而對(duì)樣品性能產(chǎn)生的影響也有差異,因此本節(jié)實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同球磨介質(zhì)開。
采用氧化物法制備 YIG 鐵氧體,即 Y3Fe5O12。按比例稱取高純的氧化釔Y2O3(99.99%)和氧化鐵Fe2O3(99.9%)原料置于鋼罐中以去離子水為溶劑,分別選取硬質(zhì)的氧化鋯珠和軸承鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)在行星式球磨機(jī)中球磨 6h,以均勻混合原料與去離子水,從而保證制備的化合物具有精確的化學(xué)比例。球磨過程中設(shè)定球磨機(jī)241r/min 的轉(zhuǎn)速,每0.5h 進(jìn)行一次反轉(zhuǎn)?;旌暇鶆蚝蟮臐{料在85℃的烘箱中烘干,經(jīng)過過篩后粉料在鐘罩爐中預(yù)燒至1100℃并保溫2h,將預(yù)燒后的粉料粉碎后采用與一次球磨相同的工藝進(jìn)行二次球磨,烘干后二磨料經(jīng)加入12wt% PVA 造粒,然后在 8MPa 的壓力壓制生胚。后,制備的生胚在空氣氛圍中在 1400℃的燒結(jié)溫度下燒結(jié)。
由表2-1 可得,比較不同球磨介質(zhì)制備的鐵氧體材料,采用氧化鋯珠磨所制備的樣品具有高的 4?Ms,高的剩磁(剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度)Br,低的 Hc,高的電阻率?。當(dāng)采用軸承鋼球球磨時(shí),由于鋼球的磨損使樣品中Fe3+含量增加,因而 Fe3+與Fe2+之間的轉(zhuǎn)變加劇[44],導(dǎo)致樣品的電阻率?明顯減小。
圖2-1,采用不同球磨介質(zhì)制備的YIG 鐵氧體材料的XRD 圖譜與編號(hào)JCPDS No. 77-1998 的 XRD 標(biāo)準(zhǔn)卡吻合良好,因此可知燒結(jié)樣品均為沒有另相生成的單一的石榴石相。
圖2-2 為不同球磨介質(zhì)之制備的YIG 鐵氧體的掃描電鏡SEM 照片,由圖可見樣品晶粒生長成片,晶界模糊,且晶界處中析出了較多的空洞。
摘選自電子科技大學(xué)