M型钡铁氧体低温烧结及其改性行为研究

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近些年来,随着各种各样的电子产品和电气设备的飞速发展,电磁干扰和电磁污染等问题已经对人们的日常生活和生产活动产生了越来越严重的影响。所以有越来越多的研究者开始关注吸波材料及吸波器件。目前,M型钡铁氧体(BaFe12O19)材料被认为是最具潜力的电磁波吸收剂之一。但是,在低温共烧陶瓷(LTCC)技术出现后,BaFe12O19材料面临着烧结温度过高及需求更加多样化的问题,这导致其已经不能满足现代工业化的要求。基于上述问题,本文通过加入助烧剂的方式对BaFe12O19材料进行低温烧结研究,旨在将其烧结温度降低至961℃及以下。然后通过离子掺杂的方式对BaFe12O19进行改性,研究不同的金属离子进行掺杂对BaFe12O19的物相、形貌以及性能的影响,以获得在低温烧结条件下物相单一、形貌规则、磁性能和吸波性能都较为优异的M型钡铁氧体材料。主要研究内容及结论如下:(1)结合化学共沉淀法与熔盐法来制备BaFe12O19,重点研究了前驱体与熔盐比例、煅烧温度及煅烧时间对BaFe12O19的物相和形貌的影响。结果表明:在BaFe12O19前驱体与熔盐KCl质量比为1:1,煅烧温度为900℃,煅烧时间为2 h的合成条件下得到了单相、六角片状规则且颗粒均一性较好的BaFe12O19,成功地实现了BaFe12O19的低温烧结。在此合成条件下得到的BaFe12O19的磁性能(Ms=63.06 emu/g、Hc=4772.43 Oe)与理论值(Ms=72 emu/g、Hc=6900 Oe)接近,再次证明该合成方法的可行性。但同时,其复介电常数和复磁导率的虚部都较小,导致其反射损耗值较大,吸波性能较差。(2)选择高价阳离子Zr4+对Fe3+进行取代,研究了不同掺杂量对BaZrxFe(12-x)O19的物相、形貌、磁性能和吸波性能的影响。结果表明:Zr4+的掺杂对Ms的影响不明显,但是对Hc有较强的调控作用,使其具有相对较宽的范围,当掺杂量由0.0增至1.2时,Hc从4772.43 Oe降低至797.34 Oe。另外,Zr4+的掺杂使材料的吸波性能有极大的提升,尤其是Zr4+对Fe3+的取代量达到1.2时,在16.75 GHz的匹配频率下反射损耗值达到了-30.2 dB,所覆盖的带宽为2.46 GHz,表现出较强的吸波性能。(3)选择高价阳离子Ti4+对Fe3+进行取代,研究了不同掺杂量对BaTixFe(12-x)O19的物相、形貌、磁性能和吸波性能的影响。结果表明:Ti4+的掺杂对Ms和Hc的影响都较小。但是,Ti4+的掺杂对材料的吸波性能有较大的提升,当取代量为0.9时,最小反射损耗值达到了-22.0 dB。同时,BaTixFe(12-x)O19材料出现了双共振吸收峰,且低频吸收峰出现在了6.00 GHz附近,这对扩宽材料的吸收频带和实现材料的低频吸收都具有重要的意义。(4)选择磁性离子锰离子和非磁性离子锆离子同时对Fe3+进行取代,研究了不同掺杂量对Ba(MnZr)xFe(12-2x)O19的物相、形貌、磁性能和吸波性能的影响。结果表明:Ba(MnZr)xFe(12-2x)O19样品都具有较为规则的六角片状形貌。对于磁性能而言,双金属共掺杂时的Ms值较Zr离子单独掺杂时更大,这可能是引入了磁性离子的原因,但是双金属共掺杂对Hc值的调控作用却远不如Zr离子单独掺杂。对于吸波性能而言,双金属共掺杂后材料的吸波性能得到了明显地提高,当掺杂量x为0.9时,反射损耗最小值达到-20.2 dB,匹配频率为16.30 GHz。与Zr离子单独掺杂时相比,Mn离子在Zr离子低掺杂量时对吸波性能的增强有较大的贡献,但是在Zr离子高掺杂量时对吸波性能的增强有负面的作用。
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