稀土取代六方晶系铁氧体的微观结构和电磁性能研究

论文摘要

随着雷达、微波通信,特别是抗电磁干扰被覆材料、隐身技术和微波暗室技术的飞速发展,电磁波吸收材料的研究越来越的到人们的关注。六方晶系铁氧体有着较大的磁晶各向异性、较高的自然共振频率和较好的高频稳定性等优点,非常适合在高频GHz范围作为微波吸收材料。研究证明,六方晶系铁氧体的介电性能和磁性能,比如电阻率、磁导率、饱和磁化强度和矫顽力等,可以通过取代铁氧体中的二价或三价金属离子的方法来改善。稀土离子有不成对的4f电子和较强的轨道自旋耦合,预期稀土离子掺杂进铁氧体中能够改善铁氧体的电磁性能。目前,国际上大量的工作都集中在Cu2+、Co2+,Zn2+、Ni2+、Mg2+、Sr2+等离子取代六方晶系体氧体材料中金属离子开展研究。对稀土离子取代铁氧体的研究还较少,大多是研究单个稀土离子取代对铁氧体的电磁性能的影响,系统研究稀土离子取代对六方晶系铁氧体的微观结构和电磁性能影响的工作还几乎没有。为了探究稀土离子的取代对六方晶系铁氧体的微观结构和电磁性能的影响规律,本论文选取了三种轻稀土离子（La3+、Nd3+、Sm3+）和三种重稀土离子（Tb3+、Er3+、Yb3+）分别取代W型和Z型六方晶系铁氧体,系统研究稀土离子取代对两个类型铁氧体的微观结构和电磁性能影响,以及微观结构和电磁性能变化之间的内在联系。合成的样品通过X射线衍射仪（XRD）和场发射扫描电镜（SEM）等手段进行晶体结构和微观组织形貌表征；采用振动样品磁强计（VSM）和矢量网络分析仪（VNA）对静磁性能、动态电磁参数和微波吸收性能进行了测试。利用高温固相发成功合成了三个系列的稀土取代六方晶系铁氧体,Ba1-xRExCo2Fe16O27（RE=La3+、Nd3+、Sm3+）、Ba1-xRExCo2Fe16O27 （RE=Tb3+、Er3+、Yb3+）和（La3+、Nd3+、Sm3+）。W型和Z型铁氧体的最佳热处理条件分别为1250℃/3h和1250℃/5h; XRD结果证明适量稀土离子取代的铁氧体均为单一、稳定的纯相。轻稀土离子和重稀土离子取代W型铁氧体中的Ba2+后,样品的晶格参数a几乎不变,而晶格参数c减小,晶格收缩变形,这一晶格畸变行为意味着稀土离子成功进入晶体晶格中,以期对样品的电磁性能有所影响。而轻稀土离子取代Z型铁氧体后,由于稀土离子较大的离子电荷密度致使晶格参数a和c均变大,晶格膨胀变形。SEM观察到所有样品都有着较好的六方片状形貌,这对于吸波材料来说是有利的。通过振动样品磁强计对样品的静磁性能进行测试,结果发现适量的稀土离子取代后,W和Z型铁氧体的静磁性能均得到显著改善。适量的La3+、Nd3+、Sm3+、Tb3+、Er3+和Yb3+取代能使W型铁氧体的饱和磁化强度分别提高10.1～28.6%；La3+、Nd3+、Sm3+取代能使Z型铁氧体的饱和磁化强度分别提高26.0、29.4和31.3%。并且随着稀土取代量的增加,六方晶系铁氧体的静磁参数呈现出较好的变化规律。对于W型铁氧体,稀土离子取代后,样品的饱和磁化强度和矫顽力呈逐渐变大的趋势,而Z型铁氧体的饱和磁化强度增加,矫顽力减小。采用矢量网络分析仪对样品的电磁参数进行测试,发现随着稀土离子取代量的增加,W型铁氧体的电磁参数（复介电常数和复磁导率）均有一个明确的变化规律,可以为以后研究稀土取代W型铁氧体提供实验基础和理论依据。稀土离子取代Z型铁氧体后,样品的电磁参数变化规律不明显,是因为Z型铁氧体的晶体结构复杂,稀土离子取代Ba2+位置的随机性所致。通过对电磁参数的分析处理,发现轻稀土离子取代后,W型铁氧体的微波吸收特性得到显著改善。La3+取代量x=0.25、Nd3+取代量x=0.25和Sm3+掺取代x=0.20时,样品的电磁损耗达到最大值,较取代前分别提高1.69、2.12和1.85倍。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 稀土磁性材料简介
• 1.1.1 稀土功能材料的应用现状
• 1.1.2 稀土磁性材料
• 1.1.3 稀土元素的结构特征与磁学性能
• 1.2 铁氧体磁性材料的历史、分类及应用现状
• 1.2.1 铁氧体磁性材料的发展沿革
• 1.2.2 铁氧体材料的分类
• 1.3 六方晶系铁氧体的本征特性
• 1.3.1 六方晶系铁氧体的晶体结构
• 1.3.2 六方晶系铁氧体的饱和磁化
• 1.3.3 六方晶系铁氧体的矫顽力
• 1.3.4 六方晶系铁氧体的磁晶各向异性
• 1.3.5 六方晶系铁氧体的温度稳定性
• 1.4 六方晶系铁氧体的离子取代
• 1.4.1 W型铁氧体的离子取代
• 2Z型铁氧体的离子取代'>1.4.2 Co₂Z型铁氧体的离子取代
• 1.5 本课题研究意义及研究内容
• 1.5.1 本课题研究意义
• 1.5.2 本课题研究内容
• 参考文献
• 第2章 实验理论部分
• 2.1 铁氧体的磁性
• 2.1.1 超交换作用
• 2.1.2 磁畴
• 2.2 铁氧体静态磁化
• 2.3 铁氧体吸波特性
• 2.3.1 铁氧体对微波的损耗
• 2.3.2 吸波材料的重要电磁参数
• 小结
• 第3章 实验部分
• 3.1 实验试剂
• 3.2 实验仪器设备
• 3.3 六方晶系钡铁氧体的合成方法
• 3.3.1 高温固相法
• 3.3.2 水热合成法
• 3.3.3 化学共沉淀法
• 3.3.4 溶胶—凝胶法
• 3.3.5 其他合成方法
• 3.4 样品的表征
• 3.4.1 样品物相及结构参数的测定
• 3.4.2 样品微观组织形貌分析
• 3.4.3 静磁性能测试
• 3.4.4 电磁参数和吸波性能测试
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第4章 W、Z型六方晶系铁氧体的制备技术研究
• 4.1 引言
• 1-xRE_xCo₂FE₁₆O₂₇的制备'>4.2 稀土取代W型铁氧体BA_1-xRE_xCo₂FE₁₆O₂₇的制备
• 4.2.1 样品的制备过程
• 4.2.2 热处理条件对产物相组成的影响
• 4.2.3 稀土离子取代对W型铁氧体相结构的影响
• 3-xRE_xCo₂FE₂₄O₄₁的制备'>4.3 稀土取代Z型铁氧体BA_3-xRE_xCo₂FE₂₄O₄₁的制备
• 4.3.1 热处理条件对产物相组成的影响
• 4.3.2 稀土离子取代对Z型铁氧体相结构的影响
• 4.4 小结
• 第5章 轻稀土取代W型铁氧体的微观结构和电磁特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 稀土取代对W型铁氧体微观结构的影响
• 5.2.1 稀土取代对晶格参数的影响
• 5.2.2 稀土取代对其他结构参数的影响
• 5.2.3 稀土取代对样品微观组织形貌的影响
• 5.3 稀土取代对W型铁氧体静磁性能的影响
• 5.3.1 稀土取代对样品磁滞回线的影响
• 5.3.2 稀土取代对比饱和磁化强度的影响
• 5.3.3 稀土取代对样品矫顽力的影响
• 5.4 稀土取代对W型铁氧体动态电磁参数的影响
• 5.4.1 稀土取代对样品复介电常数的影响
• 5.4.2 稀土取代对样品复磁导率的影响
• 5.4.3 稀土取代对介电损耗和磁损耗角正切值的影响
• 5.4.4 稀土取代对样品吸波特性的影响
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第6章 重稀土取代W型铁氧体的微观结构和电磁特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 稀土取代对W型铁氧体微观结构的影响
• 6.2.1 稀土取代对晶格参数的影响
• 6.2.2 稀土取代对其他结构参数的影响
• 6.2.3 稀土取代对样品微观组织形貌的影响
• 6.3 稀土取代对W型铁氧体静磁性能的影响
• 6.3.1 稀土取代对样品磁滞回线的影响
• 6.3.2 稀土取代对比饱和磁化强度的影响
• 6.3.3 稀土取代对样品矫顽力的影响
• 6.4 稀土取代量对W型铁氧体动态电磁参数的影响
• 6.4.1 稀土取代对样品复介电常数的影响
• 6.4.2 稀土取代对样品复磁导率的影响
• 6.4.3 稀土取代对介电损耗和磁损耗角正切值的影响
• 6.4.4 稀土取代对样品吸波特性的影响
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第7章 轻稀土取代Z型铁氧体的微观结构和电磁特性研究
• 7.1 引言
• 7.2 稀土取代对Z型铁氧体微观结构的影响
• 7.2.1 稀土取代对晶格参数的影响
• 7.2.2 稀土取代对其他结构参数的影响
• 7.2.3 稀土取代对样品微观组织形貌的影响
• 7.3 稀土取代对Z型铁氧体静磁性能的影响
• 7.3.1 稀土取代对样品磁滞回线的影响
• 7.3.2 稀土取代对比饱和磁化强度的影响
• 7.3.3 稀土取代对样品矫顽力的影响
• 7.4 稀土取代量对Z型铁氧体动态电磁参数的影响
• 7.4.1 稀土取代对样品复介电常数的影响
• 7.4.2 稀土取代对样品复磁导率的影响
• 7.5 小结
• 参考文献
• 第8章 结论与展望
• 攻读博士学位期间所取得的研究成果
• 一、SCI学术论文
• 二、发明专利
• 三、参与项目及课题
• 后记和致谢