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Ba-Fe-O铁氧体的制备、结构表征和磁性研究

2020-12-11阅读(530)

Ba-Fe-O铁氧体的制备、结构表征和磁性研究

论文摘要

Ba-Fe-O铁氧体作为一种磁性材料,它的发展吸引了很多人的注意,铁氧体磁性材料以其优异的磁性能和价格优势在磁性材料的研究和发展中占有举足轻重的地位,并引起研究者广泛的兴趣。Ba-Fe-O铁氧体在微波毫米波器件,高密度磁记录介质以及医疗等领域已被广泛地应用。例如可以作为隐形飞机和无人侦察机表面的涂层,进行微波的吸收,达到隐形的目的；还可以作为药物载体的磁靶,使药物发挥更好的治疗效果。为了更好地发挥Ba-Fe-O铁氧体的应用价值,对于研究者来说如何更进一步提高其矫顽力,优化其磁性能,探讨其形成机制,调控掺杂元素的掺杂状态任重道远。研究工作对促进Ba-Fe-O铁氧体的应用和丰富磁性理论有重要意义。Ba-Fe-O铁氧体的结构主要有三种类型：尖晶石型、磁铅石型（M型）和石榴石型。尖晶石铁氧体是一种软磁材料,广泛地应用于高密度磁记录、微波装置和磁流体等领域。尖晶石铁氧体结构的化学通式为：AB2O4,为面心立方结构,晶胞中含有许多四面体和八面体空位间隙,这些空位的存在为改进铁氧体性能提供了条件,为金属离子的掺杂和取代创造了条件,因而使尖晶石型铁氧体种类繁多,性能更加优异。M型Ba-Fe-O铁氧体材料是一种永磁材料,为硬磁材料,广泛用于磁记录,发动机马达以及电磁波吸收材料等。M型钡铁氧体具有宽磁滞回线、高的矫顽力、单轴磁晶各向异性、优良的旋磁特性、高的化学稳定性、高居里温度和高剩磁等特点,同时具有较高的性价比。近些年随着合成技术和手段的不断创新提高,通过掺杂不同的元素和采取不同的方法研究铁氧体合成过程中结构和相变的报道很多,由于机械合金法做为一个合成磁性纳米材料的主要手段,应用越来越广泛,且机械合金化由于反应复杂,材料配比和球磨能量不同,导致产生结构相变情况也不同。因此,可以形成高性能的纳米磁性前驱体粉末。甘氨酸硝酸盐法又称自蔓延高温合成法,是近二三十年兴起的制备材料的方法,属于一种高新技术。烧结合成出铁氧体粉末性能稳定和尺寸分布均匀等,且燃烧合成前驱体颗粒较小,比表面积大,反应活性高,可用于制造高性能的铁氧体。采用机械合金法进行Ba-Fe-O铁氧体的合成,通过球磨BaCO3和α-Fe2O3,首次制备出尖晶石结构BaxFe3-xO4相。研究表明：在球磨过程中,首先形成了α-（Fe,Ba）2O3固溶体,随着球磨时间的增加,Ba在α-（Fe,Ba）2O3中的固溶量增加,当Ba含量达到一定的固溶限时,α-（Fe,Ba）2O3转变为具有较高密度的BaxFe3-xO4尖晶石相。在BaxFe3-xO4中,Ba2+替代Fe2+占据尖晶石结构中八面体的B位,其成份为Ba0.23Fe2.77O4,饱和磁化强度为53.3emu/g,矫顽力是113.7 Oe。利用常规烧结、机械合金化结合高温烧结和甘氨酸硝酸盐法开展了M型钡铁氧体（M-BaFe12O19）的制备、表征和磁性能的研究工作,并利用烧结曲线研究了不同制备方法中M-BaFe12O19的形成机理。研究结果表明：以α-Fe2O3和BaCO3为原材料,利用常规烧结制备M-BaFe12O19过程中,首先是α-Fe2O3和BaCO3反应生成具有正交结构的BaFe2O4中间相,然后BaFe2O4与α-Fe2O3在770至920℃温度之间反应,烧结形成M-BaFe12O19.在机械合金化结合高温烧结法中,首先将α-Fe2O3和BaCO3的混合物球磨80h形成尖晶石结构的BaxFe3-xO4,然后将BaxFe3-xO4在700-1000℃退火2小时,形成M-BaFe12O19.在甘氨酸硝酸盐方法中,首先通过自蔓延反应生成了α-Fe2O3,Fe3O4和BaFe2O4混合的前驱体粉末,然后通过在1000℃条件下烧结前驱体粉末制备出了单一相的M-BaFe12O19。比较三种制备方法,以尖晶石结构BaxFe3-xO4为前驱体通过烧结制备M-BaFe12O19的最低形成温度最低。研究发现,以机械合金法制备的M-BaFe12O19的饱和磁化强度和矫顽力分别是47.24emu/g和5086.340e,其矫顽力比其它两种方法制备的M-BaFe12O19的矫顽力大。矫顽力的增大不是由于晶粒尺寸和纯度所造成的,而是由于Ba离子残留在八面体2a位置上的原因。利用甘氨酸硝酸盐法进行了Al、Dy及La掺杂M-BaFe12O19的制备和掺杂元素对钡铁氧体的结构和矫顽力的影响规律和机制的研究工作。研究结果表明：当燃料和氧化物比为1.5：1时,前驱体粉末经900℃烧结2h形成单一M-BaFe12O19相。因此,所有掺杂都是在这一比例下进行的。对于A1掺杂,A1在M-BaFe12O19中Al3+替代Fe3+,记作BaAlxFe12-xO19。XRD测试结果表明：当0<x≤4时,随着Al3+含量的增加,衍射角向高角移动,这归因于Al3+半径小于Fe3+的结果。计算结果表明掺杂对晶格常数a影响较大,a值从5.887A下降到5.819A,对晶格常数c影响趋势相同。另外,XRD峰的半高宽随A1掺杂量的增加而增加,即晶粒尺寸随A1掺杂量增加而减小。这意味着铝的加入减慢了晶粒生长速度。伴随着晶格常数和晶粒尺寸的变化,矫顽力随A1掺杂量的增加从4012 Oe增加到13738 Oe,接近钕铁硼的矫顽力。但是,当x=5时,BaAlxFe12-xO19出现分相,样品由M-BaAlxFe12-xO19.α-Fe2O3和BaAl2O4相组成,同时矫顽力下降到8430 Oe。这意味着A1在M-BaAlxFe12-xO19有限固溶度。由于Al3+在BaAlxFe12-xO19中优先占据2b和12k晶位,替换了该晶位上的Fe3+,使整个钡铁氧体Fe3+磁性离子数减小,因此,随A1掺杂量增加,饱和磁化强度单调降小。对于Dy掺杂,Dy替代Ba,经900℃烧结形成的BaxDy1-xFe12O19结晶较差,矫顽力没有增加反而略有降低,这与文献报道的不一致,可能由于制备方法不同所致。对于La掺杂,La替代Ba形成M-BaxLa1-xFe12O19,在0<x<5范围内,矫顽力随La含量增加基本没有变化,但饱和磁化强度却从x=0的60.4 emu/g逐渐下降到x=0.5的38.6emu/g。由La和A1共掺杂形成的M-Ba0.5La0.5AlFe11O19,矫顽力为8704 Oe,饱和磁化强度为26.7emu/g。其矫顽力高于BaAlFe11O19的6679 Oe。以上结果表明：对于M型BaFe12O19来说,其矫顽力的提高主要来自对Fe3+的替代掺杂,而替代Ba2+的掺杂形式对矫顽力的影响较小。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 铁氧体材料及铁氧体纳米材料概述
  • 1.1.1 尖晶石铁氧体
  • 1.1.2 M型磁铅石铁氧体
  • 1.2 Ba-Fe-O铁氧体制备技术进展
  • 1.3 磁性特征和来源
  • 1.4 本论文的选题依据及研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 研究工作的实验技术原理和表征方法
  • 2.1 实验技术原理
  • 2.1.1 球磨法
  • 2.1.2 甘氨酸硝酸盐法
  • 2.2 结构表征和性能测试手段
  • 2.2.1 X射线衍射（XRD）测试
  • 2.2.2 X光电子能谱（XPS）
  • 2.2.3 热膨胀系数测试
  • 2.2.4 振动样品磁强计（VSM）测量磁性
  • 2.2.5 X射线散射能谱（EDX）
  • 2.2.6 扫描电子显微镜（SEM）
  • 2.2.7 热重-差热(（TG-DTA）分析
  • 2.2.8 穆斯堡尔谱测量
  • 2.2.9 Raman光谱测试
  • 参考文献
  • 2O3与BaCO3机械化学反应形成尖晶石结构BaxFe3-xO4机制及性能表征'>第三章 α-Fe2O3与BaCO3机械化学反应形成尖晶石结构BaxFe3-xO4机制及性能表征
  • 3.1 引言
  • xFe3-xO4形成规律'>3.2 机械球磨过程中尖晶石结构BaxFe3-xO4形成规律
  • 3.2.1 实验方法
  • xFe3-xO4的形成和结构表征'>3.2.2 机械球磨过程中尖晶石结构BaxFe3-xO4的形成和结构表征
  • xFe3-xO4的XPS和EDS及穆斯堡尔谱分析'>3.3 尖晶石结构BaxFe3-xO4的XPS和EDS及穆斯堡尔谱分析
  • xFe3-xO4的磁性能测试分析'>3.4 尖晶石结构BaxFe3-xO4的磁性能测试分析
  • 3和α-Fe2O3混合粉末形成尖晶石结构BaxFe3-xO4的结构表征'>3.5 机械球磨不同摩尔比BaCO3和α-Fe2O3混合粉末形成尖晶石结构BaxFe3-xO4的结构表征
  • 3.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 制备方法对钡铁氧体形成过程和性能的影响规律及机理的研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验方法
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 三种方法制备M型钡铁氧体烧结特性研究
  • 4.3.2 三种方法制备的M型钡铁氧体磁性能研究
  • 4.3.3 三种方法制备M型钡铁氧体拉曼光谱分析
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • xA1-xByFe12-yO19的结构表征和磁性能研究'>第五章 甘氨酸硝酸盐法合成高矫顽力M型BaxA1-xByFe12-yO19的结构表征和磁性能研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验方法
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 未掺杂的M型钡铁氧体纯相的合成与表征
  • 5.3.2 Al掺杂M型钡铁氧体的合成与表征
  • 5.3.3 Dy掺杂M型钡铁氧体的合成与表征
  • 5.3.4 La及La、Al共掺M型钡铁氧体磁性研究
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 作者简介
  • 博士期间参与发表的论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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