离子联合取代M型六角铁氧体的微结构及磁特性研究

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M型六角永磁铁氧体作为电子工业的一种基础功能材料,已经渗透到生活和生产的各个领域,随着技术的发展,自动化程度的增加,永磁铁氧体材料的市场需求与日俱增,使这种传统的材料具有无限的活力。为此,本文对高性能M型六角永磁铁氧体材料的制备技术、配方技术及微波预烧新技术进行系统的研究,为材料的应用推广奠定基础。  本文首先对M型六角铁氧体的基本理论进行论述,在此基础上探讨了离子取代改变材料内禀属性的机理以及取代发生时形成的晶粒尺寸效应对材料微观形貌及磁性能的影响,为后续改进实验的设计提供理论指导。选取固相反应法制备预烧料和烧结磁体,并对粉料处理技术进行专门研究。实验表明,热处理工艺技术提升了粉体的均匀性,从而使烧结样品中的晶粒均匀细小,实现了Br和HcJ的同时提升。  针对Sr-La-Co型永磁铁氧材料中预烧料晶粒生长不均匀和片状化生长的现象,对引起该现象的原因进行分析,并采用合适的添加剂对形貌进行调控,明显改善了材料性能。对于配方此处公式省略,当x=0.2时,加入0.15wt%CaCO3和0.2wt%SiO2的添加剂能改善材料的微观形貌,起到促进反应、改善离子取代造成的预烧料晶粒尺寸效应对磁体显微结构和磁性能的影响,实现了材料性能的提升。烧结磁体的此处公式省略,与未加添加剂时相比,HcJ由360kA/m上升到375kA/m,Hk/HcJ由0.88上升到0.96,分别提高4%和12%。  在La-Co联合取代的基础上,系统研究了Ca-La-Co联合取代(Sr-Ca-La-Co型)的新型六角铁氧体材料,通过Ca离子含量的调整和取代离子之间比例的优化,得到了具有单一M相的Sr-Ca-La-Co型六角铁氧体材料的配方范围。对于配方此处公式省略,探讨Ca离子取代Sr离子后显微结构的变化。研究表明,对于配方此处公式省略,当x=0.4时能形成单一M相,具有最佳的σs和HcJ。进一步的分析知,x的变化引起五个晶位的微观状态均发生变化,说明Ca离子对Sr离子的取代会对Fe离子的晶位产生影响,σs和HcJ的变化是五个晶位共同作用的结果,但当x=0.2时,4f1晶位的微观状态变化较明显,说明4f1晶位对σs和HcJ的变化起主要作用;当x=0.4时,2b位的微观状态变化最明显,对σs和HcJ的变化起主要作用。当预烧温度为1240℃,得到高HcJ的磁体(HcJ=445kA/m),与Sr-La-Co系铁氧体相比,在Br相当的情况下HcJ提升19%;预烧温度为1160℃,得到高Br的磁体(Br=455mT),与Sr-La-Co系铁氧体相比,在HcJ相当的情况下Br提升3%。  烧结磁体的微观形貌是决定材料性能是否能体现出来的重要因素。因此,本文在配方研究的基础上,对Sr-Ca-La-Co型铁氧体材料独特的微观形貌进行了探究。其特征表现为大尺寸晶粒和片状夹层堆叠的小晶粒同时存在,即晶粒尺寸不均匀,晶粒的形貌也不尽相同。围绕这一问题,本文对晶粒的微区成分进行了详细的分析,发现这种独特的微观形貌主要是由于晶界存在少量不均匀分布的Ca元素引起,在大晶粒内部和小晶粒的晶界处Ca元素的含量明显低于大晶粒晶界处的含量,这说明少量Ca元素存在于部分晶粒的晶界处,且促进了这部分晶粒的生长。此外,Ca元素与Si元素富集区域相同,所形成的CaSi化合物也加剧了晶粒的生长。片状夹层堆叠的小晶粒是生长受到抑制或者生长不完全的缘故。所以,Ca-La-Co联合取代型铁氧体的显微结构并不十分理想,促使预烧料晶粒的均匀生长将有利于性能的进一步提高。少量BaCO3的加入能促进预烧反应的进行,优化预烧料和烧结磁体的显微结构,使磁性能进一步提升。  最后,采用微波预烧(MC)技术制备了新型的Sr-Ca-La-Co型六角铁氧体材料。由于MC低温和快速反应的优势,可在较低的预烧温度和较短的保温时间得到优质的预烧料。当预烧温度为1140℃,保温时间为30min时,σs和HcJ分别为67.8emu/g和4269Oe,与传统的马弗炉预烧(CC)相比,反应温度和保温时间大大降低,且HcJ和σs分别提高12%和3%。微波预烧技术对预烧料的改善还表现在粒度分布的优化上,在微波预烧方式下,球磨后粉料在0.5μm~1.5μm之间所占的比例提高6%,实现了粉料颗粒尺寸分布的窄化,从而使烧结磁体中的平均晶粒尺寸及分布下降,烧结磁体的综合磁性能明显提升。
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