稀有金属 2004,(05),839-842 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.05.007
高饱和磁感应强度S型NiZn铁氧体的工艺优化研究
毛昌辉 杨志民 杜军
北京有色金属研究总院能源中心,北京有色金属研究总院能源中心,北京有色金属研究总院能源中心,北京有色金属研究总院能源中心 北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088
摘 要：
采用化学共沉淀法 , 按照一定的配比合成S型NiZn铁氧体。通过对NiZn铁氧体合成工艺参数的优化 , 可以提高NiZn铁氧体的饱和磁感应强度。研究表明 , 在 0～ 10 0℃的反应温度内 , 随着温度的升高 , NiZn铁氧体的饱和磁感应强度增加 ;在其他条件相同的情况下 , 当主体反应物Fe3+ 浓度增加时 , NiZn铁氧体的饱和磁感应强度相应地增加 ;共沉淀法合成的NiZn铁氧体在 10 0 0℃烧结温度下 , 60～ 2 40min范围内 , 烧结时间为 90min时 , 饱和磁感应强度值最大。
关键词：
饱和磁感应强度 ;矫顽力 ;化学共沉淀 ;Ni-Zn铁氧体 ;
中图分类号： TM273
收稿日期： 2003-08-14
基金： 国防军工配套项目;
Synthesizing Parameters of Ni-Zn Ferrite with High Saturated Magnetic Flux
Abstract：
S-type NiZn ferrites with identical chemical composition were synthesized by co-deposition. Synthesizing parameters, such as reaction temperature, reactant concentration and sintering time, were investigated to improve the saturated magnetic flux density (σ s) of Ni-Zn ferrite. The results show that: (1) σ s of Ni-Zn ferrite increases with the increase of co-deposition reaction temperature in the range of 0 to 100 ℃; (2) σ s increases with the increase of reactant Fe 3+ concentration in co-deposition processing; (3) Maximum σ s can be achieved for the sample sintered at 1000 ℃ for 90 min.
Keyword：
co-deposition; saturated magnetic flux density; NiZn ferrite;
Received： 2003-08-14
S型NiZn铁氧体是一种重要的软磁性材料, 在军事及民用领域都有非常广泛的应用。 NiZn铁氧体的制备方式有很多种
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ]
, 而共沉淀法是其中较常用的一种合成方法。 高饱和磁感应强度是S型NiZn铁氧体制备和应用过程中最重要的性能指标。 在合成与制备S型NiZn铁氧体过程中, 工艺条件和参数的选择是至关重要的, 它不仅影响NiZn铁氧体样品的后续步骤样品的压制和烧结, 而且还影响最终产品的磁性能。 因此, 通过工艺参数的优化, 合理地选择工艺条件, 以满足实际应用性能要求。 本研究基于所需的物理性能, 合理选择Ni-Zn铁氧体的配方, 并在此基础上进行了共沉淀法制备高饱和磁感应强度S型NiZn铁氧体工艺参数的优化研究。
1 实 验
1.1 S型NiZn铁氧体粉末的制备
以一定浓度的FeCl3 , ZnCl2 , NiCl2 , CoCl2 等作为反应原料, 分别在0～100 ℃的不同水浴温度下将原料按一定配比进行混合, 搅拌20 min, 之后向混合溶液中加入20% (质量分数) 的NaOH溶液, 调节pH值达到一定的范围, 使共混的金属离子充分反应, 继续搅拌30 min, 静置, 除去上清液, 再将下层的液体快速烘干, 研磨, 于马弗炉中800 ℃预烧结, 此时铁氧体粉末融为一体, 经过洗涤、 过滤, 去除烧结体中的NaCl 成分, 最后在低温下烘干并筛分, 即得NiZn 铁氧体粉末。 将合成的NiZn 铁氧体粉末按一定的测试尺寸规格进行压片, 并在1300 ℃烧结保温3 h, 最后测试其磁谱性能。
1.2 测试仪器及方法
采用VSM model 155型振动样品磁强计 (最大磁场强度为6.4×104 A·m-1 , 室温测试) 测试样品的饱和磁感应强度、 剩磁和矫顽力, NiZn铁氧体的复数磁导率和复数介电常数由HP4291B型射频阻抗/材料分析仪进行测定。
2 结果与讨论
2.1 反应温度对NiZn铁氧体饱和磁感应强度的影响
图1为不同共沉淀反应温度下NiZn铁氧体的饱和磁感应强度变化曲线。 根据图中数据, 在0～100 ℃反应温度范围内, 随着反应温度升高, NiZn铁氧体的饱和磁感应强度相应增加。 此外, 随着反应温度升高, 饱和磁感应强度的上升趋势减缓。
图2为NiZn铁氧体粉末的剩余磁感应强度、 矫顽力与共沉淀反应温度的关系曲线。 图中曲线反映了随共沉淀反应温度的升高, 剩余磁感应强度、 矫顽力总体呈上升趋势。
图3 给出了不同共沉淀反应温度下NiZn铁氧体的频谱曲线, 在化学组成和其他工艺相同的前提下, 反应温度升高, NiZn铁氧体的相对磁导率的实部和虚部总体呈上升趋势。 而当温度达70 ℃时, 其相对磁导率的实部和虚部数值与90℃时的值基本相当。
根据阿仑尼乌斯 (Arrhenius·S) 公式
[7 ]
, 对于一个反应, 当反应活化能一定时, 若温度增加, 反应速率常数增大, 反应速率也增大。 而在共沉淀反应中, 由于各种金属离子发生沉淀反应的活化能不同, 发生起始反应的时间不同, 沉淀速率不同, 因而成核速率也不同。 当反应温度升高, 各个反应的反应速度加快, 反应进行的时间较短, 形核率提高, 各种不同金属离子沉淀反应速率的差异减小, 最终不仅使反应进行得更充分、 更彻底, 而且形成粒度细、 成分分布均匀的一次颗粒。 这些颗粒在烧结时充分接触, 减小了烧结活化能, 从而形成更完善的NiZn铁氧体晶体, 使得NiZn铁氧体的饱和磁感应强度升高, 如图1所示。 另一方面, 饱和磁感应强度是材料的内禀性能, 在材料组成一定和晶体结构完善的情况下, 其值趋于恒定。 在图1中表现为温度升高, 饱和磁感应强度的上升趋势缓慢。
此外, 结合图1和3, 随着共沉淀反应温度升高, 相对磁导率的实部和虚部都增大; 同时, 30～90 ℃反应温度下合成的NiZn铁氧体, 其磁导率虚部的峰值频率达到80～150 MHz, 而磁导率的实部和虚部分别随着共沉淀反应温度的升高而增加, 结果使磁导率与截止频率的乘积增大, 有利于提高NiZn铁氧体的高频性能。 总之, 反应温度升高, 饱和磁感应强度增大, 磁导率的实部和虚部值相应增大。
同时, 由图2看出, 随着反应温度的升高, NiZn铁氧体粉末的矫顽力总体上增加, 原因是温度升高, 形成的铁氧体晶粒更细, 对磁畴运动的阻碍也增加, 造成晶界增加, 矫顽力增大。
2.2 反应物浓度对饱和磁感应强度的影响
同样, 反应物浓度也是决定材料磁性能的重要内因之一。 表1给出了不同反应物Fe3+ 浓度对NiZn铁氧体的饱和磁感应强度的影响, 由表1可以看出, 随着Fe3+ 浓度的增加, NiZn铁氧体的饱和磁感应强度相应地增加。
任何一个复杂反应都是由若干个基元反应组合而成。 根据质量作用定律
[7 ]
, 在给定反应温度条件下, 对于基元反应, 反应速率与反应物浓度的乘积成正比。 据此, 反应物浓度的增加与共沉淀反应温度的升高对NiZn铁氧体饱和磁感应强度的影响是出于类似的机制, 即随着反应物浓度增加, 反应速率增加, 有利于形核, 同时形成的晶粒更完整、 晶粒细化、 成分分布更均匀, 从而在烧结过程中粉体的活性较大, 形成结构完善的尖晶石晶体, 体现在性能上为NiZn铁氧体的饱和磁感应强度升高, 矫顽力增大, 如表1 所示。
2.3 烧结时间、 烧结温度对饱和磁感应强度的影响
对于NiZn铁氧体来说, 除了共沉淀过程温度和浓度的影响外, 烧结也是其制备过程中一个重要的环节, 实际上, NiZn铁氧体最终是通过在烧结过程中各沉淀组元之间发生反应形成的, 因此烧结工艺对NiZn铁氧体的磁性能起着非常重要的作用。
表2是在烧结温度为1000 ℃时, 烧结时间对饱和磁感应强度的影响。 数据表明, 60～90 min内随着时间的延长, 饱和磁感应强度有显著的增加, 矫顽力也增加; 而当烧结时间在90～240 min范围时, NiZn铁氧体饱和磁感应强度没有明显地增加, 但矫顽力有所下降。
NiZn铁氧体固体粉末在烧结过程中以松装烧结为主。 大致分为3个阶段: 首先在烧结温度较低时, 共沉淀物金属氢氧化物的分解, 及至600 ℃以上这种分解基本完全, 并形成相应的金属氧化物盐; 随后, 随着烧结反应温度继续升高, 共沉淀物中的NaCl开始逐步熔化, 从而将金属氧化物包裹成若干个局部反应区域, 进而在这些局部的区域中形成 NiZn铁氧体, 即在每个局部区域内进行活化烧结 (反应烧结) ; 最后, 随着烧结反应温度继续升高和烧结时间延长, 每一个局部区域的离子互扩散反应趋于完全, 孔隙进一步减少, 密度增大, 晶粒不断长大。 相应地, 在各个阶段, NiZn铁氧体的饱和磁感应强度随着变化。 因此, 在表2中, 1000 ℃烧结温度下, 烧结时间为60～90 min是NiZn铁氧体各个局部反应逐步完全的过程, 饱和磁感应强度增加; 而当烧结时间为90～120 min时, 此时局部反应均已基本完全, 因而饱和磁感应强度基本不变; 继续延长烧结时间到240 min, NiZn铁氧体的晶粒度增加显著, 晶粒的均匀性下降, 这对磁晶各向异性常数不利, 造成矫顽力下降。
3 结 论
1. 共沉淀法制备的NiZn铁氧体, 在0～100 ℃反应温度范围内, 其饱和磁感应强度随着反应温度升高而增大。
2. 其他工艺条件相同条件下, 主体反应物Fe3+ 浓度增加, NiZn铁氧体的饱和磁感应强度也相应地增加。
3. 在1000 ℃烧结温度下, 在60～240 min不同的烧结时间下, 烧结反应时间为90 min时, NiZn铁氧体的饱和磁感应强度值最大。
参考文献
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