磁条中的铁氧体材料制备工艺和磁性能研究.pdf

以硝酸钡、硝酸铁与柠檬酸为原料，依据溶胶-凝胶法设计铁氧体材料制备工艺，制备铁氧体材料。通过振动样品磁强计，分析在不同煅烧温度和原料比例条件下所制备铁氧体材料的磁导率；利用扫描电子显微镜，分析材料的微观形貌；利用阻抗分析仪，分析材料的磁导率；采用霍尔效应测试仪，研究铁氧体材料磁性能。实验结果表明，煅烧温度由 750升至 1 150时，材料晶粒生长越充分，实部、虚部磁导率以及磁化强度均先上升后下降；煅烧温度为 950时，实部、虚部磁导率以及磁化强度均最高，在 280 H/m、98 H/m 与 81.99 Am2/kg 左右；煅烧温度与材料收缩率呈正比。综合分析磁导率、收缩率与磁化强度得出，最优煅烧温度为 850至 1 050，此时材料磁性能最优；提升硝酸铁添加量，可提升材料的磁导率，即提升材料磁性能，最佳硝酸钡与硝酸铁比例是 19；提升柠檬酸添加量，可优化材料磁性能，最佳柠檬酸比例是 1.2。关键词：铁氧体材料；制备工艺；磁性能；溶胶-凝胶法；硝酸钡；柠檬酸 中图分类号：TM277 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2023)05-0063-06 铁氧体材料具备损耗频段宽与制备简单等优势，属于一种高频磁损耗材料，同时该材料的稳定性强与磁导率高，应用范围较广1。在磁条中应用铁氧体材料，能够吸收高频损耗，具备剔除电磁噪声功能。随着电子器件频率的不断提升，铁氧体的磁导率下降速度较快，使其无法达到理想的电磁消噪目标2。为此，需要进一步研究铁氧体材料的制备方法，分析其磁性能影响因素，为提升其电磁消噪效果提供科学依据3。例如，张家瑞等4通过水热原位法制备钴铁氧体材料，通过振动样品磁强计，分析铁氧体的磁性能。研究结果表明，经过 650热处理后，可提升铁氧体的磁性能，涂层厚度为 1.5 mm 时，铁氧体具备较好的吸波性能。牟春阳等5通过化学共沉淀法，制备铁氧体材料，利用 Jade 软件，分析铁氧体材料的磁性能。研究结果表明，提升焙烧温度，可改变铁氧体材料的结构，影响其磁性能。但是水热原位法产率较低，需要长时间的反应，工艺比较复杂；化学共沉淀法反应时间较长，产率较低，需要在后续处理中进一步纯化和处理。铁氧体材料具有广泛的实际应用领域，例如，电磁波吸收材料、磁存储材料、磁性传感器、能源材料等。因此，研究铁氧体材料制备工艺和磁性能分析方法，可以优化铁氧体材料的性能，提高其应用价值和市场竞争力。1 实验部分 1.1 材料与仪器 硝酸钡，98.5%，分析纯，昌盛硝盐公司；九水硝酸铁，98.5%，分析纯，运力化工公司；聚乙二醇，99.7%，分析纯，永和化工公司；柠檬酸，99.7%，分析纯，永和化工公司；氨水，25%，分析纯，福林化工公司。FA124 电子天平，绍兴上虞艾科仪器设备有限公司；YP077-VSM-130 振动样品磁强计（VSM），北京海富达科技有限公司；ZNCL-S-5D 磁力搅拌器，上海凌科实业发展有限公司；STM-1-10 马弗炉，河南三特炉业科技有限公司；G1000 扫描电子显微镜（SEM），深圳市嘉盛电子有限公司；QJ36S-2 阻抗分析仪，收稿日期：2023-04-13 基金项目：安徽三联学院校级科研项目“基于多数据融合的智能机器人避障算法研究”（KJZD2022010）；安徽三联学院校级教研项目“基础实验教学课程思政教学团队”（21zlgc079）作者简介：孙赟（1987-），男，安徽和县人，实验师，硕士，主要从事光电功能材料研究，。64 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 上海双特电工仪器有限公司；CH-30 霍尔效应测试仪，北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司。1.2 材料制备工艺 利用溶胶-凝胶法制备铁氧体材料的工艺流程如图 1 所示。步骤 1：按照比例在电子天平上称取原料，硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的质量比例为 1nm；其中，3,6,9n；1,1.2,1.4m。以硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的比例为 131 的铁氧体样品为例，XRD 数据为（1）晶体结构，反射立方晶系（FCC）的 Fe3O4铁氧体结构；（2）晶格常数，a=b=c=0.839 4 nm；（3）晶胞体积，0.593 9 nm3；（4）点群，Fd3m；（5）Miller 指数，(220),(311),(400),(422),(511),(440),(533)等；（6）部分 XRD 数据，2=30.06,35.81,43.46,49.55,57.09,62.98,74.31，I=15,37,29,20,100,32,29。步骤 2：将称取好的原料放入混合盐溶液内，充分搅拌6。步骤 3：搅拌过程中，在溶液内逐滴加入氨水，调节溶液的 pH 为 7.5。步骤 4：加入少许聚乙二醇，利用磁力搅拌器对溶液进行蒸发处理，蒸发至无水分后，获取较黏的胶状物7。步骤 5：继续蒸发处理获取铁氧体前驱体。步骤 6：利用马弗炉煅烧处理前驱体，获取铁氧体粉末，完成制备8，其中，煅烧温度分别为 750,850,950,1050,1150。1.3 实验方法 通过 VSM 分析制备材料的磁化强度与剩余磁化强度，分析原理为：在振动子上作用功率信号，使其进行周期性运动，通过扫描电源变更材料磁化外场9，磁化材料，绘制 J-H 回线，计算铁氧体材料的磁化强度 000HmYYKYmm (1)式中：K为磁矩数；HY为磁场下Y轴高度；m为铁氧体材料质量；0为标准磁矩；0m为标准质量；0Y为Y轴偏转。通过阻抗分析仪分析铁氧体材料的磁导率，实部磁导率计算公式为 021lnLsDhd (2)式中：0为初始磁导率；L为材料腔与空腔电感差；d,D为材料环内外径；h为材料厚度。虚部磁导率计算公式为 0lnRgDfhd (3)式中：f为工作频率；R为材料腔与空腔电阻差。铁氧体材料损耗角正切tan是g与s的比值，即tangs，tan的作用是描绘铁氧体材料的磁损耗情况10。通过李氏比重瓶分析铁氧体材料的收缩率U，计算公式为 121AAUA (4)式中：1A为煅烧前的体积；2A为煅烧后的体积。硝酸钡硝酸铁混合盐溶液加入氨水清澈水溶液，溶胶，凝胶煅烧获取目标产物钡铁氧体粉末开始结束 图 1 铁氧体材料的制备工艺流程 第 5 期 磁条中的铁氧体材料制备工艺和磁性能研究 65 A的计算公式为 22DdAh (5)利用 SEM 分析材料的微观形貌，分析原理为：在阳极处施加电子束，扫描材料表面，形成二次电子，依据二次电子进行反馈成像，描绘材料的微观形貌。2 结果与讨论 2.1 不同煅烧温度的磁性能 以硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的比例为 131 为例，分析铁氧体材料的磁性能，材料磁导率分析结果如图 2 所示。(a)实部磁导率变化情况 (b)虚部磁导率变化情况 图 2 不同煅烧温度时材料的磁导率变化情况 分析图 2(a)可知，不同煅烧温度时，该材料s的整体变化趋势基本相同，当频率低于 100 MHz 时，材料的s均较稳定；当频率高于 200 MHz 时，材料的s均快速下降。综合分析可知，随着煅烧温度的提升，材料s值呈先上升后下降的趋势，当煅烧温度为 950时，s值最高，煅烧温度为 850,950,1050时，对应材料的s值差距并不大，为此，煅烧温度设定在 8501 050比较合适。分析图 2(b)可知，不同煅烧温度时，该材料g的整体变化趋势基本相同。当频率低于 100 MHz 时，材料的g均快速上升；当频率在 150 MHz 左右时，材料的g均升至最高，随后开始下降。综合分析可知，随着煅烧温度的提升，材料g值呈先上升后下降的趋势，不同煅烧温度时，材料的初始g值与最终g值均基本一致。以硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的比例为 131 为例，分析不同煅烧温度时，材料的磁化强度变化情况，分析结果如表 1 所示。表 1 磁化强度分析结果 煅烧温度/磁化强度/Am2kg-1 剩余磁化强度/Am2kg-1 750 75.88 45.24 850 79.15 46.62 950 81.99 48.18 1 050 79.15 48.02 1 150 67.54 40.57 表 1 中，剩余磁化强度获取过程为：将待测材料磁化以使其中的原子磁矩在一个方向上取向；施加一个消磁场，以逐渐减小材料的磁场；在消磁过程中，定期测量材料磁矩得到消磁后的磁矩强度，在磁场完全消失时停止测量；测量仍然存在的磁矩强度，即为剩余磁化强度。分析表 1 可知，随着煅烧温度的提升，材料的磁化强度先上升后下降，剩余磁化强度也先上升后下降，66 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 当煅烧温度为 950时，材料的磁化强度与剩余磁化强度均达到最大值。实验证明，适当提升煅烧温度，可提升磁力的磁化强度，即材料的磁性能。以硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的比例为 131 为例，分析不同煅烧温度时，材料前驱体的微观形貌，微观形貌变化情况如图 3 所示。10m10m10m(a)750 (b)850 (c)950 10m10m(d)1 050 (e)1 150 图 3 不同煅烧温度时材料前驱体的微观形貌变化情况 分析图 3(a)(e)可知，随着煅烧温度的提升，材料前驱体内晶粒尺寸不断变大，细节信息更加明显，说明提升煅烧温度，可促进材料前驱体内晶粒生长。以硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的比例为 131 为例，分析不同煅烧温度时，材料的tan与U，分析结果如表 2 所示。表 2 材料tan与U的变化情况 煅烧温度/tan 外径收缩率(%)内径收缩率(%)750 0.61 15.54 12.98 850 0.64 14.82 11.89 950 0.67 14.65 11.73 1 050 0.69 14.13 11.66 1 150 0.71 13.48 10.44 分析表 2 可知，煅烧温度越高，材料的tan值越高，材料的磁性能越佳，仅考虑tan，煅烧温度越高，材料的磁性能越佳。煅烧温度越高，材料外径、内径收缩率越小，材料的致密性越佳，原因是温度提升，导致材料内部结晶程度越明显，收缩率越小。在实际应用中，需要确保铁氧体材料较为平整，为此，不可一味提升煅烧温度，降低材料收缩率，需要选取合适的煅烧温度，确保收缩率足够小，又不影响材料外观的平整度。综合分析铁氧体材料的磁导率、磁化强度与收缩率等指标后，将煅烧温度设置在 8501 050最合适。2.2 不同硝酸钡与硝酸铁比例的磁性能 以柠檬酸的比例为 1，煅烧温度为 950为例，分析不同硝酸钡与硝酸铁比例材料磁导率的变化情况，分析结果如图 4 所示。分析图 4(a)可知，硝酸钡、硝酸铁、柠檬酸的比例为 131,161,191 时，s最大值为 280,325,355 H/m。分析图 4(b)可知，材料的g值变化幅度不大，仅有微小的上升，其中，比例为 191 时，材料的g值最大。第 5 期 磁条中的铁氧体材料制备工艺和磁性能研究 67 (a)实部磁导率变化情况 (b)虚部磁导率变化情况 图 4 不同硝酸钡与硝酸铁比例材料磁导率变化情况 综合分析可知，提升硝酸铁添加量，可提升铁氧体材料的磁导率，即提升材料的磁性能，最佳硝酸钡与硝酸铁比例为 19。2.3 不同柠檬酸添加量的磁性能 以硝酸钡与硝酸铁比例为 19，煅烧温度为 950为例，分析不同柠檬酸添加量时材料的磁性能，分析结果如图 5 所示。分析图 5 可知，随着柠檬酸添加比例的提升，材料的磁化强度与矫顽力，均先上升后下降，当添加比例为 1.2 时，材料磁化强度与矫顽力，均明显高于其余两个比例。实验证明，当柠檬酸添加比例为 1.2 时，材料的磁化强度与矫顽力均更高，即材料的磁性能更佳。3 结论 铁氧体材料的稳定性强、磁化强度高，属于较为重要的磁性材料。为进一步提升铁氧体材料磁化性能，加强其电磁波吸收能力，以硝酸钡、硝酸铁与柠檬酸为原料，研究铁氧体材料制备工艺和磁性能分析方法。通过此次研究，得出结论。（1）磁性材料的制备过程中，煅烧温度是制备良好磁性材料的重要因素之一。煅烧温度的提高可促进材料分子内部的化学反应和扩散过程，并提高材料的磁导率、磁化强度以及材料损耗角正切等性能。为确定最佳煅烧温度，进行了一系列试验研究，结果显示最佳煅烧温度区间为 8501 050。（2）研究不同比例的硝酸钡和硝酸铁以及柠檬酸对材料的磁性能产生的影响。实验结果表明，在硝酸钡和硝酸铁比例为 19，柠檬酸比例为 1.2 时，材料的磁性能最佳，表现为高磁滞回线、高磁导率和低磁化强度等特点。（3）实验结果表明，通过适当提高煅烧温度并调整不同化学物质的比例，可以制备出较好的磁性材料。在今后的磁性材料制备过程中，需要根据具体的材料要求灵活调整化学物质比例和煅烧温度，以获得最优的材料性能。参考文献：1 陈倩倩，马典，林盼盼，等.磁性微晶玻璃连接锂铁氧体接头组织演变及磁性能模拟J.机械工程学报，2022,58(04):34-40.2 高建明，杜宗沅，马舒佳，等.多金属共伴生矿产资源协同利用制备铁氧体材料及其应用研究进展J.功能材料，2020,51(11):11060-11068.3 鲜聪，罗建成，孔伟，等.低铁磁共振线宽BaFe12O19六角铁氧体的制备及其性能J.材料科学与工程学报，2021,39(06):879-883,936.4 张家瑞，田晓霞，蒙澳，等.钴铁氧体/聚吡咯复合材料的制备及电磁性能J.材料科学与工艺，2020,28(05):22-30.图 5 不同添加比例的磁滞曲线 68 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 5 牟春阳，曹晓晖，关山月，等.M型铁氧体结晶度分析及其对磁性能的影响J.电镀与精饰，2022,44(10):54-59.6 LUNA C,SILVA A L,FILHO E,et al.Preparation of flexible and magnetic PA6/SEBS-MA 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230601,China)Abstract：Using barium nitrate,iron nitrate and citric acid as raw materials,the preparation process of ferrite materials was designed according to the sol gel method to prepare ferrite materials.Through vibrating sample magnetometer,the magnetic permeability of ferrite materials prepared at different calcination temperatures and raw material proportions was analyzed.Analyze the microstructure of the material using a scanning electron microscope.Impedance analyzer is used to analyze the permeability of materials.Use a Hall effect tester to study the magnetic properties of ferrite materials.The experimental results show that when the calcination temperature increases from 750 to 1 150,the more sufficient the grain growth of the material is.The permeability and magnetization of the real part and imaginary part increase first and then decrease.When the calcination temperature is 950,the permeability and magnetization of the real part and imaginary part are the highest,at about 280 H/m,98 H/m and 81.99 Am2/kg.The calcination temperature is directly proportional to the material shrinkage rate.Comprehensive analysis of permeability,shrinkage and magnetization shows that the optimal calcination temperature is 850 to 1 050,at which time the magnetic properties of the material are optimal.Increasing the amount of barium nitrate added can enhance the magnetic permeability of the material,which means improving its magnetic properties.The optimal ratio of barium nitrate to iron nitrate is 19.Increasing the amount of citric acid added can optimize the magnetic properties of the material,with an optimal citric acid ratio of 1.2.Key words：ferrite material；preparation technology；magnetic properties；sol-gel method；barium nitrate；citric acid