硼添加對(duì)BaFe12O19鋇鐵氧體磁性能的影響

黃文娟,倪江利

安徽三聯(lián)學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，合肥,230601

M型鋇鐵氧體(BaFe12O19)是磁鉛石型鐵氧體，由于具有較高的單軸各向異性，較大的矯頑力,常作為永磁材料[1]。離子摻雜是一種可顯著調(diào)節(jié)鋇鐵氧體電、磁學(xué)性能的重要手段，如TiCo摻雜可以在很大的范圍里改變M型鋇鐵氧體的矯頑力，使它適合作為磁記錄材料使用。進(jìn)一步的TiCo摻雜,發(fā)現(xiàn)M型鋇鐵氧體的磁晶各向異性從單軸型轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嫘?，可以作為高頻軟磁使用。但過多的Fe離子被TiCo離子取代，會(huì)明顯降低鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度，導(dǎo)致材料的截止頻率降低。以B3+替代M型BaFe12O19中的Fe3+，可以使其矯頑力降至5 Oe，但飽和磁化強(qiáng)度的下降并不明顯[7]，如此低的矯頑力的鐵氧體完全可以作為高頻軟磁使用。從獲得具有較高飽和磁化強(qiáng)度的高頻軟磁材料的角度出發(fā)，本文研究了不同量硼添加M型鋇鐵氧體的磁性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

以分析純BaCO3和Fe2O3為原料，按BaFe12O19分子式的化學(xué)配比稱量原料，并在瑪瑙研缽中研磨3 h使原料混合均勻，在100 0℃下預(yù)燒3 h。將預(yù)燒料二次研磨后分成5份，再分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%的H3BO3后混合均勻，添加5%的PVA溶液作為粘接劑，在25 MPa壓強(qiáng)壓制成環(huán)狀生坯，在1 250℃高溫?zé)Y(jié)3 h，隨爐冷卻至室溫后取出。采用PPMS測(cè)試樣品的磁滯回線，采用BH分析儀測(cè)量樣品磁導(dǎo)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁滯回線及飽和磁化強(qiáng)度Ms

圖1是添加和不添加3%H3BO3時(shí)M型鋇鐵氧體的磁滯回線,可以看出，在測(cè)試磁場范圍內(nèi)，M型鋇鐵氧體的磁化均未達(dá)到飽和。為了獲得樣品的飽和磁化強(qiáng)度，使用趨近飽和定律

(1)

圖1 不添加和添加3%H3BO3的M型鋇鐵氧體的磁滯回線

圖2 添加3%H3BO3的鋇鐵氧體的磁化強(qiáng)度與外磁場的測(cè)量結(jié)果

圖3 鋇鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度隨添加H3BO3含量的變化

2.2 矯頑力Hc

圖4是鋇鐵氧體的矯頑力隨添加劑H3BO3含量的變化圖。矯頑力Hc在添加H3BO3后迅速下降，但隨著H3BO3含量繼續(xù)增加下降平緩，最終達(dá)到100 Oe左右，但沒有像文獻(xiàn)[7]中降到更小(<5 Oe)。矯頑力受到磁晶各向異性和晶粒尺寸的影響，由于硼的氧化物是低熔點(diǎn)材料，有促進(jìn)固相反應(yīng)的作用，因此,在相同的溫度下燒結(jié)，添加H3BO3的樣品應(yīng)該具有更大的晶粒尺寸。Hc迅速減小歸因于晶粒尺寸的增大，排除磁晶各向異性影響的原因在下文中討論。

圖4 鋇鐵氧體的矯頑力隨添加H3BO3含量的變化

2.3 磁晶各向異性常數(shù)K

對(duì)于具有單軸各向異性的M型鋇鐵氧體而言，前面對(duì)磁化曲線數(shù)據(jù)的擬合中不僅可以得到飽和磁化強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，還可以獲得擬合直線的斜率b,它與材料的磁晶各向異性常數(shù)K密切相關(guān)[8]。平均磁晶各向異性常數(shù)K的計(jì)算公式為：

(2)

圖5 鋇鐵氧體的磁各向異性能隨添加H3BO3含量的變化

2.4 軟磁性質(zhì)

測(cè)量了不同H3BO3添加的M型鋇鐵氧體的初始磁導(dǎo)率μi，其數(shù)值在3左右，作為軟磁材料使用，μi值偏低，最主要原因就是添加H3BO3并沒有導(dǎo)致材料的磁晶各向異性常數(shù)減小。由于M型鋇鐵氧體的磁晶各向異性常數(shù)大，理論上，軟磁鐵氧體疇壁轉(zhuǎn)動(dòng)引起的初始磁導(dǎo)率μi為：

μi=1+μ0Ms2/3K

(3)

將Ms=360 KA/m，K=180 KJ/m3代入上式得到μi約為1.2，比測(cè)量結(jié)果小。考慮到μi的貢獻(xiàn)主要來自于疇壁移動(dòng)和疇壁轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，疇壁移動(dòng)對(duì)μi的貢獻(xiàn)與疇壁轉(zhuǎn)動(dòng)的相當(dāng)，也表明材料中疇壁移動(dòng)的阻力。從對(duì)材料K值的影響中得出，進(jìn)一步增大添加量，可以明顯減小K值，對(duì)提高磁導(dǎo)率有利。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，H3BO3添加量超過4%后，鐵氧體在燒結(jié)過程中容易開裂，這可能是晶格畸變的結(jié)果，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)沒有開展。下一步的工作準(zhǔn)備研究B-Co-Ti聯(lián)合替代M型鋇鐵氧體的磁性能，希望在保持M型鋇鐵氧體的具有較高飽和磁化強(qiáng)度的情況下，材料仍具有較大的初始磁導(dǎo)率。

3 結(jié) 論

采用固相反應(yīng)法制備鋇鐵氧體，并用B3+代替Fe3+,通過對(duì)樣品的磁性能檢測(cè)與計(jì)算，可知Ms隨摻雜量增加先上升后下降，在1%至2%之間達(dá)到最大值368 KA/m；Hc隨H3BO3摻雜量增加迅速下降至100 Oe左右；K值在1%至3%變化起伏較小，但達(dá)到4%時(shí)迅速降到120 KJ/m3。

由于H3BO3摻雜并不能有效降低鐵氧體的磁晶各向異性能，鐵氧體的初始磁導(dǎo)率偏低，作為高頻軟磁使用，需要進(jìn)一步提高初始磁導(dǎo)率?？梢钥紤]B-Co-Ti聯(lián)合替代M型鋇鐵氧體以達(dá)到提高初始磁導(dǎo)率的同時(shí)仍然具有較高的飽和磁化強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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[8]劉先松,都有為.M型鋇鐵氧體的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].磁性材料及器件,2001,32(1):27-32