專利名稱：一種微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法
一種微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性材料及其制備方法，具體地說是一種微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法。二、背景技術(shù)
鐵氧體磁性材料主要包括尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型的多晶和單晶鐵氧體材料，其電阻率高、損耗小、介電性能和頻率特性好，是一類重要的磁性功能材料，在現(xiàn)代通訊、軍事、電子、信息、化工、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。
近年來，隨著各種微電子器件小型化和需求量急劇上升，“高貯能、低損耗、使用頻率高、穩(wěn)定性好”逐漸成為鐵氧體材料的發(fā)展方向之一。因此，在鐵氧體材料器件制備工藝中，如何提高鐵氧體材料的致密度，改善微觀結(jié)構(gòu)和組分的均勻性，并實(shí)現(xiàn)器件的一體化結(jié)構(gòu)，即磁介質(zhì)材料能夠與內(nèi)導(dǎo)體金屬(Ag，Cu等)共燒，對其性能和應(yīng)用有著十分重要的影響。然而鐵氧體材料內(nèi)導(dǎo)體熔點(diǎn)一般都較低(例如Ag的熔點(diǎn)為961°C)，因此，作為磁介質(zhì)的鐵氧體材料必須具有較低的燒結(jié)溫度。但是傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備的鐵氧體粉料，其燒結(jié)溫度一般在1200°C以上，燒成周期長，燒成過程中材料組分易偏析，材料內(nèi)部晶粒易異常生長，從而惡化鐵氧體的電磁特性，而且生產(chǎn)成本高、能耗大，因此必須設(shè)法降低其燒結(jié)溫度和燒成時(shí)間，改善其性能。三、發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是降低鐵氧體材料的燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間的同時(shí)提高鐵氧體材料的電磁性能。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法的特點(diǎn)在于將納米鐵氧體粉料與燒結(jié)助劑CuO混合后濕球磨并干燥后得到混合料，球磨采用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介質(zhì)為氧化鋯球，研磨助劑為無水乙醇，球磨時(shí)間為6小時(shí)，隨后80°C干燥對小時(shí)，然后向所述混合料中加入粘結(jié)劑聚乙烯醇，造粒得粒料；將所述粒料過200目篩，隨后以10-30MI^的壓力常溫預(yù)壓得預(yù)壓成型料，再將所述預(yù)壓成型料以200-300MPa的成型壓力常溫冷等靜壓成型得成型料；將所述成型料脫膠處理，然后置于微波燒結(jié)爐中于1000-120(TC空氣中微波燒結(jié)10-30分鐘，冷卻后即得成品；
其中燒結(jié)助劑CuO的添加量為納米鐵氧體粉料質(zhì)量的0. 2-0. 4% ；粘結(jié)劑聚乙烯醇的添加量為所述混合料質(zhì)量的3-7%。
本發(fā)明微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法的特點(diǎn)也在于所述納米鐵氧體粉料是噴射-共沉淀法合成的納米鐵氧體粉料，粒徑為10-30nm。
本發(fā)明微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法的特點(diǎn)也在于所述脫膠處理是在馬弗爐中以3-6°C /min的升溫速率升溫至400_600°C后保溫30-60min。
本發(fā)明微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法的特點(diǎn)也在于所述微波燒結(jié)的微波頻率為2. 45GHz。
本發(fā)明微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法的特點(diǎn)也在于微波燒結(jié)時(shí)的升溫速率為20-40°C /min。
與傳統(tǒng)鐵氧體材料制備工藝和技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在
1、本發(fā)明使用的噴射-共沉淀法合成的納米鐵氧體粉料可以解決傳統(tǒng)方法合成納米材料成本高、產(chǎn)量低等缺點(diǎn)。納米鐵氧體顆粒形狀完整、晶粒細(xì)小均勻、粒度分布窄；燒結(jié)活性高，有利于低溫下燒結(jié)高性能鐵氧體器件。
2、本發(fā)明充分利用納米鐵氧體粉優(yōu)異的燒結(jié)活性和鐵氧體磁性材料對微波具有良好的吸收特性，采用微波燒結(jié)工藝有效地改善了鐵氧體材料的燒結(jié)性能和電磁性能，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。
3、本發(fā)明運(yùn)用微波燒結(jié)工藝快速的加熱速度和獨(dú)特的加熱機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)鐵氧體材料較大體積區(qū)域中零梯度均勻加熱，有利于提高致密化速率，并有效地抑制鐵氧體材料晶粒異常生長，可以改善燒結(jié)過程中鐵氧體材料組分易偏析和晶粒異常長大而對材料結(jié)構(gòu)和電磁性能的不利影響。
4、本發(fā)明通過采用高活性納米鐵氧體粉體，調(diào)整燒結(jié)助劑種類及含量，可以實(shí)現(xiàn)鐵氧體磁介質(zhì)材料與內(nèi)導(dǎo)體金屬(Ag，Cu等)共燒，實(shí)現(xiàn)器件的一體化結(jié)構(gòu)，滿足微電子器件小型化需求。四

圖1為本發(fā)明使用的噴射-共沉淀法合成的納米Ni-Si鐵氧體粉料的TEM照片。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例采用不同燒結(jié)工藝得到的Ni-Si鐵氧體材料的SEM照片，其中圖2(a)是微波燒結(jié)法制備得到的Ni-Si鐵氧體材料；圖2(b)是現(xiàn)有技術(shù)高溫箱式爐燒結(jié)法制備得到的Ni-ai鐵氧體材料。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例不同燒結(jié)工藝得到的Ni-Si鐵氧體材料的復(fù)磁導(dǎo)率。其中圖 3(a)是不同燒結(jié)工藝Ni-Si鐵氧體材料復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部與頻率關(guān)系，圖3(b)是不同燒結(jié)工藝M-S1鐵氧體材料復(fù)磁導(dǎo)率的虛部與頻率關(guān)系。五具體實(shí)施方式
下面實(shí)施例進(jìn)一步介紹本發(fā)明，但是實(shí)施例不會構(gòu)成對本發(fā)明的限制。本發(fā)明技術(shù)方案中所列舉到的尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型三種類型鐵氧體材料都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以及尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型三種類型鐵氧體材料不同組分的上下限取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明；在此僅以尖晶石型m-ai鐵氧體材料為例列舉本發(fā)明實(shí)施例。
本發(fā)明實(shí)施例中使用的納米鐵氧體粉料是采用噴射-共沉淀法合成(典型噴射-共沉淀法合成納米鐵氧體粉體工藝見《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》，2007, 3 :391 394)，具體方法如下
以分析純NiCl2 · 6H20、ZnCl2 和 FeCl3 · 6H20 為原料，根據(jù)不同 NixZn1^xFe2O4 的配比稱量配料(即NiCl2 · 6H20、ZnCl2* FeCl3 · 6H20的摩爾比為χ l-χ 2)，溶解于去離子水中，控制反應(yīng)物金屬離子溶液濃度在0.6-0. 8mol/L (鎳、鋅、鐵離子的總濃度)；金屬離子溶液在高速氮?dú)鈿饬?3-5L/min)推動下沿管道流動，在三通處與氫氧化鈉溶液(濃度為 0. 8-1. 5mol/L)快速均勻混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，混合溶液最后噴射入反應(yīng)容器中生長，控制混合溶液PH值在6. 5-8. 0之間，混合溶液陳化24h后依次經(jīng)離心、洗滌、抽濾和空氣中干燥，再于500-700°C下煅燒1. 5h即可。煅燒得到納米鐵氧體粉體晶粒大小為10-30nm，顆粒為球形狀，粒度大小均勻，如圖1所示。
實(shí)施例1
取9. 8g納米Nia4Zna6Fii2O4鐵氧體粉料和0. 02g燒結(jié)助劑CuO粉料，將原料裝入聚四氟乙烯球磨罐，以無水乙醇為研磨助劑，球磨6小時(shí)，然后80°C干燥M小時(shí)，得混合料， 所用的納米Ma4Siaf^e2O4鐵氧體粉料的粒徑為10-30nm，顆粒為球形狀，大小均勻；向所得混合料中添加混合料質(zhì)量6%的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑進(jìn)行造粒得粒料，將所得粒料過200 目篩，隨后以30MPa的壓力常溫預(yù)壓得預(yù)壓成型料，再將所述預(yù)壓成型料以200MPa的成型壓力常溫冷等靜壓成型得成型料；將成型料置于馬弗爐中以3°C /min的升溫速率升溫至 500°C后保溫40min脫去粘結(jié)劑，得脫膠成型料；將脫膠成型料置于微波燒結(jié)爐中以20°C / min的升溫速率升溫至1140°C后保溫30min，冷卻后即得成品。
用Archimedes排水法測量密度。用美國Lakeshore 7307-9309振動樣品磁強(qiáng)計(jì)測量樣品室溫磁性能。本實(shí)施例制備的Nia4Zna6Fe2O4鐵氧體密度為5. 04g/cm3,飽和磁化強(qiáng)度為 74. 3A · m2 · kg-1。
實(shí)施例2
本實(shí)施例是實(shí)施例1的對比試驗(yàn)。
取9. 7g納米Nia4Zna6Fii2O4鐵氧體粉料和0. 03g燒結(jié)助劑CuO粉料，將原料裝入聚四氟乙烯球磨罐，以無水乙醇為研磨助劑，球磨6小時(shí)，然后80°C干燥M小時(shí)，得混合料， 所用的納米Nia4Siaf^e2O4鐵氧體粉料的粒徑為10-30nm，顆粒為球形狀，大小均勻；然后向混合料中加入混合料質(zhì)量5%的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，進(jìn)行造粒得粒料，所得粒料過200目篩，隨后以20MPa的壓力常溫預(yù)壓得預(yù)壓成型料，再將所述預(yù)壓成型料以300MPa的成型壓力常溫冷等靜壓成型得成型料；將成型料置于高溫箱式燒結(jié)爐中至1200°C后保溫120min， 冷卻后即得成品。
本實(shí)施例制備的Ni0.4Zn0.6Fe204鐵氧體密度為4. 87g/cm3,飽和磁化強(qiáng)度為 70. 4A · m2 · kg-1。
圖2是不同燒結(jié)方法制備的樣品的斷口表面形貌，從圖2可以看出，實(shí)施例1制備的微波燒結(jié)樣品明顯較傳統(tǒng)熱輻射傳熱燒結(jié)鐵氧體樣品結(jié)構(gòu)致密，且結(jié)構(gòu)均勻性好。微波燒結(jié)樣品平均顆粒尺寸約為2-3 μ m。
采用美國Agilent公司的HP 4294A Impedance Analyzer阻抗材料分析儀測定樣品的復(fù)磁導(dǎo)率和起始磁導(dǎo)率。圖3是不同燒結(jié)方法制得的Ma4Siaf^e2O4鐵氧體材料的磁導(dǎo)率，從圖中可以看出，在1200°C傳統(tǒng)燒結(jié)UOmir^Nia4Zna6Fi52O4鐵氧體初始磁導(dǎo)率μ i僅為124，而在1140°C微波燒結(jié)30min, Nia4Zna6Fe2O4鐵氧體初始磁導(dǎo)率μ i可達(dá)到437。由此可見，采用微波燒結(jié)納米鐵氧體粉體制備鐵氧體材料的結(jié)構(gòu)和性能均得到改善。
實(shí)施例3
取9. Og納米Nia5Zna5Fii2O4鐵氧體粉料和0. 02g燒結(jié)助劑CuO粉料，將原料裝入聚四氟乙烯球磨罐，以無水乙醇為研磨助劑，球磨6小時(shí)，然后80°C干燥M小時(shí)，得混合料，所用的納米Nia5Sic^e2O4鐵氧體粉料的粒徑為10-30nm，顆粒為球形狀，大小均勻；然后向混合料中加入混合料質(zhì)量6%的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，進(jìn)行造粒得粒料，所得粒料過200 目篩，隨后以30MPa的壓力常溫預(yù)壓得預(yù)壓成型料，再將所述預(yù)壓成型料以250MPa的成型壓力常溫冷等靜壓成型得成型料；將成型料置于馬弗爐中以3°C /min的升溫速率升溫至 600°C后保溫30min脫去粘結(jié)劑，得脫膠成型料；將脫膠成型料置于微波燒結(jié)爐中以30°C / min的升溫速率升溫至1140°C后保溫30min，冷卻后即得成品。
本實(shí)施例制備的Ni0.5Zn0.5Fe204鐵氧體密度為4. 92g/cm3,飽和磁化強(qiáng)度為 77. 4A · m2 · kg—1，Ni0.5Zn0.5Fe204 鐵氧體初始磁導(dǎo)率 μ i 為 361。
實(shí)施例1-3制備的Ni-Si鐵氧體材料的性能對比見表1。
表1傳統(tǒng)燒結(jié)和微波燒結(jié)納米M-Si鐵氧體粉體制備Ni-Si鐵氧體材料的性能
權(quán)利要求
1.一種微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法，其特征在于將納米鐵氧體粉料與燒結(jié)助劑CuO混合后濕球磨并干燥后得到混合料，然后向所述混合料中加入粘結(jié)劑聚乙烯醇，造粒得粒料；將所述粒料過200目篩，隨后以10-30MPa的壓力常溫預(yù)壓得預(yù)壓成型料， 再將所述預(yù)壓成型料以200-300MPa的成型壓力常溫冷等靜壓成型得成型料；將所述成型料脫膠處理，然后置于微波燒結(jié)爐中于1000-1200°C空氣中微波燒結(jié)10-30分鐘，冷卻后即得成品；其中燒結(jié)助劑CuO的添加量為納米鐵氧體粉料質(zhì)量的0. 2-0. 4% ；粘結(jié)劑聚乙烯醇的添加量為所述混合料質(zhì)量的3-7%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述納米鐵氧體粉料是噴射-共沉淀法合成的納米鐵氧體粉料，粒徑為10-30nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述脫膠處理是在馬弗爐中以 3-60C /min的升溫速率升溫至400-600°C后保溫30_60min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述微波燒結(jié)的微波頻率為 2. 45GHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于微波燒結(jié)時(shí)的升溫速率為20-40°C/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波燒結(jié)法制備高性能鐵氧體材料的方法，是將納米鐵氧體粉料與燒結(jié)助劑CuO混合后濕球磨并干燥后得到混合料，然后向混合料中加入粘結(jié)劑聚乙烯醇，造粒得粒料；將粒料過200目篩，隨后以10-30MPa的壓力常溫預(yù)壓得預(yù)壓成型料，再將預(yù)壓成型料以200-300MPa的成型壓力常溫冷等靜壓成型得成型料，隨后脫膠處理，然后置于微波燒結(jié)爐中于1000-1200℃空氣中微波燒結(jié)10-30分鐘，冷卻后即得成品。本發(fā)明工藝簡單，生產(chǎn)周期短，具有升溫速度快、加熱時(shí)間短、燒結(jié)溫度低、材料較大體積區(qū)域中實(shí)現(xiàn)零梯度均勻加熱、高效節(jié)能的特點(diǎn)，燒成鐵氧體材料具有較佳性能，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
文檔編號C04B35/26GK102503393SQ20111032694
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者丘泰, 劉銀, 張明旭, 朱金波, 閔凡飛 申請人:安徽理工大學(xué)