穩(wěn)恒磁場下制備鐵氧體材料的基礎研究.pdf

1、本論文以鐵氧體（錳鋅鐵氧體和鋇鐵氧體）為研究對象，以這兩種材料制備工藝過程為主線，開展了穩(wěn)恒磁場下組成錳鋅鐵氧體的單離子(Fe3+、Mn2+和Zn2+)沉淀過程、共沉淀法制備錳鋅鐵氧體過程、水熱法制備鋇鐵氧體過程、錳鋅鐵氧體燒結過程，以及鋇鐵氧體取向壓制-燒結過程的研究。
　　 論文第一部分對穩(wěn)恒磁場下濕法制備錳鋅鐵氧體和鋇鐵氧體過程、以及組成錳鋅鐵氧體的單離子（Fe3+、Mn2+和Zn2+）的沉淀過程展開了研究。上述濕法制備過

2、程和沉淀過程實際上也是化學反應過程，穩(wěn)恒磁場的施加不但影響上述過程的動力學行為，對其熱力學行為也將產生影響。因此，本文進一步從磁吉布斯自由能的角度，對磁場影響化學反應趨勢的行為展開了探討。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，在Fe3+溶液（反應溫度：40℃）采用NaOH溶液沉淀的過程中施加穩(wěn)恒磁場時，隨著磁感應強度的增加，F(xiàn)e3+沉淀產物的物相將由α-FeOOH向γ-FeOOH和δ-FeOOH方向轉變，在某一磁感應強度下，還獲得了某一中間態(tài)的Fe

3、1.833(OH)0.5O0.25。這表明磁場的施加，可以改變Fe3+離子沉淀反應的趨勢，即影響反應熱力學。本文進一步采用改進的Gouy法測定了不同反應產物的磁化率，和結合文獻報道的反應物和反應產物的磁化率數(shù)據，對Fe3+離子沉淀反應的磁吉布斯自由能差值進行了計算，并與該化學反應的標準吉布斯自由能差值進行對比，結果表明，對于Fe3+離子沉淀生成α-FeOOH反應式而言，其磁吉布斯自由能的差值為正值，表明磁場的施加不利于該沉淀反應進行；而

4、對Fe3+離子沉淀生成γ-FeOOH和δ-FeOOH反應而言，施加磁場使得反應式的磁吉布斯自由能迅速變負，從而有利于該化學反應的進行；當磁感應強度達到10T量級時，上述化學反應的磁吉布斯自由能差值可以達到數(shù)百kJ/mol，與該反應的標準吉布斯自由能相當，其影響是顯著的。分析結果表明，即使在較低的磁場下，整個反應的磁吉布斯自由能差值的正負仍然影響化學反應進行的方向。這是本文的一個重要發(fā)現(xiàn)。
　　 采用同樣的方法，對不同磁場下的Mn

5、2+離子和Zn2+離子沉淀產物、錳鋅鐵氧體的共沉淀制備過程、鋇鐵氧體的水熱法制備過程中產物的演變規(guī)律進行了分析，均表明磁場的施加明顯影響了化學反應的吉布斯自由能，從而影響了化學反應的方向?；瘜W反應中的產物相的磁性越強，則化學反應產物的磁吉布斯自由能更負，整個化學反應的磁吉布斯自由能也更負，那么磁場的施加有利于化學反應朝生成該產物方向進行。
　　 本文進一步考察了穩(wěn)恒磁場對共沉淀法制備錳鋅鐵氧體和水熱法制備鋇鐵氧體產物物相、形貌和

6、磁性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：
　　 對于穩(wěn)恒磁場下共沉淀法制備錳鋅鐵氧體
　　 1)無磁場下，隨著反應溫度的升高，F(xiàn)e3+、Mn2+和Zn2+離子共沉淀反應向單相錳鋅鐵氧體方向進行得更為完全。因此，95℃的反應溫度較80℃的反應溫度下獲得沉淀產物的晶化程度更高、飽和磁化強度也顯著增強。
　　 2)穩(wěn)恒磁場的施加，使Fe3+、Mn2+和Zn2+離子共沉淀反應進程得到加速，共沉淀產物的飽和磁化強度也有很大的提高，說明共沉

7、淀產物中的單相錳鋅鐵氧體含量增加，其晶化程度也得到改善。在95℃溫度下，由于共沉淀反應已進行得較為完全，磁場的影響作用下降，但所獲產物的飽和磁化強度仍提高，當磁感應強度達到0.5T后，磁場的作用則已近飽和。
　　 3)6T磁場95℃6.0h反應條件下，共沉淀獲得了直徑約10nm的單晶錳鋅鐵氧體納米線。而無磁場下獲得約20nm的立方錳鋅鐵氧體顆粒。
　　 對于穩(wěn)恒磁場下水熱法制備鋇鐵氧體
　　 1)無磁場下48.0

8、h不同反應溫度水熱法制備鋇鐵氧體時，120℃和150℃水熱法產物主要是粒徑約為8～10nm的BaFe2O4，此外，同時還有少許的BaFe12O19，產物磁性呈超順磁性；180℃和210℃水熱法產物主要是厚度約為0.5～1μm六方片狀BaFe12O19，其粒徑約為8～10μm,BaFe2O4的含量很少甚至消失，產物均具有典型的硬磁特性。水熱反應溫度的升高有利于BaFe12O19的生成。
　　 2)施加0.5T磁場后，片狀鋇鐵氧體的

9、尺寸變小，在180℃和210℃反應溫度下，施加磁場后，片狀鋇鐵氧體顆粒的粒徑由無磁場時的8～10μm降低到20～40nm。0.5T磁場下獲得產物均呈現(xiàn)超順磁性，且隨著反應溫度的升高，鋇鐵氧體的矯頑力有一定的增加。
　　 3)無磁場下(180℃)，隨反應時間的增加，水熱反應BaFe12O19方向進行愈趨完全且獲得的水熱反應產物呈典型的硬磁特性，其矯頑力有一定的增加。施加0.5T磁場時，隨反應時間的增加，水熱反應產物中棒狀鋇鐵氧體的

10、數(shù)量逐漸增加，同樣，反應產物呈現(xiàn)超順磁性，產物的矯頑力有一定程度的增加。
　　 4)48.0h180℃水熱法制備鋇鐵氧體時，隨著磁感應強度的增加，水熱反應產物中的棒狀BaFe12O19的比例呈增加趨勢。當磁感應強度達到10T時，可獲得直徑約100nm以內長度數(shù)十微米的納米棒狀單晶BaFe12O19。不同磁感應強度下獲得的水熱反應產物均呈現(xiàn)順磁性。
　　 論文第二部分對穩(wěn)恒強磁場下錳鋅鐵氧體的燒結過程展開了實驗研究。主要考

11、察了磁感應強度對錳鋅鐵氧體形貌和磁性能的影響規(guī)律。研究結果表明：
　　 隨著磁感應強度的增大，磁場促進錳鋅鐵氧體(511)晶面沿磁場方向發(fā)生明顯取向。同時，磁場也促進了燒結過程中的原子擴散，從而使得MnFe2O4和ZnFe2O4互相固溶形成錳鋅鐵氧體的致密化程度得到了提高，這都有利于提高錳鋅鐵氧體磁性能。與無磁場下燒結錳鋅鐵氧體的磁性能比較，8T磁場下燒結的錳鋅鐵氧體具有更高的飽和磁化強度和更低的剩余磁化強度，其相對磁導率也提高

12、了129.7％。對于8T磁場下燒結的錳鋅鐵氧體，平行磁場方向上的飽和磁化強度較垂直磁場方向上的飽和磁化強度提高了7.56％，而剩余磁化強度降低了48.19％。
　　 論文第三部分對穩(wěn)恒強磁場下壓制-燒結鋇鐵氧體過程展開了試驗研究。主要考察了磁感應強度因素對強磁場取向壓制的鋇鐵氧體磁性能的影響規(guī)律以及對其晶體取向和組織結構的影響規(guī)律。研究結果表明：
　　 強磁場下壓制鋇鐵氧體時，由于強磁場極強的磁力效應，使得鋇鐵氧體粉末壓

13、制時，鋇鐵氧體晶體的易磁化軸沿磁場方向發(fā)生取向，對硬磁材料而言，這種晶體的取向導致材料整體的磁各向異性；而發(fā)生取向的鋇鐵氧體排列更為整齊，使得燒結體的致密化程度得到提高，從而導致磁性能的增加。與無磁場下壓制鋇鐵氧體的形貌相比較，10T磁場下壓制鋇鐵氧體孔洞減少，其致密化程度得到明顯地提高，鋇鐵氧體平行于壓制磁場方向上的磁性能得到了大幅度地提高，特別是最大磁能積(BH)max提高了22.9％。這表明，強磁場輔助壓制鋇鐵氧體，有利于獲得各向