M型鋇鐵氧體及其復(fù)合材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、M型鋇鐵氧體因其具有較大的矯頑力和磁能積、單軸磁晶各向異性、優(yōu)良的旋磁特性等特點，被廣泛用在永磁、吸波、高密度垂直磁記錄和微波毫米波器件等各個領(lǐng)域中。由于其燒結(jié)溫度一般都要超過1000℃，作為高頻材料應(yīng)用時，無法與現(xiàn)有的片式元器件制造技術(shù)——低溫共燒陶瓷與鐵氧體(LTCC)工藝相適應(yīng)；同時，隨著高新技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料的功能特性提出了更高、更嚴格的要求，M型鋇鐵氧體的性能多樣性尤其是在與高分子材料復(fù)合后所具有的特殊電磁性能及其應(yīng)用基礎(chǔ)

2、更是有待深入的研究。為此如何實現(xiàn)M型鋇鐵氧體的低溫共燒、改性及解決材料的多功能性問題成為了制約此類材料及相關(guān)元器件向小型化、高頻化、多功能化及高可靠性方向發(fā)展的技術(shù)瓶頸。 本文的研究工作正是圍繞M型鋇鐵氧體及其聚合物復(fù)合材料這一主體中的材料制備理論、復(fù)合方法、工藝及應(yīng)用而展開的。旨在通過理論分析、材料研制以及器件應(yīng)用驗證三位一體的研究模式，實現(xiàn)從材料微觀、宏觀性能的分析到材料研制途徑和工藝的優(yōu)化的綜合調(diào)控，重點探索M型鋇鐵氧體

3、材料及其復(fù)合材料的高頻與微波性能及其在LTCC高頻片式器件等領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)，為開發(fā)高性能的M型鋇鐵氧體材料、復(fù)合材料及實現(xiàn)其在高頻疊層片式元器件中的應(yīng)用奠定理論和實踐基礎(chǔ)。在理論研究方面，首先根據(jù)sol—gel法的基本原理從成膠的動力學(xué)與熱力學(xué)角度分析了決定合成低溫?zé)Y(jié)M型鋇鐵氧體材料的關(guān)鍵影響因素，然后又從物質(zhì)遷移的角度探討了促進M型鋇鐵氧體低溫?zé)Y(jié)和致密化的有效途徑。此外，為實現(xiàn)M型鋇鐵氧體的多功能化，從分子設(shè)計的思路出發(fā)，通過

4、復(fù)合手段來賦予材料導(dǎo)電及光敏特性，并結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值擬合的方法得到了相關(guān)復(fù)合材料的熱動力學(xué)方程，為提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性及加工性能提供了理論依據(jù)。在材料實驗研究方面，本文采用了溶膠—凝膠法，通過加入陰離子表面活性劑及配合超聲分散的方式，制備了粒徑范圍在60～80nm的M型鋇鐵氧體超細粉體。在此基礎(chǔ)上，利用原位聚合法將棒狀聚苯胺與M型鋇鐵氧體粉體進行復(fù)合，首次得到了棒狀導(dǎo)電磁性復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的磁電性能進行了深入的探索，為研制多功

5、能化的鐵氧體材料建立了一種新的實現(xiàn)途徑。研究發(fā)現(xiàn)萘磺酸(NSA)在該方法中起到了反應(yīng)控制劑及模板的作用，使得所形成的膠束能夠沿某一方向生長，最終形成棒狀結(jié)構(gòu)和殼—核包覆結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的電性能隨著BaFe12O19含量的增加呈先上升后下降趨勢，這是由于鐵氧體的絕緣特性以及部分導(dǎo)電通道被鐵氧體堵塞所造成。聚苯胺—鋇鐵氧體復(fù)合材料的Ms和Hc值均隨BaFe12O19含量的增加明顯下降。TG—DTG測試曲線表明：棒狀PANI/BaFe12O19

6、復(fù)合材料的熱分解所需要的能量要遠遠高于PANI，具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性，并通過建模及計算確定了其分解機理是三維擴散反應(yīng)。 根據(jù)有機光化學(xué)原理，通過有機功能材料的分子設(shè)計，設(shè)計了具有肉桂?；鶊F新型結(jié)構(gòu)的光敏性二胺。從有機合成的角度出發(fā)，成功地采用羥醛縮合技術(shù)與氨基保護技術(shù)，制備了此類光敏性二胺并通過溶液聚合法得到了相應(yīng)的光敏聚酰胺酸，其紫外可見最大吸收波長在365nm處，重均分子量為3319，耐熱溫度超過400℃，分辨率可達4um，初

7、步探索了納米鐵氧體微粉與光敏聚酰亞胺復(fù)合材料在構(gòu)筑磁性陣列方面的應(yīng)用。 在M型鋇鐵氧體低溫?zé)Y(jié)材料的研制過程中，根據(jù)M型鋇鐵氧體配方設(shè)計的基本原則，在sol—gel法制備的超細粉體的基礎(chǔ)上，通過加入助熔劑BBSZ來實現(xiàn)材料在900℃的燒結(jié)。并詳細研究了配方中BBSZ含量對材料燒結(jié)特性、微觀形貌及電磁性能的影響，確定了當(dāng)配方中BBSZ含量為2wt％時能較好的兼顧材料低溫?zé)Y(jié)和高電磁性能的目標(biāo)要求。此后通過對比實驗詳細研究了Co/T

8、i摻雜的低溫?zé)Y(jié)Ba(CoTi)xFe12-2xO19鋇鐵氧體，明確了獲得綜合磁電性能較佳的摻雜模式為：x=1+3wt％BBSZ，材料的磁導(dǎo)率為13.5，截止頻率可達800MHz以上。 為實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的M型鋇鐵氧體在高頻片式器件中的應(yīng)用，本文首先在分析了各種添加劑對流延漿料性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用自制的分散劑、黏合劑、增塑劑及有機溶劑，得到了較佳流延的配方為：每100.0g鐵氧體選用溶劑甲苯30.0g、乙醇20.0g、磷酸酯與

9、脂肪醇聚氧乙烯醚分散劑5.5g、鄰苯二甲酸丁酯增塑劑0.7g、聚乙烯醇縮丁醛粘結(jié)劑33.0g，粘度為2000cPs較佳。并通過流延膜片法從漿料配方角度解決了M型鋇鐵氧體與陶瓷兩相材料的匹配共燒問題。然后基于電磁場仿真的思想，借助HFSS軟件進行片式電感、濾波器結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化設(shè)計。明確了于2.52uH、截止頻率560MHz的0805型高頻片式電感，采取銀漿導(dǎo)體寬度200um，通孔半徑100um，鐵氧體膜片厚度27μm，保護層厚度130μ

10、m，有效圖形層23層；對于截止頻率為120MHz的0805型片式低通濾波器，電感采取銀漿導(dǎo)體寬度200um，通孔半徑100um，鐵氧體膜片厚度20μm，保護層厚度40μm，有效圖形層11層，電容采用7層極板，保護層厚度200μm、陶瓷膜片的厚度20μm。最后，采用自制的低溫?zé)Y(jié)Co/Ti摻雜鋇鐵氧體材料，按照優(yōu)化的片式元器件結(jié)構(gòu)，采用LTCC工藝進行了器件的研制工作。經(jīng)驗證，實際制備的高頻片式電感，截止頻率為548.3MHz，電感值為2