Al3+替代Fe3+对高频大功率NiZn铁氧体性能的影响

訾振发，王佩红，周圣明，胡国光，尹 平

（安徽大学 物理系，安徽合肥 230039）

摘 要：采用化学共沉法制备了Ni0.6Zn0.4Fe2－xAlxO4（x=0~0.12）纳米粉体，用XRD分析了粉体物相；测量了样品的居里温度Tc、起始磁导率μi 、矫顽力Hc 、电阻率ρ、介电损耗角正切 tanδe和磁损耗角正切 tanδm、摆幅磁感应强度△B。结果表明：样品均为单相的尖晶石结构。Al3+有效地抑制了Fe2+的产生，使NiZn铁氧体的电阻率ρ增大，介电损耗角正切tanδe和磁损耗角正切tanδm下降，Al3+替代Fe3+，居里温度Tc 和摆幅磁感应强度△B仍保持较高的数值。这种方法是一种提高高频大功率 NiZn 铁氧体性能的有效方法。
关键词：NiZn铁氧体；化学共沉法；居里温度；磁导率；介电损耗和磁损耗

1引言
如果在高频大磁场应用场合使用普通高频NiZn铁氧体磁芯，当通过磁芯线圈的电流达安培量级时，由于损耗加大，磁芯发热使温度剧升，磁芯极易“爆裂”或通不过信号。这是在高频强磁场中磁芯的不可逆壁移产生的磁滞损耗和介电损耗突然增大引起的。因此，在高频大磁场中使用的大功率NiZn铁氧体，必须具有高的电阻率和大的摆幅磁感应强度△B(=Bs+Br)以及低的损耗和矫顽力。以往人们采用特殊工艺和掺Cu2+和Co2+使畴壁冻结，使不可逆壁移所需的磁场即材料磁损突增的临界磁场hc增大，从而降低铁氧体在高频大磁场下的损耗等方面已做了大量的工作[1~4]，本文研究探讨用Al3+替代部分Fe3+对NiZn铁氧体的结构参数和一些磁性能造成的影响。
2 实验
2.1化学共沉法制备粉料
为了研究Al3+替代Fe3+对高频大功率NiZn铁氧体性能造成的影响，我们以

为基本配方，选取x分别为0， 0.03， 0.06， 0.09， 0.12，用化学共沉法制备多晶样品。共沉反应的离子方程式为：

根据上述方程式和基本配方，计算所需要的硫酸盐和草酸铵。分别把它们制成溶液，并分别加热到60℃使它们充分溶解。在草酸铵溶液中加入适量的草酸适当降低共沉液的pH值。即按照下列工艺流程进行：配料、共沉（pH=10~12，搅拌30min，静置2h，冷却至室温）、过滤、清洗（6~7次，至溶液pH=7）、烘干、预烧（900℃×2h）、破碎、粉料、制粒、成型，压成?20×? 9×6MMMmm的磁环样品，最后在空气中1460℃烧结样品。
2.2样品的检测
用MXP18AHF转靶X射线衍射仪(CuKα射线源)检测样品的微结构和相的纯度；用LCCG-1型电感电容测量仪测样品电感L，计算起始磁导率μi，配以电脑控制的加热器测μi~T曲线，以确定居里温度TC；用AV-3691型射频阻抗分析仪在1MHz~1.8GHz频率下测量样品的介电损耗角正切tanδe和磁损耗角正切tanδm；用NF-2678型绝缘电阻测试仪测量样品的直流电阻率ρ；用TYU-2000型磁性材料自动测量装置测量样品的摆幅磁感应强度ΔB和矫顽力Hc。
3 实验结果与讨论
3.1结构参数的测定
图1为各样品的X射线衍射谱，几乎看不到任何杂相，表明样品的单相性很好，均为单相的尖晶石结构。由此得知Al3+替代Fe3+并没有改变NiZn铁氧体的晶体结构。

根据X射线衍射谱及布拉格反射方程计算了掺入Al3+后的NiZn铁氧体的晶格常数a，计算结果见表1。根据图1，我们利用Scherrer公式计算样品的晶粒尺寸，计算结果也列入表1中。
由表1可以看出：样品的晶粒尺寸D已经达到纳米级；并且随着掺入量x的增大， D依次减小。这是因为Al3+含量不是很大，且均匀地分布在样品中，发生固相反应时，能阻止晶粒成长，使晶粒细密。
由表1还可以看出：在Ni0.6Zn0.4Fe2－xAlxO4铁氧体中，Al3+替代Fe3+造成晶格常数减小，这与Al3+的离子半径(0.057nm)小于Fe3+的离子半径(0.067nm)有关，在其他铁氧体材料也发现有类似的情况[5]。但是，随着替代量x的增大，被Al3+替代后的NiZn 铁氧体的晶体结构并没有改变。



3.2 Al3+对居里温度Tc的影响
图2为在1460℃烧结样品的μi~T曲线，它清楚地表明：随着Al3+掺入量x的增加，居里温度Tc下降，但都保持较高的值，在310℃以上。因此，掺杂Al3+后的NiZn铁氧体非常适合高频大功率场合应用。



　

因为Al3+是非磁性离子，而且择尤占据B位。随着掺入量x的增加，B位上的磁性离子数逐渐减少，即能产生A-B超交换作用的磁性离子对减少，这样就减弱了A-B超交换作用，最终表现为居里温度Tc下降。
3.3 Al3+对电阻率ρ和介电损耗角正切tanδe的影响
随着Al3+掺入量x的增加，铁氧体的电阻率ρ上升，几乎达到了109Ω·cm量级，而且其介电损耗角正切tanδe减小，如图3所示。在各类铁氧体中，Fe3O4的电阻率最低，因为在八面体位存在等量的Fe2+和Fe3+，电子在它们之间发生“蛙跳”现象，激活能很低，很易进行。一般铁氧体为过铁配方，多余的Fe2O3在烧结过程中生成Fe3O4，固溶在铁氧体中，势必造成电阻率下降。本实验用Al3+ 替代Fe3+并在空气中充分烧结，有效地抑制了Fe2+的生成，因此铁氧体的电阻率ρ增大。对于高电阻率的铁氧体材料，介电损耗角正切（ε’为介电常数实数部分），铁氧体的介电损耗角正切tanδe随电阻率ρ增大与我们的实验结果也说明了这一点。同时，铁氧体电阻率ρ的增大也会导致铁氧体涡流损耗减小。



3.4 Al3+对起始磁导率μi和磁损耗角正切tanδm的影响
如图4所示，随着Al3+掺入量x的增大，铁氧体的起始磁导率μi是下降的。根据经典磁学理论，材料的起始磁导率μi与其饱和磁化强度Ms的平方成正比。Al3+是非磁性离子，而且择尤占据B位。因此Al3+替代Fe3+会引起B位磁矩下降，从而导致材料的饱和磁化强度Ms下降。于是起始磁导率μi随Al3+掺入量x的增大而下降。另一方面，由3.3节可知电阻率ρ随Al3+掺入量x的增大，使涡流损耗减小，因此磁损耗角正切tanδm随着Al3+掺入量x的增大而下降。



3.5 Al3+对矫顽力Hc的影响
如图5所示，随着Al3+掺入量x的增加，铁氧体的矫顽力Hc趋于减小，但是变化幅度不大。
根据磁学理论，矫顽力Hc与饱和磁化强度Ms成反比，3.4节已提及，样品的Ms随Al3+掺入量x的增大而减小，因此，矫顽力Hc应该增大，不能解释矫顽力Hc减小这一实验结果。
矫顽力Hc下降估计与纳米晶粒间的交换耦合作用有关，粒径越小，这种晶粒间的交换耦合作用就越强，其结果是使样品的矫顽力Hc减小。由表1可知，样品的粒径随Al3+掺入量x的增大而减小，因此可解释这一实验结果。
3.6 Al3+对摆幅磁感应强度△B的影响
含不同Al3+掺入量x样品的摆幅磁感应强度△B的变化曲线如图6所示，在x=0~0.06范围内，随着Al3+掺入量x的增加，摆幅磁感应强度△B略有变化，但其值依然保持很大，比一般大功率NiZn铁氧体高。这是因为Al3+是非磁性离子，Al3+占据B位，B位上磁矩下降，饱和磁感应强度减小，摆幅磁感应强度△B也应减小。同时，Al3+掺入铁氧体后，晶粒变得细密而均匀，从而铁氧体Bs 增大，故摆幅磁感应强度△B增大[2]，如图6所示。但变化不是很明显，与同类材料相比，此材料△B较高，都在600mT以上，比较适合应用于高频大功率领域。





4 结论
采用化学共沉法制备的Ni0.6Zn0.4Fe2－xAlxO4样品均是单相的尖晶石结构；随着Al3+掺入量x增加，样品的晶粒尺寸D和晶格常数a都有减小的趋势。另外，掺入Al3+后的NiZn铁氧体磁学性能也有不同程度的改善：提高了样品的摆幅磁感应强度△B，使铁氧体的电阻率ρ增大，磁损耗tanδm和介电损耗tanδe下降，居里温度Tc和起始磁导率μi也都保持较高的数值。当晶粒减小到纳米级时，材料的磁性能也发生了显著的变化。因此，掺杂Al3+是改进高频大功率NiZn铁氧体的一种有效方法。

参考文献

胡国光. 磁性材料[M]. 合肥: 安徽大学出版社， 1990: 154~159.
胡国光， 姚学标， 尹平， 等. [J]. 功能材料， 1995， 26(3): 248.
王丽， 周庆国， 李发伸.[J]. 磁性材料及器件，2000， 31(3): 6.
姚志强， 王琴， 钟炳. [J]. 磁性材料及器件，1999， 26(1):32.
Radic D， et al. [J]. J Magn Magn Mater， 2001， 232:1.