Mn-Zn 铁氧体制备工艺及其结构研究：化学共沉淀法与氧化物法的比较

Mn-Zn 铁氧体制备工艺及其结构研究：化学共沉淀法与氧化物法的比较

锰锌铁氧体的制备工艺及结构 南昌大学第12届（工学版） (&) 第1卷第31期2009年12月第4期 文章号：1006-0456 (2009) 04-0393～05 锰锌铁氧体的制备工艺及结构 (南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌) 摘要：以氧化锌、硫酸锰和硝酸铁为主要原料，采用化学共沉淀法制备锰锌铁氧体前驱体粉末，以三氧化二铁、氧化锌和二氧化锰为主要原料，采用传统氧化物固相烧结工艺制备氧化物法前驱体粉末。对样品的晶体结构、微观结构和热性能进行了表征和分析，结果表明，烧结样品形成了良好的尖晶石结构铁氧体。 共沉淀法制备的样品在1250℃烧结4h时晶粒最细小、最均匀，密度和居里温度均达到最大值。4℃烧结4h时固相反应最完全。传统氧化物法制备的样品在4℃烧结4h时固相反应最完全。共沉淀法和氧化物法制备的样品的晶胞体积与理论值相比均有所扩大，在4℃时晶格常数和晶胞体积最大。关键词：锰锌铁氧体Mn—ZnFeO；化学共沉淀法；氧化物法；居里温度；晶体结构。中图分类号：TM271。

2 文献标识码：nofMn——-—sheng,—de,—you,-Well,LIWen—shan(,,,China):,,—。 —-,。

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:;;;与金属磁性材料相比，铁氧体具有电阻率大、介电性能好、高频下磁导率高等优点。随着科学技术的发展，铁氧体不仅在通讯广播、自动控制、计算技术、仪器仪表等电子工业部门得到日益广泛的应用，成为不可缺少的元器件，而且在宇宙航行、卫星通讯、信息显示、污染处理等方面也开辟了广阔的应用空间。锰锌铁氧体又称磁性陶瓷，主要是由尖晶石结构?nZn—Fe:0和少量Fe、O组成的单相固溶体。与金属磁性材料相比，它具有电阻率大、涡流损耗小等特点。由于它具有磁导率高、矫顽力低、功耗小等物理化学性能，在电子工业中得到广泛的应用，主要用来制造高频变压器、传感器、录音磁头和滤波器等。

用锰锌铁氧体磁性材料制成的电感器磁芯及磁性器件，应用频率从几百赫兹到几千兆赫兹，是最主要的软磁铁氧体材料，其产量占软磁铁氧体磁性材料总产量的60%以上。本文首次采用不同的方法制备铁氧体前驱体粉末，并对制备的样品的结构进行对比，寻找更优的制备方法。同时对各种方法制备的烧结样品的性能进行分析比较，从而探索出一种改善锰锌铁氧体性能的工艺方法，以达到提高锰锌铁氧体性能的目的。 实验过程1.1共沉淀法制备铁氧体前驱体粉末根据目前高功率铁氧体的最佳配方(质量百分比为m(Fe2O3):m(MnO2):m(ZnO)=71.5:21.6:6.9)，根据化学式及化学反应方程式计算共沉淀法所需的硝酸铁、硫酸锰、硫酸锌和氢氧化钠的质量，用电子天平称量。将称量的硝酸铁、硫酸锰、硫酸锌用蒸馏水完全溶解，将烧杯置于KB-250E超声波清洗器中，加热至65并保温。开启超声波振荡，将氢氧化钠溶液迅速加入烧杯中并用玻璃棒搅拌，反应1h后取出，室温下静置3h。用去离子水洗5次，乙醇洗1次，用SHB-循环多用真空泵过滤。 放入101型数显恒温鼓风干燥箱(180cC)烘烤3小时，干燥后研磨成粉末，即得铁氧体前驱体粉末。

1.2 氧化物前驱体粉末的制备 按照文献[8]中的配比，制备50 g氧化物粉末。用电子天平称取所需原料，研磨1.5 h，即可得到所需的氧化物干预烧料。 1.3 样品的预烧、成型与烧结 将制备的两种氧化物粉末分别研磨1.5 h。将四份氧化物干粉放入SX2-4-10电阻炉中预烧3 h，预烧温度分别选定为850 oC、900 oC、950 oC、1000 oC。将研磨好的粉末全部放入SX2-4-10电阻炉中预烧3 h，随炉冷却至室温。将两种预烧料研磨两次，每次1.5 h。 将最后磨细的粉末在12mln模具、6MPa压力下压制成型，得到共沉淀法和氧化物法样品5个。将10个样品放入箱式电炉中烧结，随炉冷却至室温。1.4样品的表征利用X射线衍射仪分析样品的图像和结构。X射线衍射测试采用Cu Kcx线作为辐射源，在室温下采用步进扫描采集数据，步进为0.02°，积分时间为1S，扫描范围为20°～80°，管电压为40kV，电流为40mA。利用HTI'ACHIS 3000N扫描电子显微镜（SEM）分析样品的表面微观结构。利用性能分析仪对样品进行差示扫描量热法和热重同步分析。

升温速率为15/min，升温范围为20～1000℃，保护气体为氩气。采用称重法计算样品的密度，计算公式为：图1为氧化法样品在850℃、900℃、950℃预烧的X射线衍射图。由图1可知，在850℃时已经有尖晶石相生成，随着预烧温度的升高，尖晶石相的峰更加明显，但生成的尖晶石相应控制在一定的相对较小的比例范围内，这样有利于提高制品的致密度，控制收缩，减少变形。在预烧温度900℃时粉末形成了适量的尖晶石相，在900℃以上有少量的杂质相生成。 因此预烧温度900℃时有利于烧结过程中固相反应，离子扩散，晶粒长大，降低孔隙率，提高致密度。5. lLu..2a/(.)不同预烧温度下Mn-Zn铁氧体X射线衍射图图~—不同制备方法制备的样品在不同烧结温度下的XRD图。从图中可以看出，两种方法制备的样品除了所需的尖晶石相外，还有O/-FeO峰及其它小杂质峰。随着烧结温度的升高，Ot-FeO峰逐渐减弱，少量杂质峰逐渐消失。

这表明在1220℃时反应尚未完全，氧化物法制备的样品在1220℃时尖晶石相衍射峰最强，而O/-Fe：O峰和杂质峰相对较弱。共沉淀法。201(.)不同温度烧结4h样品的X射线衍射图谱图—同时，在相同条件下，对比两种方法制备的样品的XRD衍射图谱（图3）。可以看出，共沉淀法制备的样品的尖晶石相峰强度随着温度的升高逐渐增强并在1280℃时最强，而O/-FeO峰和杂质峰的强度相对减弱。相反，传统氧化物法制备的样品的尖晶石相在1220℃时最强，随着温度的升高而逐渐减弱。 O/-FeO峰和杂质峰的强度也相对减弱，因此氧化物法制备的Mn-Zn铁氧体在1220℃烧结4h时反应最完全，共沉淀法制备的Mn-Zn铁氧体在1280℃烧结时反应最完全。图5为不同方法制备的样品在烧结3h，4h，5h后的X射线衍射图。两种方法制备的样品也形成了所需的尖晶石相，并且有O/-Fe：O峰及其它小的杂质峰。随着保温时间的增加，在1250 cI=3h时共沉淀法制备的样品的尖晶石相峰较强，-Fe,O峰相对较弱，此条件下杂质峰最少。

随着保温时间的增加，Ot-FeO峰和杂质峰增强，尖晶石相峰减弱。氧化物法制备的样品在1250 ℃保温3 h时，同样出现了较强的尖晶石相峰，而FeO峰和杂质峰相对较弱。图5(a)和5(b)分别是两种共沉淀样品在1220 ℃烧结4 h的SEM像。从图中可以看出，1220 ℃烧结4 h时，颗粒较大（平均约7μm），而1250 ℃时，晶粒细化（约4μm）。随着烧结温度的升高，尖晶石相峰增强，FeO峰和杂质峰相对较弱。