微波烧结对六铁酸钡相变及磁性能的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effect of microwave sintering on phase evolution and magnetic behavior of barium hexaferrite

微波烧结对M型钡六铁氧体结构及磁性能的影响研究。采用溶胶-凝胶法制备BaFe12O19粉末，经700°C预烧后，在750-1050°C微波烧结30分钟。XRD和Rietveld分析表明，950°C以上烧结可消除α-Fe2O3副相，获得单一六方相。晶粒尺寸随温度升高从159nm增至225nm，磁性能在950°C达到峰值后微降。研究揭示了微波烧结温度对相纯度、晶粒生长及铁离子分布的调控作用。

　　

S. Bharadwaj | Y. Kalyanalakshmi | T. Sai Santoshi

物理系，GITAM科学学院，GITAM（被认定为大学），海得拉巴，特伦甘纳邦 502329，印度

摘要

本文系统研究了微波烧结对采用溶胶-凝胶法制备的M型钡铁氧体结构和磁性能的影响。粉末在700°C下煅烧3小时后，将其制成颗粒，并在750°C、850°C、950°C和1050°C的不同温度下进行微波烧结，每个温度下保持时间为30分钟。X射线衍射分析和Rietveld分析证实了六铁氧体相以及α-Fe₂O₃相的存在；而在950°C和1050°C的烧结温度下，这种额外相消失了。Rietveld分析得到的拟合优度和χ²值进一步证明了相的纯度。随着微波烧结条件的变化，晶粒尺寸逐渐增大，范围在159纳米到225纳米之间。磁参数（如剩磁、饱和磁化和矫顽力）在950°C以下随微波烧结温度升高而增加，但在1050°C时略有下降。这些微波烧结六铁氧体的磁性能变化可归因于晶粒尺寸的控制效应以及铁离子在不同位点上的分布。

引言

M型钡铁氧体（BaM，化学式BaFe₁₂O₁₉）是一种广泛研究的铁氧体化合物，由于其优异的性能（如高各向异性、饱和磁化和化学稳定性）而被用于电磁干扰设备[1,2]。然而，制备钡铁氧体时常会形成α-Fe₂O₃等次要相，这会阻碍获得理想性能的目标。即使次要相的含量很少，也会通过晶粒生长和交换相互作用改变磁性能。单相钡铁氧体的制备主要取决于不同的合成方法[1,3]。此外，BaM的相演变还受烧结温度、烧结方法[4,5]以及使用适当添加剂的影响（这些添加剂可以降低烧结温度[6]），从而实现单相BaM的获得。为了消除钡铁氧体中的次要相，通常需要较高的烧结温度[7]，而这会影响晶粒生长和阳离子分布，进而影响磁性能[8]。传统烧结方法存在处理时间长、加热不均匀、加热温度高和能耗高的问题。这些问题通常可以通过微波烧结来克服[9]，微波烧结是一种独特的传热方式，具有更快的处理速度。微波被化合物吸收后直接传递到分子层面，产生低温度梯度。微波加热可实现均匀加热，促进晶粒均匀生长[9, [10], [11]，同时使表面粗糙化，从而在较低烧结温度下提高磁性能，并避免六铁氧体中出现次要相[12,13]。Matran等人[14]研究了不同烧结温度下微波烧结对锶铁氧体的关键作用。与传统烧结方法相比，Zn-Zr掺杂的钡铁氧体在微波烧结过程中相形成更快[15]。对于通过溶胶-凝胶法制备的SrFe₁₂O₁₉样品，在1150°C下微波烧结后未观察到次要相的形成[13]。目前关于微波烧结对钡铁氧体影响的文献较少，尤其是关于如何实现单相化的研究。因此，本研究旨在探讨采用微波烧结法在不同烧结温度（750°C、850°C、950°C和1050°C，每个温度下保持30分钟）下制备的钡铁氧体的相演变及其磁性能，最终优化微波烧结温度以实现单相BaM的形成。

实验部分

实验方法

采用溶胶-凝胶法制备M型钡铁氧体样品，以分析纯度的Ba(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃·9H₂O为起始材料，按化学计量比分别溶解在蒸馏水中。将这些溶液加入烧杯中，并在加热板上搅拌的同时，按金属离子比例1:1.2配制柠檬酸溶液。使用分离漏斗在持续搅拌的情况下，将柠檬酸溶液逐滴滴加到混合物中...

结果与讨论

图1显示了在750°C、850°C、950°C和1050°C下微波烧结30分钟的钡铁氧体样品的X射线衍射（XRD）图谱。所得衍射线条表明样品具有六方结构，并伴有少量的α-Fe₂O₃相，这些峰与JCPDS卡片编号43-00002和27-1029相符[3,5,6]。随着微波烧结温度的升高，次要相逐渐减少，在950°C时完全消失...

结论

总之，本研究通过微波烧结法获得了单相钡铁氧体样品，烧结温度为950°C，保持时间为30分钟。Rietveld精修分析证实了低温烧结样品中存在主要的六方BaFe₁₂O₁₉相以及少量的α-Fe₂O₃相；而在950°C下可得到纯单相样品。实验还实现了对晶粒生长的有效控制。

作者贡献声明

S. Bharadwaj：撰写初稿、数据整理、正式分析、概念构思。 Y. Kalyanalakshmi：正式分析、数据整理。 T. Sai Santoshi：数据整理、方法学设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢DST - FIST设施（位于海得拉巴IIT物理系）提供的磁测量支持（项目编号：SR/FST/PSI-215/2016）。同时，作者也感谢印度科学技术与工程设施Map（I-STEM）的帮助，该计划得到了印度政府首席科学顾问办公室的支持，使得作者能够使用SEM（TESCAN Model, MIRA）设备进行实验，该设备由MURTI SAIF在甘地技术与管理学院（GITAM，被认定为大学）资助。