钴取代的BaNi2W六角铁氧体

钴取代的BaNi₂W六角铁氧体^*

冯全源　任朗

　　摘　要　研究了BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇（x＝0，0．2，0．25，0．4，0．42，0．5，0．84）六角铁氧体多晶材料的磁特性。结果，取向度大于75％，介电损耗小于5×10^－3，饱和磁化强度为366kA／m几乎不变，磁晶各向异性场为200kA／m≤H_a≤1140kA／m，这类材料可应用于X至Ka波段的微波器件。
　　关键词　W型六角铁氧体　饱和磁化强度　磁晶各向异性场

Co-Substituted BaNi₂W Hexagonal Ferrites
Feng Quanyuan， Ren Lang
Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031

　　ABSTRACT In this paper，The magnetic properties of polycrystalline samples of BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇（x＝0，0．2，0．25，0．4，0．42，0．5，0．84）hexagonal ferrites have been investgated． These materials can have high orientation degree （F＞75％） and low dielectric loss （tgδ_ε＜5×10^－3）．Their saturation magnetization is 366A／m．Their magnetocrystalline anisotropy field can be varied from 200kA／m to 1140kA／m．The polycrystalline BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇ hexagonal ferrites can be used in X- and Ka-band micrwave devices．
　　KEY WORDS W-type hexagonal ferrite， saturation magnetization， magnetocrystalline anisotropy field

1　前言
　　W型六角铁氧体属六角晶系，晶粒为六角片状，化学组成式为BaMe^2＋₂Fe₁₆O₂₇（Me^2＋为二价金属离子），简写为Me₂W。Ni₂W是单轴型六角铁氧体，其磁晶各向异性场为1140kA／m。Co₂W是平面型六角铁氧体。通过制备Co₂W型和Ni₂W型六角铁氧体的固溶体，可以获得磁晶各向异性场为200kA／m至1140kA／m的Ni_2－xCo_xW六角铁氧体。

2　实验
　　用普通陶瓷工艺，以分析纯的氧化物和碳酸盐为原料，制备了BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇（其中x＝0，0．2，0．25，0．4，0．42，0．5，0．84）各向异性多晶六角铁氧体，预烧温度为1200～1300℃，烧结温度为1220～1300℃。湿压成型压力约为2×10⁷Pa，纵向定向磁场约为640kA／m。用X光衍射法测量取向度，并作了相分析，用155振动样品磁强计在716kA／m磁场下测量了磁晶各向异性场H_a和饱和磁化强度M_s，在9．5GHz下测量了介电损耗，用排水法测量了表观密度。

3　结果及讨论
3．1　X射线衍射分析
　　X射线衍射分析表明，BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇样品均为W型六角铁氧体。各样品的测试结果列于表1。

表1　BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体的测试结果

　　　　（1）

计算出来的。其中∑I（00l），∑I（hkl）和∑I₀（00l），∑I₀（hkl）分别为制作的取向块状样品和将此块状样品粉碎后过200目筛的粉末样品的取向方向的垂直面（00l）和（hkl）面的衍射峰积分强度之和。由（1）式和X射线衍射谱可知BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体多晶材料的取向度均大于75％（因X线衍射图太大，又无法压缩，本文没有给出）。
　　影响取向度的因素有许多，但主要还是配方和工艺。在工艺方面，取向度受球磨时间，尤其是二次球磨时间，预烧温度和烧结温度及保温时间的影响较大。在二次球磨时把粉料磨成单畴有利于畴壁转动，同时在成型时加上外加磁场就更易使晶粒排成一个方向。即晶粒的易磁化轴朝向外加磁场的方向。烧结过程中提高烧结温度、延长保温时间有利于晶体的缓慢生长，使材料易于取向。在配方中加入有益的微量杂质，提高饱和磁化强度对提高BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体多晶材料的取向度也是非常有利的。
　　由于易磁化轴沿外场方向排列的晶粒所需铁磁共振场值是相同的；易磁化轴与外场方向不一致的晶粒铁磁共振时需要较大的共振场，而六角铁氧体的铁磁共振线宽主要是由各向异性线宽提供，故提高六角晶系铁氧体多晶材料的取向度有利于降低其铁磁共振线宽。
3．2　介电损耗
　　微波频段介电损耗的主要来源是固有电偶极子取向极化和界面极化。降低多晶六角铁氧体 在微波频段的介电损耗的主要方法是：①防止晶格中离子空位的产生和高价或低价杂质（尤其是Fe^2＋）离子的混入，以防止高导电相（Fe₃O₄）的出现。②减少宏观或微观的不均匀性（如气孔、另相等）。
　　降低BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体介电损耗的方法，主要是控制Ni^3＋，Co^3＋和Fe^2＋离子的出现。烧结过程中提高烧结温度，延长保温时间尽管对取向度的提高有利，但它使得BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体失去了过多的氧，而钴、镍和铁的第三电离能由低到高的排列顺序为^［1］：Fe（31．69eV）→Co（33．77eV）→Ni（35．92eV），因此，使得Fe^2＋出现过多，不利于降低介电损耗，为了既有利于提高取向度又有利于降低介电损耗，必须选择一个最佳的烧结温度和保温时间。
　　从表1我们可以看出BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇W型六角铁氧体多晶材料的介电损耗和介电常数并不因其离子取代而有大的变化，对于六角铁氧体由于其本身的损耗较大，为了降低介电损耗，我们采取改进工艺，如控制球磨时间，烧结后进行慢冷却和通入氧以保证BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇W型六角铁氧体多晶材料的正分，并防止过多的Fe^2＋出现。在配方中我们加入杂质，如微量Mn和Bi₂O₃。由于在高温时Mn^2＋（第三电离能为33．97eV）对氧的亲和力比Ni^3＋强；在降温时，又可把氧给予Fe^2＋，即：

Ni^3＋＋Mn^2＋→Ni^2＋＋Mn^3＋（2）
Mn^3＋＋Fe^2＋→Fe^3＋＋Mn^2＋（3）

从而抑制了Fe^2＋与Ni^3＋的出现，使电阻率ρ值提高。虽然有Mn^2＋和Mn^3＋同时存在，但由于其浓度低，且分别分布于四面体位和八面体位，因而对ρ值影响不大。加入Bi₂O₃后可以降低BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇W型六角铁氧体的烧结温度，防止氧离子的挥发。
　　因此我们认为BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体固相反应完全有利于提高取向度，降低介电损耗和气孔率。
3．3　饱和磁化强度
　　图1给出了BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体的饱和磁化强度、磁晶各向异性场随取代量x的变化。表2给出了BaNiFe₁₆O₂₇的晶位种类及阳离子的自旋取向。

图1　钴含量x对W型材料M_s、H_a的影响

表2　BaNi₂Fe₁₆O₂₇六角铁氧体的晶位种类及阳离子的自旋取向^［2］

4　结论
　　BaNi_2－xCo_xFe₁₆O₂₇六角铁氧体有较低的介电损耗，一定的H_a和M_s，可望在X～Ka频段内的谐振式和非谐振式器件中获得应用。

作者简介：冯全源　男，1963年生，1991年2月获电子科技大学电子材料及器件专业硕士学位，1991年3月起在中国西南应用磁学研究所从事铁氧体材料研究工作，先后主持了多项研究项目，并获得部级奖励。现在西南交大攻读博士学位。已发表论文十余篇。
作者单位：西南交通大学电磁所　成都　610031

参考文献
　1 张有纲，黄永杰，罗迪民．磁性材料，1988：49
　2 Wohlfarth　E　P．Ferromagnetic　materials，1993：396