论文部分内容阅读
本研究采用微波烧结方法制备了多晶MnZn铁氧体软磁材料。采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析手段,系统地研究了微波烧结过程MnZn铁氧体材料微观组织结构演变的规律,以及温度对材料微观组织结构的影响;研究了材料对应的磁性能及温度对磁性能的影响。在此基础上,将微波烧结MnZn铁氧体材料与常规烧结材料的性能进行了对比分析。探讨了 MnZn铁氧体微波烧结过程的固相反应以及MnZn铁氧体粉末压坯微波加热的特点,并从微波与分子振动耦合的角度,探讨了微波烧结对MnZn铁氧体致密化与晶粒生长的强化作用。研究结果表明,微波烧结方法在MnZn铁氧体技术领域完全能成为一个实用化的技术,本研究得到的主要成果如下:微波烧结MnZn铁氧体材料微观组织的形成与演变,经历了典型MnZn铁氧体多晶组织形成与演变的过程,即早期的颗粒接触、聚集,中期的形核、结晶与晶粒长大,后期大晶粒分解为小晶粒,最后形成多晶组织;在1350℃～1400℃温度范围微波烧结,可以获得组织均匀,结晶良好,晶界平直,晶粒发育良好的组织;微波烧结样品与常规烧结样品相比,两者的显微组织形貌比较接近,没有本质区别,但是微波烧结可以快速获得相应组织。微波烧结的MnZn铁氧体材料主体相都是典型尖晶石结构的MnZnFe2O4固溶体。在1200℃～1500℃温度范围微波烧结MnZn铁氧体样品,主体相除了MnZnFe2O4固溶体,大部分样品还伴随少部分ZnFe204相存在;ZnFe204相含量随烧结温度升高而减少,在1300℃～1400℃温度范围,ZnFe204相几乎消失,得到纯MnZnFe204;1200℃～1500℃烧结样品中一直伴随极少量的Fe203相和Fe304相;微波烧结MnZn铁氧体样品的尖晶石结构中,锌2P以Zn2+的离子形态存在,锰2P以Mn3+和Mn2+两种离子形态存在,铁2P主要以Fe3+离子存在,可能存在少量Fe2 +离子;1400℃常规烧结样品的相结构与组成,和微波烧结样品的相结构与组成接近。MnZn铁氧体粉末压坯微波加热呈现非匀速升温特点,样品在低温下对微波响应比较快,主要原因是受样品介电常数、密度等影响;大约在1450℃,微波加热的MnZn铁氧体粉末压坯出现"热失控"现象,样品温度在1～3分钟从1400℃上升到1500℃。微波烧结对MnZn铁氧体致密化与晶粒生长具有很强促进作用,是由于微波与MnZn铁氧体分子内部离子基团振动产生能量的耦合,或耦合时离子基团的振动偶极矩发生改变,使基团价键破裂、离子快速迁移形成新的键合,促进了烧结过程;在1200℃～1400℃微波烧结、保温时间为零的样品和常规烧结、保温4小时样品比较,微波烧结样品的密度在4.35g/cm3～5.18g/cm3范围,常规烧结样品的密度在3.95g/cm3～4.85g/cm3范围,相比之下,微波烧结实现了快速致密;同时,微波烧结对晶粒成长有促进作用,微波烧结样品的晶粒尺寸在48nm～55nm范围,常规烧结样品的晶粒尺寸在52 nm～62 nm范围。以Fe2O3、MnCO3、ZnO为原料合成MnZn铁氧体,其固相反应主要分为三步:1)六方晶系的α-Fe2O3转化为面心立方结构的γ-Fe2O3,与六方纤锌矿结构ZnO反应生成ZnFe204;2)MnCO3经多级分解生成面心立方结构y-Mn3O4,γ-Mn3O4与面心立方结构γ-Fe2O3反应生成MnFe2O4;3)较高温度下(一般大于950℃)ZnFe204和MnFe2O4固溶生成尖晶石结构MnZnFe204。微波烧结样品和常规烧结样品一样,具有狭长型磁化曲线,具有典型软磁材料磁化特征;微波烧结温度对材料矫顽力Hc有明显影响,随着烧结温度升高,材料致密度提高、组织缺陷消除、新相晶格得到校正,Hc下降,但温度过高,Hc因为材料内部组织恶化重新升高;前驱体(Ⅰ)在1300℃的烧结样品获得较低Hc值,为450.0A.m-1,前驱体(Ⅱ)在1350℃的烧结样品获得较低Hc值,为270.4A.m-1;而常规烧结(添加剂)的样品在1400℃烧结4小时,样品的最小Hc值为246.0A.m-1;微波烧结样品因为烧结热应力的影响,其Hc值略高于常规烧结样品的Hc。微波烧结温度对材料比饱和磁化强度影响不大,但对剩余比饱和磁化强度有一定影响,前驱体(Ⅰ)烧结样品的最大比饱和磁化强(1200℃)为61.60 A.m2.kg-1,在约1300℃得到最小剩余比饱和磁化强值为2.50A.m2.kg-1;前驱体(Ⅱ)烧结样品的最大比饱和磁化强为72.35A.m2.kg-1,在1400℃得到最小剩余比饱和磁化强值为2.40A.m2.kg-1;常规烧结样品(1400℃烧结4小时)的最大比饱和磁化强为66.40A.m2.kg-1,对应的最小剩余比饱和磁化强值为2.81A.m2.kg-1。