离子替代M-型纳米钡铁氧体材料结构及磁性能的研究

摘要

六角晶系M-型铁氧体(常见的有BaM、SrM及PbM)由于具有高的单轴磁晶各向异性及高的矫顽力和磁能积,而且价格便宜,稳定性高等优点,成为应用极其广泛的永磁材料。但实际应用的永磁铁氧体的磁性能与其各理论值相比,尚有很大差距,这促使人们努力研究各种方法提高永磁铁氧体的磁性能。近几年研究发现,单纯的通过改进铁氧体的制备工艺条件,可以在一定程度上提高铁氧体的各项磁性能,但与理论值相差还很大。所以人们开辟出一条新的路径,即离子替代方法,来进一步提高M-型钡铁氧体的磁性能。
　　 本论文首先系统地优化了溶胶-凝胶法制备M-型纳米钡铁氧体(BaFe12O19)的条件,大幅度提高了样品的磁学性能。因为Fe3+／Ba2+摩尔比、烧结温度、烧结时间、溶液pH值都会对磁学性能有很大影响,我们在不同的烧结温度、烧结时间、不同的溶液pH值条件下,制备了不同Fe3+／Ba2+摩尔比的M-型纳米钡铁氧体。结果发现,Fe3+／Ba2+摩尔比等于12、溶液pH值等于7.0、900℃温度下烧结180min时,样品磁性能最佳:饱和磁化强度Ms=62.555 emu／g,矫顽力He=5855.2 Oe(其他制备条件样品磁性能:Ms:35-54.5 emu／g,Hc:5170-5500 Oe；磁性能理论值为:Ms=71 emu／g,Hc=6900 Oe)。
　　 然后,利用离子替代法合成了三个系列样品,前两个系列样品是以稀土离子命名的,分别为钐系(Sm3+)和钆系(Gd3+),选择Sm3+和Gd3+的目的是为了讨论轨道-自旋耦合对磁晶各向异性能及矫顽力的影响。Sm3+为轻稀土离子,轨道及自旋角动量量子数不为零,分别为L=5和S=5／2,且离子半径不太小(最大替代量随稀土离子半径减小而减小)；Gd3+为重稀土离子,4f轨道半满,故L=0,S=7／2,所以Gd3+本身的各向异性很小。钐系列样品包括Sm3+-、Sm3+Zns2+-、Sm3+Co2+-及Sm3+Co2+Zn2+-四类替代样品,其中,Zn2+是非磁性离子;Co2+是磁性离子,但磁矩比Fe3+小,通过比较四类样品的磁性能,可以确定Zn2+和Co2+在晶体中的优先占位情况,因为它们占据不同的晶位,会对磁性产生不同的影响；钆系列包括Gd3+-、Gd3+Zn2+-、Gd3+Mn2+-、Gd3+Zn2+Mn2+-、Gd3+Co2+-和Gd3+Zn2+Co2+-六类掺杂样品,Mn2+磁矩与Fe3+相同,同样通过比较磁性能判断Zn2+、Mn2+和Co2+的优先占位情况,进而得到Ms和Hc变化的真正起因。实际上各离子占据哪个晶位可以利用穆斯堡尔谱来探测,但此处没有测量。另外,从磁性能的测试结果来看,钐系与钆系掺杂样品的饱和磁化强度变化趋势基本一致,饱和磁化强度只有在稀土离子单独替代且低掺杂时略微增加,其他样品的饱和磁化强度都随掺杂量的增加逐渐降低,低掺杂时,降低较少,当掺杂量超过一定值时,样品中出现杂质,且饱和磁化强度大幅度降低,说明溶胶-凝胶法只能部分替代M-型钡铁氧体中的Ba2+和Fe3+。最后,为了系统研究了稀土离子掺杂对Ms和Hc的影响,我们选了七种稀土离子La3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Gd3+、Dy3+和Yb3+。结果发现,饱和磁化强度Ms基本上随离子半径减小而减小,而矫顽力则与轨道量子数变化趋势相同。
　　 尽管文中未在相同条件下制备多个样品进行,检验其重复性,但钐系和钆系样品的饱和磁化强度和矫顽力的变化趋势基本趋于相同,说明该论文所讨论的磁性能随掺杂量及掺杂离子的变化趋势是完全可信的,尽管相同条件下制备的多个样品的磁性能可能会有上下浮动,但变化趋势不会发生改变。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

§1.1 磁性理论发展历程

§1.2磁性理论基础知识

1.2.1 原子磁矩

1.2.2 磁化强度的分子场理论计算

1.2.3 交换作用理论

1.2.4 剩余磁化强度与矫顽力及磁晶各向异性

§1.3稀土离子的磁性

§1.4过渡金属离子的磁性

§1.5 M-型钡铁氧体的晶体结构和Fe3+晶位

1.5.1 M-型钡铁氧体的晶体结构

1.5.2 M-型钡铁氧体Fe3+晶位

§1.6离子替代M-型钡铁氧体研究进展

1.6.1 替代Ba2+(或Sr2+、Pb2+)研究进展

1.6.2 替代Fe3+研究进展

1.6.3 同时替换Fe3+和Ba2+(或Sr2+、Pb2+)研究进展

1.6.4 替代O2-研究进展

§1.7立题依据与主要研究内容

参考文献

第二章 实验内容和测试方法

§2.1 实验原料

§2.2实验仪器

§2.3实验流程

§2.4测试仪器与方法

2.4.1 X射线衍射技术(XRD)

2.4.2 场发射扫描电子显微镜(FSEM)

2.4.3 振动样品磁强计(VSM)

参考文献

第三章 制备条件对纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的影响

§3.1 引言

§3.2 不同Fe3+/Ba2+摩尔比对纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的影响

3.2.1 不同Fe3+/Ba2+摩尔比纳米钡铁氧体样品的制备

3.2.2 不同Fe3+/Ba2+摩尔比对纳米钡铁氧体结构的影响

3.2.3 不同Fe3+/Ba2+摩尔比对纳米钡铁氧体磁性能的影响

3.2.4 结论

§3.3不同溶液pH值对纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的影响

3.3.1 不同溶液pH值纳米钡铁氧体样品的制备

3.3.2 不同溶液pH值对纳米钡铁氧体样品结构的影响

3.3.3 不同溶液pH值对纳米钡铁氧体样品磁性能的影响

3.3.4 结论

§3.4不同二次烧结温度对纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的影响

3.4.1 不同二次烧结温度纳米钡铁氧体样品的制备

3.4.2 不同二次烧结温度对纳米钡铁氧体样品结构的影响

3.4.3 不同二次烧结温度对纳米钡铁氧体样品磁性能的影响

3.4.4 结论

参考文献

第四章 钐系离子掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

§4.1 引言

§4.2钐系离子掺杂纳米钡铁氧体样品的制备

§4.3钐系离子掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

4.3.1 Sm3+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

4.3.2 Sm3+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

4.3.3 Sm3+Co2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

4.3.4 Sm3+Co2+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

4.3.5 结论

参考文献

第五章 钆系离子掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

§5.1 引言

§5.2钆系离子掺杂纳米钡铁氧体样品的制备

§5.3钆系离子掺杂钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.1 Gd3+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.2 Gd3+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.3 Gd3+Mn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.4 Gd3+Mn2+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.5 Gd3+Co2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.6 Gd3+Co2+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

5.3.7 结论

参考文献

第六章 七种稀土离子系列掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

§6.1 引言

§6.2七种稀土离子系列掺杂纳米钡铁氧体样品的制备

§6.3七种稀土离子系列掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

6.3.1 Re3+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

6.3.2 Re3+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

6.3.3 Re3+Mn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

6.3.4 Re3+Mn2+Zn2+掺杂纳米钡铁氧体样品结构及磁性能的研究

6.3.5 结论

第七章 结论

附录1 文中各离子半径表

附录2 攻读博士期间已发表和待发表的论文目录

致谢