分散剂对YIG铁氧体结构和性能的影响_杨菲.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 27 分散剂对YIG铁氧体结构和性能的影响杨菲1，王亚东1，何强1，谢斌1，廖杨1，杨孟锟2(1.中国电子科技集团公司 第九研究所，四川绵阳 6210002.江苏大学京江学院 材料与土木工程学院，江苏镇江 212000）摘要：钇铁石榴石(YIG)微波铁氧体具有铁磁共振线宽小、损耗低等特点，是低损耗和宽频带微波铁氧体环行器隔离器的必备材料。通过一次球磨与二次球磨过程中添加不同量分散剂的方法，研究其对YIG微波铁氧体材料结构和性能的影响。实验结果表明，适量分散剂的添加能够有效提高浆料的分散性、稳定性及粒径分布均匀性，防止固体颗粒的二次凝聚及沉降，有效解决纯YIG铁氧体材料球磨过程中的分层现象，有助于提高粉料活性，促进预烧与烧结中的固相反应，提高YIG铁氧体性能的稳定性，拓宽烧结温度。关键词：微波铁氧体；分散剂；粒径；固相反应；性能；烧结温度中图分类号：TM277文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)02-0027-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.006著录格式：杨菲,王亚东,何强,等.分散剂对YIG铁氧体结构和性能的影响J.磁性材料及器件,2023,54(2):27-31./YANG Fei,WANG Ya-dong,HE Qiang,et al.Effects of dispersant addition on microstructure and properties of YIG ferrite J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):27-31.Effects of dispersant addition on microstructure and properties of YIG ferriteYANG Fei1,WANG Ya-dong1,HE Qiang1,XIE Bin1,LIAO Yang1,YANG Meng-kun21.Ninth Institute,China Electronics Technology Corporation,Mianyang 621000,China2.School of Materials and Civil Engineering,Jiangsu University Jingjiang College,Zhenjiang 212000,ChinaAbstract:Yttrium iron garnet(YIG)microwave ferrite features small ferromagnetic resonance linewidth and low loss,and so it is a necessary material for low loss and wide band microwave ferrite circulator and isolator.In this paper,the effect of amount of dispersant in primary and secondary ball milling process on the microstructure and properties of YIG microwave ferrite material was analyzed.Experimental results show that adding proper amount of dispersant can effectively improve the dispersion and stability of the slurry and the distribution uniformity of particle size,and prevent solid particles from secondary coagulation and sedimentation,resultantly effectively solve the pure YIG ferrite material stratification in the process of ball mill and contribute to improve the activity of powder,which promotes presintering and sintering of the solid phase reaction,improving the stability of the YIG ferrite performance and broadening the sintering temperature.Key words:microwave ferrite;dispersant;particle size;solid phase reaction;properties;sintering temperature1 引言石榴石型微波铁氧体材料具有铁磁共振线宽H窄、损耗低等特点，而且这类材料价格相对便宜、性能稳定、易于制备，广泛应用于移相器、隔离器和环行器等微波铁氧体器件1-2。钇铁石榴石铁氧体(YIG)是目前应用甚为广泛的微波铁氧体材料之一。目前大批量生产YIG材料主要采用传统的固相反应法，此方法简单可控，经济成本低。传统的固相反应法制备YIG的过程中，一次球磨与二次球磨一般加水作为分散剂。但是浆料在球磨过程中由于颗粒较高的表面能，颗粒会相互聚集降低表面能，出现分层现象3-4。在一次球磨的浆料粒径测试中发收稿日期：2022-04-11 修回日期：2022-06-08基金项目：四川省科技计划资助项目(22ZDYF3321)通讯作者：杨 菲 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 28 现，其粒径会出现非正态分布，粒径均匀性差。这种粉料粒径的不均匀性与分层现象会影响粉料预烧过程中的固相反应，出现晶粒不均匀生长和产生杂相。在粉料制备中加入分散剂具有很好的分散效果5-6。球磨过程中添加分散剂有以下作用7-8：(1)降低因球磨而产生的新表面的高表面能；(2)由于吸附了分散剂，削弱了长程毛细管力；(3)降低粒子间的摩擦，有助于粒子重新排列和混合；(4)分散剂的吸附使得在最后的产物中颗粒球化、均匀。本文研究了分散剂对 YIG 铁氧体材料性能与制备工艺的影响，为制备较高性能的YIG材料提供指导。2 实验2.1 材料制备以 Y2O3(纯度99%)，Fe2O3(纯度99%)为原料，采用传统氧化物法制备Y3Fe5O12。工艺流程如图 1 所示，按照纯钇铁石榴石(YIG)的设计配方Y3Fe5O12称取原料，以水作为溶剂，添加SF8分散剂(SN-DISPERSANT SF8)0 wt%、0.2 wt%、0.3 wt%、1.0 wt%(对应样品分别编号1#、2#、3#、4#)进行一次球磨4 h，然后烘干过筛，在空气气氛中1240 下预烧4 h；然后同样以水作为溶剂，添加相同量的分散剂进行二次球磨4 h，烘干后加入 8 wt%的聚乙烯醇(PVA)溶液作为粘接剂造粒并成型，最后将成型的生坯在空气气氛中 1400 和 1430 下分别烧结8 h。2.2 性能测试采用 SmartLab X 射线衍射分析仪(40 kV，40 mA，Cu K 辐射，步长0.01，扫描范围1080)分析样品的晶体结构。采用VEGA3 TESCAN扫描电镜观察样品的断面微观形貌。采用阿基米德排水法测试样品的表观密度，用磁环称在560 kA/m磁场下测量出比磁化强度，由比磁化强度与表观密度计算出饱和磁化强度Ms。采用TE106通过式谐振腔法，在9.3 GHz的中心频率下测试样品的铁磁共振线宽。用圆柱型TM010共振腔在9.3 GHz下测量介电常数与介电损耗。采用Bettersize 2600激光粒度分析仪测试试样的粒径分布D50。3 实验结果与分析图2给出了对应不同分散剂含量的一次和二次球磨粉料的粒径分布测量结果。可以看出一次球磨之后未添加分散剂的试样粒径明显为非正态分布(图2a1)，对比图2b1、c1、d1可以看出一次球磨中添加分散剂对粒径的分布有明显的影响，趋于正态分布。2#、3#和4#试样的D50分别是0.72 m、0.92 m与0.90 m，表明在分散剂添加量为0.2 wt%时，一次球磨之后的试样具有最小的D50，对于一次球磨料粒径分布有最佳效果，随着分散剂添加量的增加，粒径变大。从图2a2d2可见，二次球磨之后的所有样品的粒径分布都呈正态分布，1#、2#、3#和4#四个试样的D50分别是1.79 m、1.52 m、3.10 m、2.97 m，即分散剂添加量为0.2 wt%的2#号样品二次球磨之后的D50最小，而分散剂添加量增多，粒径变大。以上结果表明，在球磨过程中添加分散剂能够有效解决YIG铁氧体材料球磨过程中的“分层”现象，防止固体颗粒的二次凝聚及沉降，但是分散剂过多，在降低颗粒间的摩擦的同时，也减小了球与颗粒之间的摩擦与剪切，对于粒径的大小分布造成影响4,9。因此，只有适量的添加分散剂，才能够提高粉料粒径的分布均匀性，减小粉料粒径尺寸，从而有助于提高粉料活性，促进预烧与烧结中的固相反应10。烧结之后的试样XRD分析结果如图2所示，对比 YIG 铁氧体 XRD 谱的 PDF 标准卡片(PDF#43-0507)可知，所有的样品都呈石榴石相，没有出现任何杂相，但4#试样的峰强较弱而且出现峰的宽化。从图2中右上角的主峰(420)的放大图中可以明显的看出4#试样峰的宽化与偏移，这是由于烧结之后的试样结晶性差导致的结果。1#、2#、3#试样的峰强度高，峰位与标准卡片的(420)峰的峰位32.314几乎无偏差，具有较好的结晶性。从XRD分析可见，分散剂的添加量过高，反而会引起烧结样品结晶度较差，进而影响材料性能。图4为1430 烧结试样的断面SEM照片，可看图1 YIG制备工艺流程杨菲等：分散剂对YIG铁氧体结构和性能的影响 29 出1#、2#试样的气孔较小，晶粒生长均匀，而3#、4#试样的气孔明显较大、较多，晶粒生长均匀性差。由此可见分散剂的添加量为0.5 wt%与1 wt%时，样品的微观结构明显比添加量为0 wt%与0.2 wt%的试样要差很多，尤其是气孔变大变多，这会影响材料的磁学性能。图5为1400 烧结试样的断面SEM照片，对比四个试样的断面SEM照片可见，降低烧结温度之后，1#样品气孔增多，且存在较多未生长完全的细小晶粒；3#与4#三个试样的气孔明显多于2#，晶粒均匀性相较于2#变差。根据1430 与1400 烧结试样的SEM照片对比可知，添加过量的分散剂会影响YIG铁氧体材料的微观结构，即产生大量的气孔与晶粒生长均匀性差。添加适量的分散剂能够提高晶粒生长均匀性，减少气孔。材料的理论密度x=8MNa3(1)式中M为分子量，N=6.0221023为阿伏伽德罗常数，a为晶格常数。气孔率p=(1app/x)100%(2)式中app为表观密度。图2 对应不同分散剂含量的一次和二次球磨粉料的粒径分布测量结果：(a1)1#试样，一次球磨；(a2)1#试样，二次球磨；(b1)2#试样，一次球磨；(b2)2#试样，二次球磨；(c1)3#试样，一次球磨；(c2)3#试样，二次球磨；(d1)4#试样，一次球磨；(d2)4#试样，二次球磨；图3 1430 烧结试样的XRD谱磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 30 表 2 中列出了试样不同烧结温度的表观密度(app)、理论密度(x)与气孔率(p)。从表2中可见，在1430 与 1400 烧结的 2#试样的气孔率分别是0.15%与0.32%，密度分别是5.1607 g/cm3和5.1523 g/cm3，相较于1#、3#和4#试样，气孔率最低而密度最高，这与SEM的结果一致。这进一步说明添加适量的