Mg-Co-Ti共掺杂对M型钡铁氧体磁性能的影响.pdf

第 48 卷第 3 期 2023 年 6 月 广 州 化 学 Guangzhou Chemistry Vol.48 No.3 Jun.2023 DOI:10.16560/ki.gzhx.20230319 _ 收稿日期：2022-11-23 基金项目：洛阳理工学院挑战杯项目；河南省教育厅项目（No.23B140015）作者简介：薛世波（2020），男，河南安阳人，本科生，主要从事纳米材料制备及性能表征工作。*通讯作者：孙瑞瑞（1984），女，河南许昌人，讲师，主要从事纳米材料研究。Mg-Co-Ti 共掺杂对共掺杂对 M 型钡铁氧体磁型钡铁氧体磁性能性能的影响的影响 薛世波，王 哲，孙瑞瑞*，郭广磊（洛阳理工学院 数学与物理教学部，河南 洛阳 471023）摘摘 要要：采用溶胶-凝胶方法制备了不同 Mg-Co-Ti 掺杂量的 Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19磁性粉体，运用 XRD 和 SEM对样品成分及颗粒大小进行了表征，并运用 VSM 测试了样品的磁性能。结果表明：所制备的粉体 1100煅烧 2 小时，粉体结晶良好，呈纯相结构，粉体颗粒大小平均在 250 nm 左右。随着掺杂含量 x 从 0.1 增加到 0.6，矫顽力 Hc从 342 kA/m 下降至 143 kA/m，而饱和磁化强度 Ms 先增加，随后降低，在 x=0.3 时获得最大 Ms 为 55.27 Am2/kg。剩余磁化强度Mr，随着掺杂含量x的增加，先增加，然后逐渐减少。当x=0.3时剩余磁化强度最大值为30.90 Am2/kg。研究表明，可以通过在 Fe 位掺杂不同含量的 Mg-Co-Ti，调整钡铁氧体的磁性能，以适应不同的应用需求。关键词关键词：钡铁氧体；溶胶-凝胶；共掺杂；磁性能；矫顽力；饱和磁化强度；剩余磁化强度 中图分类号中图分类号：O469 Effect of Mg-Co-Ti Codoping on Magnetic Properties of M-type Barium Ferrite XUE Shi-bo,WANG Zhe,SUN Rui-rui*,GUO Guang-lei (Department of Mathematics and Physics,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023,China)Abstrat:Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19 magnetic powders with different Mg-Co-Ti doping content were prepared by sol-gel method.The composition and particle size of the samples were characterized by XRD and SEM,and the magnetic properties of the related samples were tested by VSM.The results show that the crystal of the powder have a pure phase structure indicating well-crystallized when the powder was calcined at 1100 for 2 hours.The average particle size was about 250 nm.With the doping content x increasing from 0.1 to 0.6,the coercivity(Hc)decreases from 342 kA/m to 143 kA/m,while the saturation magnetization(Ms)first increases,and then decreases.The maximum Ms obtained is 55.27 Am2/kg at x=0.3.In addition,the remanent magnetization Mr increases initially and then decreases continuously with the increase of doping content x.The remanent magnetization Mr is 30.90 Am2/kg when x is 0.3.This study shows that the magnetism of barium ferrite can be adjusted to meet the application requirements by doping different Mg-Co-Ti contents at the Fe site.Keywords:barium ferrite;sol-gel;codoping;magnetic property;coercivity;saturation magnetization;remanent magnetization M型钡铁氧体（BaFe12O19）具有六方晶体结构，是一种铁磁性氧化物，具有许多优点，如高矫顽力、高饱和磁化、良好的机械硬度、化学稳定性和大单轴各向异性，广泛用于永磁材料、微波滤波器、微波吸收材料和许多其它材料。迄今为止，研究者已经研究了不同掺杂对钡铁氧体磁性能的影响，如 Co-Mo1、Zn-Ti2、Co-Sn3或 Co-Zr4对 Fe 位进行掺杂。Ali Ghasemi 等5研究了 Mn-Cu-Zr 掺杂 M 型钡铁氧体的磁性能和微波吸收特性。任勇等6通过溶胶-凝胶法制备了 Mn-Co-Zr 离子共掺杂 BaFe12O19粉体，研究了离子掺杂对 M 型钡铁氧体陶瓷的软磁化及其应用影响。陈浮等7研究了 Co-Ti 掺杂 M 型钡铁氧体磁性能，采用了正交实验分析法研究 Co-Ti 掺杂 M 型钡铁氧体的基本制备工艺等。钡铁氧体的制备方法有多种，如溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、水热合成法等。Jianguo Huang8利用溶胶-凝胶法制备前驱粉体，研究了温度、Fe-Ba 摩尔比对钡铁氧体合成的影响。Gholam RezaGordani9利用共沉淀法制备并研究了 Mg-Co-Ti 取代锶铁氧体的吸波性能。在现有技术启发下，结合课题组在钡铁氧体方面的研究基础10，本文利用自制的硝酸氧钛溶液，用溶胶-凝胶法制备前驱粉体，通过改进的柠檬酸盐前驱体方法制备Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19掺杂粉体，再考察 Mg-Co-Ti 三元掺杂对 M 型钡铁氧体的磁性能的影响。1 实验实验 在钡铁氧体制备过程中，常用Ti源有四氯化钛、钛酸丁酯，然而，这些Ti源在制备样品时存在一个缺点，水解易生成沉淀。本文对该缺点进行了改进，利用自制的硝酸氧钛，FeBa摩尔比为11.5（若掺杂则为铁和掺杂金属与钡摩尔比）1，采用溶胶-凝胶方法制备了钡铁氧体前驱粉体。1.1 药品及仪器 实验所用化学试剂：氧化镁（99.99%质量分数，阿拉丁试剂），硝酸钴（99.99%质量分数，阿拉丁试剂），钛酸丁酯（分析纯，阿拉丁试剂），硝酸钡（分析纯，国药试剂），硝酸铁（分析纯，阿拉丁试剂）。粉末样品相分析使用X射线衍射仪（XRD，D/max 2550，日本）分析。样品形貌采用场发射扫描电镜（SEM，S4800，日本日立公司）观察。磁性能测试采用振动样品磁强计（VSM，Lake Shore 60 广 州 化 学 第 48 卷 VSM7404，美国）测试。1.2 实验过程 首先配制硝酸氧钛：称取一定量的Ti(OC4H9)4（利用小容量瓶），加入适量去离子水，采用磁力搅拌器不断搅拌，按摩尔比Ti(OC4H9)4HNO314加入硝酸，配制过程中，有沉淀生成，加入硝酸后沉淀不断溶解，搅拌1小时得到透明溶液，静置备用11。根据配比分子式Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19，按照不同配比称取氧化镁（需加稀硝酸制备硝酸镁溶液）、硝酸钴、硝酸钡、硝酸铁等，其中Fe/Ba摩尔比为11.5，称量后加入到一定量的去离子水中。本文用柠檬酸作为螯合剂，柠檬酸和金属离子的摩尔比为11。将溶液置于80的恒温水浴池中，用磁力搅拌器搅拌2小时，得到棕红色透明溶液，然后加入适量乙二胺调节pH值为7，最后在蒸发皿中加热，直至形成凝胶，继续加热至有少量的烟冒出时引燃，自燃后可得到褐色蓬松的粉末。将粉末置于烧结炉1100退火2 h得到实验样品。具体过程见流程图1。图 1 溶胶-凝胶法制备掺杂钡铁氧体粉体流程图 2 结果与讨论结果与讨论 2.1 粉体物相分析 图 2 为 Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19前驱粉末经1100烧结 2 小时后的 XRD 图谱。可以看出样品峰与标准 JCPDS 卡（No.43-0002)相对应，未检测到明显杂峰，说明 Mg-Co-Ti 离子已经均匀地掺杂入晶格，成功替代铁位，获得纯相掺杂粉体。102030405060708090BaFe12O19 JCPDS#43-00022q(degree)Intensity(a.u.)x=0.1x=0.2x=0.3x=0.4x=0.610110200611011410720320520621720112202014317 图 2 不同掺杂量制备 Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19粉体的XRD 2.2 粉体的微观形貌分析 图 3 是 Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19在 1100煅烧 2 h 后得到的掺杂钡铁氧体粉体（x=0.2）不同放大倍数的 SEM 照片，可以看出，粉体粒子呈多边形块状颗粒，有的能明显看出呈现六角片状结构，粉体粒径分布在 200550 纳米左右。从图中可以观察到不规则形状和大尺寸的颗粒，说明存在一定程度的团聚，这是由于粉体经高温退火，由于存在磁性，所以部分团聚在一起。图 3 掺杂 Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19（x=0.2）样品 1100退火 2 h 粉体的 SEM 图像 2.3 磁性能 不同掺杂量的Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19粉体磁滞回线（H-M）如图 4 所示，可以观察到掺杂量 x=0.1所对应的磁滞回线面积相对大于其它掺杂量，随着掺杂量 x 的增加，呈现逐渐变小的趋势。不同掺杂量的磁性能如图 5 所示，通过图 5 可以观察到饱和磁化强度 Ms、剩余磁化强度 Mr 和矫顽力 Hc，随Mg-Co-Ti 掺杂量 x 的变化呈现以下规律，饱和磁化强度、剩余磁化强度随掺杂含量 x 的增加先增加，然后逐渐降低，矫顽力随 x 增加而逐渐降低。-1.0-0.50.00.51.0-60-40-200204060 x=0.1x=0.2x=0.3x=0.4x=0.6Magnetization(Am2/kg)H(T)图 4 1100退火 2 h 不同掺杂量的 Ba(MgCo)x/2TixFe11.52xO19粉体磁滞回线（H-M）第 3 期 广 州 化 学 61 通过图 5 可知，饱和磁化强度 Ms 随着 x 最初先增加，然后逐渐降低，当 x=0.3 时，获得的最大Ms 为 55.27 Am2/kg。剩余磁化强度 Mr 随掺杂量 x先逐渐增大后逐渐降低，在 x=0.3 时达到最大剩余磁化强度 Mr 为 30.90 Am2/kg。此外，随着 x 从 0.1增加到 0.6，矫顽力 Hc 持续下降，从 342 kA/m 下降到 143 kA/m。综上所述，可以通过不同的 Mg-Co-Ti掺杂量来调节钡铁氧体的矫顽力（Hc）、饱和磁化强度（Ms）和剩余磁化强度（Mr），以适应不同的应用要求。0.00.10.20.30.40.50.60.720253035404550556065 Hc/(kA/m)MS,Mr/(Am2/kg)Mr Ms Hcdoping content