1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1 研究背景

铁氧体通常被定义为以3价铁离子为主要成分的氧化物磁性材料, 而在地球上分布广泛的磁铁石则是天然的铁氧体[1]。锰锌铁氧体又称磁性陶瓷，是具有尖晶石结构的软磁铁氧体材料，与同类型的金属磁性材料相比，它具有电阻率高，涡流损耗小等特点，因其具有高磁导率低矫顽力和低功率损耗等物理化学性能，被广泛应用于电子工业，主要用来制造高频变压器、感应器、记录磁头和噪声滤波器等[2,3]。随着电子工业的飞速发展，对磁性材料性能的要求也越来越高。适用于不同场合的高品质磁性材料的制备研究越来越受到人们的广泛关注。

随着21世纪信息技术和电子产品数字化的发展，对软磁铁氧体材料和元件提出了新的要求，如器件的小型化、片式化、高频化、高性能、低损耗等。化学组成精准、晶粒尺寸大小与分布可控是高性能Mn-Zn铁氧体的组成-结构特点之一。传统固相反应法制备的粉体由于颗粒大和粒度分布不均匀，给高质量Mn-Zn铁氧体材料的制备带来了很大的困难[4]。而溶胶-凝胶自燃烧方法结合了溶胶-凝胶过程的特点，使铁氧体粉料化学组成达到离子水平上的混合均匀性，并利用有机碳氢化合物和氧化剂（如硝酸盐）间发生氧化还原反应放出的热量原位合成高活性超细目标粉体。

总之，21世纪磁性产品的市场将发生质的变化，将以高档材料为主体。中国加入WTO 以后，市场将无国界之分，我们必须加强科技创新，加强技术改造，强企业管理, 调整产品结构和提高档次，迎接新的机遇和挑战。相信，我国磁性材料工业在实现上述三个加强以后，将不仅是磁性材料生产大国，而且将成为高性能磁性材料生产强国。

2 锰锌铁氧体结构

铁氧体的晶体结构主要有3种类型：尖晶石型、磁铅石型和石榴石型。锰锌软磁铁氧体属于尖晶石立方晶系，其化学分子式可以MeFe2O4表示[3]。图1是尖晶石结构中氧离子和金属离子的排列图。由图1可知，尖晶石型晶体结构的一个晶胞由8个分子构成，共有56个离子，其中32个O2- 组成面心的最密充填结构,8个金属离子和16个Fe3 分别分布到四面体位置( 称为A位置) 和八面体位置( 称为B位置)中。二价金属离子Me2 处在A位置的四面体称为正尖晶石，二价金属离子Me2 处在B位置的八面体称为反尖晶石。尖晶石结构除上述的正尖晶石和反尖晶石外，还有处于二者之间的结构，称为中间型。

图1 尖晶石结构中氧离子和金属离子的排列图

铁氧体的磁性机理可用铁磁性理论解释。根据铁磁性理论，在铁氧体中进入A位置和B位置的金属离子的磁化方向虽呈各自反向、大小不同的原子磁矩反平行排列，但由于金属离子的种类和数量有差异, 二者不能完全抵消, 从而形成原子磁矩之差,相对于外磁场显示出一定程度的磁化作用, 从而产生磁性[5]。

3 锰锌铁氧体的性能特点及其改良途径

3.1 锰锌铁氧体的性能特点

软磁锰锌铁氧体是一种重要的电子陶瓷。表1列出了几种常见的软磁材料的电学磁学性能[6]。可见锰锌软磁铁氧体具有高电阻率、高磁导率、高饱和磁感应强度、低高频损耗、低居里温度以及低矫顽力等特点。正是由于这些特点, 常被应用于高频领域作为各种电子仪器和设备中的磁体[6]。

表1 几种常见的软磁材料电磁性能

3.2 改善锰锌铁氧体磁性能的主要途径

作为一种软磁铁氧体材料, 对锰锌铁氧体性能的基本要求是起始磁导率要高, 磁导率的温度系数要小,以适应温度变化。同时矫顽力要小, 以便能在弱磁场下磁化, 也容易退磁。此外比损耗因素要小, 电阻率要高, 这样材料的损耗小, 适用于高频应用。与磁性金属材料相比, 尽管锰锌铁氧体具有电阻率高、涡流损耗小等优点, 但同时它也存在着饱和磁感应强度低、磁导率不高、居里点低、磁导率的温度系数高等不足之处[7], 改善锰锌铁氧体的磁性能的研究正日益受到人们的广泛关注。

欲提高锰锌铁氧体的磁性能应从两方面着手: 一是对材料化学成份的比例调整, 包括各种稀土元素的加入等；二是设法调整材料晶粒粒度及外观形貌。有关研究表明：配方中Fe3O4的适量存在, 使Fe2O3在配方中含量为53-63.5 mol%时，有利于降低磁致伸缩系数，提高磁导率；另外，晶粒大，晶界越整齐，材料的起始磁导率也越高；通过控制制备条件，在提高晶粒粒度的同时降低空隙率是人们追求的目标；平均粒径在10-20μm材料的结构特点是晶粒粗大、晶界明显、密度高、孔隙率低、磁性能良好；晶粒大小还影响矫顽力的大小，晶粒愈大，矫顽力愈小，有利于材料的应用。此外，铁氧体中的气孔，一方面阻碍畴壁的移动，另一方面也减少涡流损耗。一般来说，孔隙率高的铁氧体损耗较小，但磁导率下降[7]。

4 合成及制备方法

锰锌铁氧体磁性材料的制备方法主要有传统的干法工艺和湿法工艺两大类。

4.1 干法工艺

干法工艺又称陶瓷工艺，它是以氧化铁(Fe2O3)、氧化锌(ZnO)和氧化锰(MnO)或铁、锌、锰的金属盐为原料通过研磨、干燥、煅烧、实现初步铁氧体化, 经二次研磨、干燥、造粒得到锰锌铁氧体颗粒，颗粒经成型、烧结处理后可得到满足各种需求的工业产品。工艺原则流程如图2所示[3,8,9]。

图2 干法制备锰锌铁氧体原则流程

干法工艺的关键环节是煅烧、研磨和烧结，它们直接影响锰锌铁氧体材料的颗粒形状和粒径分布等微观结构，从而影响所得锰锌铁氧体的磁性能。干法工艺简单、配料容易调整，该法的缺点是：原料物性相差很大，难以混合均匀，所得产品性能不稳定；高温煅烧，能耗高，粉末飞扬严重，生产环境差；必须研磨处理，会引入杂质污染，对原料要求高，生产成本高等[3]。

4.2 湿法工艺

由于干法工艺所制的锰锌铁氧体材料均匀性差，所以近20年来，人们越来越倾向于用新的化学方法，即湿法工艺合成高性能的锰锌铁氧体材料。湿法工艺合成的锰锌铁氧体成份均匀，粉体烧结活性高，因而越来越受到人们的重视[10]。主要的湿法工艺有共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法∕溶胶-沉淀法、喷烧法、超临界法、自蔓延高温合成法等。

4.2.1 共沉淀法

共沉淀法是在含有多种可溶性阳离子的盐溶液中通过加入沉淀剂(OH-，CO32-、C2O42- ,SO42-等)形成不溶性氢氧化物、碳酸盐、草酸盐或硫酸盐的沉淀，过滤洗涤后，沉淀物经热分解即可制得高纯超微粉料[11]。化学共沉淀法制备的微粉成分及粒度分布均匀、纯度高、活性大、分散性好、按化学计量配比容易达到配方要求，是目前研究最活跃的领域，但由于其成本高，工艺复杂，不宜规模生产。

4.2.2 水热合成法

水热合成法制备锰锌铁氧体微粉是近十余年发展起来的方法。其原理是以水作为溶剂，在一定的温度和压力下，一些氢氧化物在水中的溶解度大于其对应的氧化物在水中的溶解度，于是在氢氧化物溶入水中的同时析出氧化物[5]。氢氧化物既可以预先制备好再加热加压，也可以通过如水解等化学反应加热加压。在水热反应中，微粉晶粒的形成经历了溶解--结晶的过程，所制备的微粉晶体粒径小，颗粒均匀，活性高，得到的氧化物大约在800℃合成锰锌软磁铁氧体，形成的晶体较为完整，纯度高，具有较高的活性，也易得到合适的化学计量比，但水热反应温度和时间等对微粉的纯度、颗粒粒径、磁性能等具有较大的影响，而且条件苛刻，设备昂贵[12-14]。

4.2.3 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是近20年发展起来的一种新的液相合成方法。该法将金属硝酸盐溶液溶解于有机溶剂中，加入纯水等使其水解、聚合以形成溶胶，再用适当的方法使其形成凝胶; 在真空下低温干燥，在适当温度下煅烧，从而得到相应的氧化物[15]。该法获得的粉体纯度高，成分无偏析，颗粒粒度小，均匀性好，活性高，生成尖晶石的温度约645℃，完全晶化温度约750℃，且仅在烧结时才出现团聚，烧结温度低，节约能耗。缺点是成本高， 不适于大规模生产[16]。

4.2.4 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法是近30年发展起来的材料制备方法。其最大特点是利用反应物内部的化学能来合成材料。一经点燃，燃烧反应即可自我维持，一般不再需要补充能量[17]。整个工艺过程极为简单，能耗低，生产率高，产品纯度高，同时，由于燃烧过程中高的温度梯度及快的冷却速率，易获得亚稳态物相。但是自蔓延高温合成法成本高，只适于一些具有特殊要求软磁材料的制备[18-19]。

本实验采用的是微波辅助自燃烧法，实验步骤如图3所示。这种方法兼具了溶胶-凝胶法和自蔓延高温合成法的优点。此方法工艺过程简单，能耗低，粉料纯度高、活性好。

图3 微波辅助自燃烧法简略流程

5 前景

微波辅助自燃烧法是合成具有纳米尺寸晶粒Mn-Zn铁氧体磁粉的一种简便方法。突出的优点是自燃烧的粉料不需经过高温焙烧就形成所需的尖晶石晶体结构，这样避免了粉料在高温焙烧时将发生对最终材料性能有不良影响的硬团聚。因此，这种铁氧体粉料具有很好的活性。这也有利于进一步制备高性能的Mn-Zn软磁铁氧体，应用于使用频率较高的领域。

本制备方法具有工艺简单、生产效率高、反应时间短、条件温和、原料廉价易得、产物矫顽力小等优点。可为Mn-Zn 铁氧体的工业化生产提供有效的制备新途径。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究的问题

1）、采用微波辅助自燃烧法合成mn-zn铁氧体；

2）、对mn-zn铁氧体不同制备条件下的自燃烧产物进行性能表征。