大功率复合稀土石榴石铁氧体

一背景知识二大功率复合稀土石榴石铁氧体的设计三掺Mn对大功率复合稀土石榴石的性能影响四烧结温度和预烧温度对大功率复合石榴石的性能影响五结论主要内容大功率复合稀土石榴石铁氧体石榴石旋磁材料是20世纪60年代发展起来的一种新型微波材料，属硅酸盐矿物，在自然界中十分常见。钇铁石榴石(YIG)是最早研制的，它的分子式表示为，简称YIG，它是一种亚铁磁性石榴石材料。目前所有具有价值的微波材料都是在其基础上开拓出来的。3512YFeO1.1什么是石榴石旋磁材料1.2石榴石铁氧体晶体的结构石榴石铁氧体晶体的分子式一般表示为其中R为Y和稀土金属离子。有的还掺入Ca﹑Bi等离子。中的Fe离子可由In、Cr等离子代替，中的Fe离子可由Al、Ga离子代替。C位：R离子占据24个十二面体中心间隙A位占据16个八面体的中心间隙D位占据24个四面体的中心间隙32312RFeFeO2Fe3Fe2Fe3Fe1/8稀土铁石榴石单胞结构D位A位C位•比较窄的共振线宽△H•极低的介电损耗•掺入适量不同稀土元素，可按不同用途变动共振频率范围及宽度△H,也可调整饱和磁化强度4πMs,并保持适当的居里温度Tc。特点：四端口环形器环形器隔离器1.3应用1.4新要求随着电子信息技术的发展,特别是现代雷达、微波通讯、高能加速器和医学电子学的发展,对微波器件性能要求增高,工作频率较低,而平均功率很高,这对铁氧体材料研制带来困难。微波铁氧体器件承受的高功率能力：①峰值功率②平均功率hc=02ks≈α2xd提高峰值功率必须提高自旋波不稳定激发的临界场hc,以防止非线性损耗的发生,这种非线性效应的临介场hc为:峰值功率：平均功率是与材料损耗、居里温度Tc,Ms的温度系数及器件的散热情况有关●铁磁共振线宽ΔH窄●介电损耗tgδe和磁损耗tgδm低●Ms温度系数小,居里温度较高平均功率:二、大功率复合稀土石榴石的设计2.1设计思想㈠加入Gd3+置换部分Y3+,饱和磁化强度温度系数小，形成稀土复合YGdIG石榴石铁氧体材料.㈡加入In3+置换Fe3+,铁氧体磁晶各向异性常数K1下降,使ΔH下降，Ca2+,V5+是低熔点离子,在较低的烧结温度下,生成单相致密的石榴石铁氧体,为保持电中性条件,掺入Ca2+，V5+的比为2∶1。㈢提高预烧温度,降低烧结温度,减小晶粒平均尺寸也可以提高hc通过以上三点的分析，设计出来的石榴石铁氧体是一种复合稀土石榴石铁氧体。简写成：YGdCaVInIG㈠按照制备石榴石铁氧体工艺特点和要求,采用氧化物工艺程序,制备了YGdCaVInIG多晶铁氧体,为了进一步优化铁氧体的特性，我们探测性的掺入微量Mn离子代替部分三价Fe离子，研究Mn元素对铁氧体性能的影响。2.2制备选定以为基本配方分子式，其中各元素的右下标代表相应的摩尔数，式中a,b,c为特定数值，掺的Mn的x分别取：0.00,0.01,0.02,0.03,0.04,0.06,0.08研究Mn含量对铁氧体性能影响。332333532322312ababccaxbxYGdCaFeInFeVMnO三、掺Mn对大功率复合石榴石铁氧体的性能影响3.1Mn对YGdCaVInIG铁氧体电阻率的影响YIG铁氧体本身电阻率较高,损耗较低,但铁氧体很难处于正确的组分,往往存在Fe2+,使其电阻率ρ下降。用Mn3+替代Fe3+,抑制了Fe2+产生,铁氧体电阻率ρ随Mn3+含量x增加而上升3.2Mn3+对YGdCaVInIG的tgδe的影响lgδe∞1/ερ式中ε为介电常数,ρ为电阻率3.3Mn3+对YGdCaVInIGtgδm的影响3.4Mn3+对YGdCaVInIG的4πMs的影响3.5掺Mn3+的YGdCaVInIG的4πMs随温度变化曲线低磁矩、大功率铁氧体的4πMs不仅要小,同时温度系数要小四、预烧温度和烧结温度对铁氧体性能影响以100℃·h-1速度升温,选择了4种不同的预烧温度,空气中预烧,1360℃充O2烧结,保温5h,制备x为0.04掺Mn的YGd2CaVInIG铁氧体,在1050℃保温5h预烧性能较好。4.1预烧温度对铁氧体性能影响4.2烧结温度对铁氧体性能影响烧结温1350～1380℃为最佳烧结温度,比YIG铁氧体的烧结温度下降了120～150℃。晶体结构分析铁氧体相变是完全的,呈单相立方晶系,具有YIG型相同的空间群I230,属复合石榴石型铁氧体.GdCaVInIG样品的XRDY衍射谱Mn对YGdCaVInIG铁氧体晶体结构影响Mn3+对多晶铁氧体的晶体结构没有影响,只是晶格常数在1.25057～1.25101nm之间变化,处于复合型石榴石铁氧体点阵常数1.23～1.28nm之间.单胞分子数n为7.75～7.80,单组分立方晶系石榴石型铁氧体单胞分子数应为8.掺Mn的YGdCaVInIG铁氧体n8,说明最后形成的晶体结构中,用Mn3+或其他离子置换Fe3+或Y3+,存在点阵空位.五、结论⒈YGdCaVInIG铁氧体是低磁矩、大功率微波铁氧体材料⒉以少量Mn3+替代Fe3+,可以提高铁氧体性能，Mn掺入量以x为0.04～0.06比较合适⒊最佳预烧温度为1050℃,最佳烧结温度为1350～1380℃,保温5h,O2中烧结.这种材料适合微波低频段器件性能要求.谢谢