玻璃陶瓷的合成工艺及电磁特性研究

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　第31卷第4期　2003年4月

硅酸盐学报

JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETY

Vol.31,No.4April,2003

BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷的合成工艺及电磁特性研究

张海军1,姚　熹2,2

(1.郑州大学高温材料研究所,郑州　450052;2.,)

摘　要:研究了柠檬酸溶胶-凝胶工艺制备/2SiO2的摩尔分数为50%和67%,铁和钡的摩尔比为

5∶1～7∶1,绕结温度为1000～℃12O19玻璃陶瓷。测定了玻璃陶瓷在100MHz～6GHz下的复介电常数

和磁导率。结果表明:;磁导率虚部数值在0左右波动。关键词:钡铁氧体/二氧化硅;玻璃陶瓷;溶胶-凝胶

中图分类号:TM277　　文献标识码:A　　文章编号:0454-5648(2003)04-0366-05

PREPARATIONANDELECTROMAGNETICPROPERTIESOF

BaFe12O19/SiO2GLASSCERAMICS

ZHANGHaijun,YAOXi,ZHANGLiangying

1

2

2

(1.HighTemperatureCeramicsInstitute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou　450052;2.FunctionalMaterial

ResearchLaboratory,TongjiUniversity,Shanghai　200092,China)

Abstracts:BaFe12O19/SiO2glassceramicswithverylittleimpurityphaseswerepreparedbycitratesol-gelprocessunderthecondi2tionofSiO2molarfractionof50%and67%,n(Fe)∶n(Ba)=5∶1—7∶1,andthecalcinedtemperatureof1000—1100℃.Thecomplexdielectricconstantandcomplexpermeabilitydispersionwereinvestigatedintherangeof100MHz—6GHz.Theresultshowsthatthecomplexdielectricconstantandrealpartofpermeabilitydecreaseswiththeincreasingoffrequency,whilethevalueofimagi2narypartofpermeabilityissmallandneartozeroinmeasuringfrequency.Keywords:bariumferrite/silicumdioxide;glassceramics;sol-gel

　　复相玻璃陶瓷是指微晶与玻璃相之间通过相的复合,获得具有一系列特殊性能的精细复合功能材料。该类材料可以同时具有机、电、光、热等多种性能,还可以通过制备工艺的改变对其结构与性能加以剪裁。同时该类材料合成温度低,易于形成致密的细晶结构,这使其易于和银、铜、镍等电极共烧。复相玻璃陶瓷的应用前景非常广阔,可以用作多层电容器、多层感应器、多层微波谐振器和滤波器的介质材料。由于其介电性能和磁性能可以根据组成的不同加以调节,因此这种玻璃陶瓷也可以用其做水

收稿日期:2002-06-05。修改稿收到日期:2002-08-08。基金项目:国家自然科学基金(59995320)重大资助项目;上海市重

点学科建设资助项目。

作者简介:张海军(1970～),男,博士,副教授。

声探测器、热释电探测器、微波吸收材料以及频率剧

变微波电子器件等。由于与硅、光导纤维等有着良好物理、化学相容性,它们也可以在微电子机械系统、电光、非线性光学系统中使用。

钡铁氧体(BaFe12O19)由于具有高的垂直磁化强度,易于加工成尺寸小、形状均匀、结晶完整的片状颗粒,具有化学稳定性和惰性等优点而受到人们广泛的关注。溶胶-凝胶工艺在制备玻璃和陶瓷等先进材料领域出现了异常活跃的研究局面,目前采用溶胶-凝胶方法制备钡铁氧体材料已较为成熟[1～5],而

Receiveddate:2002-06-05.Approveddate:2002-08-08.),male,doctor,associateBiography:ZHANGHaijun(1970—

professor.

E-mail:zhanghaijun@http://wendang.chazidian.com

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通过溶胶-凝胶方法制备BaFe12O19陶瓷的报道还很少[6,7]。利用柠檬酸盐溶胶-凝胶工艺合成BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷,研究工艺参数对合成材料相结构的影响及其在微波频段下的介电性能、磁性能。

5610LV扫描电子显微镜观察玻璃陶瓷的显微结

构。采用HP8753E网络分析仪测定其介电常数和磁导率,测定范围100MHz～6GHz。

2　结果和讨论

图1～图4是x(SiO2)50%,67%,75%和%时19BaFe12O19:

(12O19)=IBaFe12O19(114)/(IBaFe12O19(114)+I)(1)其中:IBaFe12O19(114)为BaFe12O19最强峰相对强度;I为杂质最强峰强度(主要为Fe2O3)。横坐标为铁钡的摩尔比n(Fe)∶n(Ba)。图1中可以看出,在BaO-Fe2O3-SiO2体系中,析出晶相的种类与SiO2的含

1　实　　验

使用的化学试剂有柠檬酸铁、碳酸钡、柠檬酸、

正硅酸乙酯等。檬酸的水溶液中,,BaCO3,搅拌均匀后得到透明的溶胶,而后低温浓缩得到黄褐色的凝胶。将凝胶置于烘箱中低温加热脱水,而后在分解炉中450℃,5h热处理,得到BaFe12O19/SiO2前驱体粉末。将此粉末在研钵中磨细,在10MPa的压力下压制成直径为10mm,厚度为3mm的圆片素坯。烧结在空气中进行,升温速度为5℃/min,升至700～1100℃下保温5h,然后自然降温得到BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷。采用RAX-10型X射线衍射仪测定合成粉末的物相组成。采用JSM-

量、铁钡的摩尔比以及热处理温度密切相关。图1、图2的结果表明,当体系中x(SiO2)为50%,67%,n(Fe)∶n(Ba)处于5～7,热处理温度在1000～1100℃时可以得到单一BaFe12O19晶相或杂质含

量很少的BaFe12O19玻璃陶瓷。而随着SiO2含量及铁钡摩尔比的提高,体系中析出BaFe12O19

单一晶

图1　配方中不同铁钡摩尔比时玻璃陶瓷中铁氧体相相对含量

Fig.1　BaFe12O19phaserelativecontentsinglassceramicinmixtureatx(SiO2)=50

%

图2　配方中不同铁钡摩尔比时玻璃陶瓷中铁氧体相相对含量

Fig.2　BaFe12O19phaserelativecontentsinglassceramicinmixtureatx(SiO2)=67%

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图4　配方中不同铁钡摩尔比时玻璃陶瓷中铁氧体相相对含量

Fig.4　BaFe12O19phaserelativecontentsinglassceramicinmixtureatx(SiO2)=80%

相的难度加大,γ-Fe2O3及杂质相的含量迅速增加。当x(SiO2)为80%时,在所有实验条件下,都无法得到BaFe12O19为主晶相的玻璃陶瓷(见图4)。BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷的部分XRD衍射结果如

图5所示。

在BaO-Fe2O3-SiO2体系中,BaO比Fe2O3

更易进入玻璃体系中,这是由于BaO在玻璃体系中表现为网络调整氧化物,其金属阳离子填充在SiO2无序网络结构中,每一对非桥氧离子占有一个阳离子(Ba2+),形成网络结构。图3、图4表明,当x(SiO2)为75%和80%时,BaFe12O19/SiO2前驱体在700℃灼烧后得到单相的γ-Fe2O3。通常,亚稳态的γ-Fe2O3在400℃左右即转变为α-Fe2O3,而BaFe12O19/SiO2前驱体灼烧后得到的γ-Fe2O3在700℃仍能稳定存在,原因有待进一步研究。

图6为试样经HF酸腐蚀后的表面扫描电镜照片。从图6中可以看出,样品的晶粒大小较均匀,平均晶粒尺寸在0.4μm左右,晶粒发育不充分,基本呈现球型,这表明体系中的玻璃相有效的抑制了晶粒的生长及团聚。

图7为x(SiO2)=50%,n(Fe)∶n(Ba)=6,

热

图5　配比为x(SiO2)=50%,n(Fe)∶n(Ba)=6时不同

温度处理后BaFe12O19/SiO2前驱体的XRD图Fig.5　XRDpatternsfortheBaFe12O19/SiO2precursorcal2

cinedatdifferenttemperaturesfor5hatx(SiO2)=50%,n(Fe)∶n(Ba)=6

处理温度为1000℃时的BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷

的微波测试结果。从图7中可知,BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷的复介电常数值随测试频率的增加而变

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有关的变形损耗。图7表明,在测试频段内,

BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷其磁导率实部μ′值在1.25～1.1之间变化,基本随测试频率的增加而下

降;其磁导率虚部μ″随测试频率的变化几乎保持不变,其值在0左右波动。根据文献[10]的结果,BaFe12O19的单畴临界晶粒尺寸为1.3μm,对比图6可知,合成的BaFe12O/玻璃陶瓷体系内O,。微波频

1219图6　Fig.6　SEMbyofas2fired

sample

x(SiO2)=50%;n(Fe)∶n(Ba)=6;1000℃

,根据文献[11,12]的结

果,BaFe12O19的自然共振峰出现在45GHz左右,因此实验测试条件下(100MHz～6GHz),BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷的磁损耗只能由畴壁共振

来引起。但由于玻璃陶瓷中的BaFe12O19都处于单畴状态,导致由畴壁共振引起的损耗不能产生,因此在实验条件下其磁损耗较小。

小,这和文献[8,9]的结果相吻合。BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷介电损耗有3个来源:(1)离子迁移损耗;(2)共振型的离子振动损耗;(3)

与网络或晶格变形

3　结　　论

采用柠檬酸溶胶-凝胶法合成BaFe12O19/SiO2

玻璃陶瓷的合适工艺条件是:SiO2的摩尔分数为50%和67%;铁和钡的摩尔比为5∶1～7∶1;烧结温

度为1000～1100℃。实验条件下合成的玻璃陶瓷中BaFe12O19的晶粒在0.4μm左右,基本呈球型。BaFe12O19/SiO2玻璃陶瓷在微波频段的磁导率实部约为1.2,复磁导率虚部基本不随测试频率的改变而变化;其复介电常数值随测试频率的增加而减小。

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图7　BaFe12O19/SiO2的介电常数、磁导率随微波频率的

变化

Fig.7　Frequencydependenceofcomplexdielectricconstant

andpermeabilityofBaFe12O19/SiO2

x(SiO2)=50%;n(Fe)∶n(Ba)=6;1000℃

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BaFe12-2x

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nicalLibrary,1959.78—84.

《玻璃的电熔化与电加热》

●《玻璃的电熔化与电加热》由江苏大学陈金方副教授编著,由华东理工大学教授著名的玻璃窑炉专家孙承绪主审。作者从事过十多年玻璃电熔化方面的技术研究和技术推广工作,参与设计、引进、翻版过数十座玻璃电熔窑、电加热料道、电辅助加热玻璃窑炉,帮助玻璃厂解决过多起玻璃电熔化和电加热方面的疑难问题。

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■第2篇全电熔玻璃窑　　共分四章讲述了全电熔玻璃窑概述、全电熔窑的结构设计、玻璃全电熔窑的烤窑和运行、全电熔窑的典型实例。

■第3篇火焰池窑的电助熔　　共分四章讲述了火焰池窑的电助熔的意义、电助熔池窑的设计和操作要点、电助熔池窑的实例。

■第4篇供料道的电加热　　共分四章讲述了供料道的电加热的概述、供料道电加热的设计、供料道电加热的使用、供料道电加热实例。

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