烧结工艺对ＭｎＺｎ铁氧体磁性能的影响 况佳，陈世钗，罗俊，张怀武 （电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都６１００５４） 摘要：在钟罩式气氛烧结炉中烧结高导ＭｎＺｎ铁氧体材料．研究发现，掺入适量的ＣａＣ０３和Ｂｉ２０３能改 善材料的磁性能。烧结过程中烧结温度的增高可以促进晶粒长大，有利于提高起始磁导率；烧结气氛对离子电 价和晶相形成有着决定性影响，选择合适烧结工艺是制备优质ＭｎＺｎ铁氧体的关键． 关键词：ＭｎＺｎ铁氧体；烧结工艺；氧分压；起始磁导率 中图分类号：ＴＭ２７７＋．１ 文献标识码：Ｂ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ 文章编号：１００１—３８３０（２００８）０５－００４８－０３ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＭｎＺｎ Ｆｅｒｒｉｔｅｓ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｈｅ ＫＵＡＮＧ Ｊｉａ，ＣＨＥＮ Ｓｈｉ－ｃｈａｉ，ＬＵＯ Ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｈｕａｉ－ｖｃＵ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｈｍ Ｆｉｌｍ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭｎＺｎ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ，ｐｒｏｐｅｒ ｆｅｒｒｉｔｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｇｒａｉｎ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｈａｖｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｏｐ－ｈａｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ＣａＣ０３ ａｎｄ Ｂｉ２０３ ａｄｄｉｔｉｏｎ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭｎＺｎ ｆｅｒｒｉｔｅ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｏ ｏｎ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｆｕｒｎａｃｅ．Ｉｔ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ． ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｅｒｍｅｒｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｗｉｎｇ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ ｔｈｅ ｉｏｎｉｃ ｖａｌｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒａｉｎ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｏｆｐｒｉｍｅ ＭｎＺｎ ｆｅｒｒｉｔｅｓ． ｐｒｏｃｅｓｓ；ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ；ｉｎｉｔｉａｌ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ 高档ＭｎＺｎ铁氧体材料制造工艺中可谓关键的关 ｌ引言 键【２１。 随着电子信息技术的发展，传统的普通软磁铁 本文主要研究烧结温度以及平衡烧结气氛对 氧体已经不能满足新兴的信息网络技术的要求，高 高导ＭｎＺｎ铁氧体磁性能的影响，以制备高性能的 （磁）导（率）材料成为许多新兴ＩＴ技术不可或缺的组 ＭｎＺｎ铁氧体。 成部分。为适应低频宽带变压器、小型环形脉冲变 压器和电感器、电源滤波器等电子元件的小型化、 ２实验 微型化的需要，高磁导率软磁锰锌铁氧体材料得到 采用氧化物工艺制备高磁导率ＭＩＩＺｎ铁氧体。 了迅速发展。材料的起始磁导率越高，在相同电感 以分析纯的Ｆｅ２０３、ＺｎＯ、ＭＲ３０４为基本原料，主 量要求下，有利于实现器件的小型化，这样才能满 配方范围：Ｆｅ２０３：５０－－５５ｍ０１％，ＺｎＯ：１６～２５ｍｏｌ 足通讯、计算机等ＩＴ产业和电子整机对各种器件 ％，Ｍｎｌ０４：５～１１．３ｍ０１％。按配方比例称料，在球 超小型化、微型化的要求…。 磨机中混合搅拌４ｈ后取出烘干，然后在９５０℃下 对于铁氧体工艺来讲，配方是基础，成型是条 预烧并且保温２ｈ，将料取出分为四份，按表１分 件，烧结则是关键。在烧结ＭｎＺｎ铁氧体的整个过 别掺入ＣａＣ０３和Ｂｉ２０３，再球磨６ｈ，二次球磨的料 程中，最难实现的就是平衡气氛。平衡气氛在优质 经烘干、造粒，压制成ａ１６ｍｍｘ０８ｍｍｘ６ｍｍ的圆 环。按照不同的平衡气氛和烧结温度进行烧结。用 收稿日期：２００８．０１．０４ 修回日期：２００８．０３．１８ 基金项目：国家自然科学杰出青年基金资助项目 （６０４２５１０２）；科技部国际合作项目（２００６ＤＦＡ５３４１０） 作者通信：Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｕａｎｇｊｉａ８５＠１２６．ｃｏｒｎ ４８ Ａｇｉｌｅｎｔ ＨＰ４２８５阻抗网络分析仪测量样品的电感值 和电阻，按相关公式计算起始磁导率和比磁滞损耗 系数【引。 Ｊ 万方数据 Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｖｏｌ ３９ Ｎｏ ５ 表１ ＭｎＺｎ样品的添加物质量分数 ３结果与分析 ３．１烧结温度对起始磁导率的影响 图ｌ给出了在氮气平衡烧结气氛条件下不同 １３６０ １３７０ １３８０ １３９０ １４００ １４１０ １４２０ 彤℃ 烧结温度样品的起始磁导率。由图１可以看出在图 图１烧结温度对起始磁导率的影响 示范围内随着烧结温度的升高，材料的起始磁导率 是不断增加的，其中又以样品４的起始磁导率最 较大，矫顽力减小【４】ｏ图２给出了样品ｌ、４的ＳＥＭ 大。烧结温度的增高，晶粒逐渐长大，晶界变薄， 照片。由图２可以看出，在相同烧结温度下，掺杂 气孑Ｌ减小，且晶粒趋于均匀，烧结密度增大，晶界 有利于晶粒的长大，生成的晶粒更均匀，所以其磁 附近的内应力减小，畴壁移动阻力减小，故磁导率 导率也更高。 （ｂ）样品４ （砂阵品１ 图２ １４２０＂Ｃ烧结下， 样品１、４的ＳＥＭ照片 ３．２烧结气氛对材料磁性能的影响 －－ｍ一样品１ １１∞Ｏ 仍以样品ｌ￣４作为实验对象，固定相同的烧结 １１∞Ｏ 温度１４２０℃，理论和实验已证实，对尖晶石结构 １０姗 的铁氧体，氧分压的对数与绝对温度的倒数呈线性 关系，可用下式表示：ｌｏｇＰｏ．＝－１４５４０／Ｔ＋Ａ，Ａ 值大概范围可通过ＭｎＺｎ铁氧体的平衡气氛关系 图得到【２１。通过对彳值的改变，即可得到不同温度 下的平衡氧分压，就能控制降温过程烧结气氛中的 ≮１０咖 ９驰Ｏ 囊啪 洲 ８０∞ ７．３ ７．４ ７．５ ７．５ 彳 氧含量，即得到不同的烧结气氛。图３是氧分压对 图３起始磁导率随氧分压的变化 起始磁导率的影响，图４是比磁滞损耗系数随着氧 性能急剧恶化［４１。因此，平衡气氛对制备高质量 分压的变化。 从图３和图４中可以看出，当Ａ＝７．５时，材料 的起始磁导率最高，比磁滞损耗系数降至最低。烧 ＭｎＺｎ铁氧体是十分重要的。 ４结论 结气氛对材料性能影响是很大的，主要因为在烧结 过程中随着氧分压和温度的变化会发生电价的变 化以致相变，过度的氧化与还原，就会有另相 （仅．Ｆｅ２０３、ＦｅＯ、Ｆｅ３０４、Ｍｎ２０３等）析出，将导致磁 磁性材料及器件 万方数据 ２００８年１０月 （１）在一定范围内随着烧结温度的增高起始 磁导率也增大，烧结温度对晶粒的生长有着很重要 的影响；掺杂有利于晶粒的生长，其中以掺 ４９ 参考文献： Ｏ．３２ 【１】陈国华。２１世纪软磁铁氧体材料和元件发展趋势册． Ｏ．３０ 磁性材料及器件．２００１，３２（４）：３４．３６． Ｏ．２０ 【２】邓尚斌．Ｍ．ｎＺｎ铁氧体烧结工艺研究［Ｊ】．磁性材料及器 ８ 件．１９９６，２７（１）５０—５３． Ｏ．２６ 【３】 Ｏ．２‘ 过壁君．磁芯设计及应用［Ｍ】．成都：电子科技大学出 版社，１９９４，４２－４５． Ｏ．２２ ７．３０ 【４】黄永杰．磁性材料【Ｍ】．北京：电子工业出版社，１９９４， ７．３５ ７．４０ ７．４５ ７．５０ ７．５５ ７．６０ ４８—５４． Ａ 图４比磁滞损耗系数随氧分压的变化 ‘ 【５】Ｋｉｌｂｒｉｄｅ Ｐ．Ｅ疵ｃｔ Ｉ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ０．０２ｗｔ％ＣａＣ０３和０．０６ｗｔ％Ｂｉ２０３＂时磁导率最高。 ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ０ｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｆｅｒｒｉｔｅＥＪ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｍ ｍａｎｇａｎｅｓｅ—Ｚｉｎｃ Ｍａｇｎ，２０００，３６（１）：３７５—３８０． （２）当Ａ＝７．５时，材料的起始磁导率相对较 高，比磁滞损耗系数相对较低。烧结气氛对离子电 价和晶相形成影响很大，因此选择合适的烧结气氛 作者简介：况佳，男，江西吉安人，硕士研究生，研究 对制备ＭｎＺｎ铁氧体材料非常关键。 方向为磁性材料与器件设计． （上接２５页） 颗粒直径的坡莫合金纳米线的磁化反转过程，以 ｆ５】 及磁化反转过程中不同阶段磁体的磁矩分布情 况，探讨了磁体矫顽力随纳米线长度和颗粒直径 ［Ｊ】．Ｊ Ｍａｇｎ Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ，ｌ ９９５，１４５：３３－３９． 【６】Ｐｉｒａｕｘ 的变化机理，为实验结果和理论计算提供了有力 的补充，对于把这种纳米线付诸高密度存储应用 Ｗｅｍｓｄｏｒｆｅｒ Ｗ Ｈａｓｓｅｌｂａｅｈ Ｋ Ｍａｉｌｌｙ Ｄ．Ｄｅ－ｓｑｕｉｄ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｊ Ｌ，Ｄｕｂｏｉｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓ，Ｆｅｒａｉｎ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆｓｕｂ－ｍｉｅｒｏｎ ｗｉｒｅｓ【Ｊ】． ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆａｒｒａｙｓ Ｍａｇｎ Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ，１９９７，１６５：３５２． 【７】Ｈｏｕ Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓ，Ｂｉｓｈｏｐ Ｊｅｌ，Ｔｕｃｋｅｒ 有着重要的指导意义。结果显示：矫顽力处的磁 ｏｆ ９００ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌｓ ｉｎ ｔｈｉｎ ｉｒｏｎ 矩分布与起始点处的磁矩分布基本一致，呈涡旋 １９９７．８１：５２３９． 状，在外场作用下，涡旋逐渐向边缘移动，直至 消失。不同颗粒尺寸的纳米线，磁化反转过程中 磁矩分布情况不一样，但整个磁化反转过程为多 畴反转的过程。同时，矫顽力随着纳米线长径比 的增大而减小，相同长径比下，颗粒直径大的薄 膜矫顽力大，这主要与磁化反转机理有关，在磁 化反转中，形状各向异性占有绝对的主导地位。 缺陷及纳米线间的静磁相互作用对反磁化机制 和矫顽力的影响还值得深入的研究。 ｎａｎｏｗｉｒｅｓ【Ｊ】．Ｐｈｙｓ ［９１ Ｍａｏ ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ｃｏｂａｌｔ ｄｏｔｓ［Ｊ】．Ｊ Ａｐｐｌ ＰｈｙＳ，２０００，８７：５５１４． ｗ，Ｈａｓｓｅｌｂａｃｈ ｌ（＇Ｍａｉｌｌｙ Ｄ，ｅｔ ａ１． 【１０】Ｗｅｍｓｄｏｒｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｙ Ｚｈｕ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｉｎ １３Ｉ Ｗｈｉｔｅ Ｊ 【ｌｌ】Ｌｅｏｎ Ａ，Ｚｈｕ Ｊ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｎｌ ｆｉｌｍ ｗｒｉｔｅ ｈｅａｄｓ Ｍ．Ｈｉｇｈ ａｔ ｓｐｅｅｄ ｄｅｅｐ ｓｕｂｒｎｉｃｒｏｎ Ａｂｅｌｍａｎｎ Ｌ，Ｚｈｕ Ｊ Ｇ Ｂａｉｎ Ｊ，ｅｔ ａｉ．Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｌｕｘ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ａ ｒｅａｄ ｈｅａｄ ｗｉｔｈ ｓｕｂ－１００ｎｍ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ嗍．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，２０００，８７：５５３８． 【３】 Ｆｒｅｉ Ｅ Ｈ，Ｓｈｔｒｉｋｍａｎ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｉｄｅａｌ Ｒｅｖ Ｓ，Ｔｒｅｖｅｓ Ｄ．Ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｉｚｅ ａｎｄ Ｄ，Ｄｏｎ Ｇ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ【Ｊ】．Ｊ Ｐ ａｍｅｓ Ａ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｍｃｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｊ ｆｌｕｘ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ａ ｒｅａｄ ｈｅａｄ、）ｌｒｉｔｈ ｓｕｂ—１００ Ｐｈｙｓ，２０００，８７（９）：５５３８ Ａｐｐｌ ｒｅｖｅｒｓａｌ ａｎｄ ５５４０． ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｍ，Ｌｕｉｓ Ｆ．Ｌｏｗ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ Ｆｅ， ｎａｎｏｗｉｒｅｓ【Ｊ】Ｊ．Ｊ Ｍａｇｎ Ｍａｇｕ Ｍａｔｅｒ，２００１， Ｃｏ ［１３】Ｓｋｏｍｓｋｉ Ｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｚｅｎｇ Ｈ，Ｓｅｌｌｎｙｅｒ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｉｎ Ｄ Ｊ．Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ仞．Ｊ Ｍａｇｎ Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ，２００２，２４９：１７５－１８０． 【１４】Ｆｅｒｒｄ Ｒ Ｏｕｎａｄｊｅｌａ Ｋ Ｇｅｏｒｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ｎｉｃｋｅｌ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ［ｆ１．Ｐｈｙｓ ａｎｄ Ｊ Ｍ，ｅｔ ａｌ，Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｂａｌｔ ｅｌｅｃｔｒｏ．ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ Ｒｅｖ Ｂ，１９９７，５６（２１）：１４０６６－１４０７５． ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ【Ｊ】．Ｐｈｙｓ Ｂ，１９５７，１０６（３）：４４６－４５５． 【４】Ｍｉｋｅ ａ ２２４：１ ８０．１９６． Ｒ ｔｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ【Ｊ】．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，２０００，８７：５４１６． 【２】 ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ【Ｊ】．Ｊ Ｍａｇｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ，１９９５，１４０—１４４：３８９． Ｎｉ，ａｎｄ Ｃ Ｒｅｖ Ｂ，１９９７，５６：１４０６６． Ｐａｒｋｅｒ Ｇ Ｊ，Ｃｅｒｊａｎ Ｃ。Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ［１１ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ， ［８】Ｆｅｒｒ Ｒ，Ｏｕｎａｄｊｅｌａ Ｋ Ｇｅｏｒｇｅ Ｊ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎｄ ｃｏｂａｌｔ ｅｌｅｅｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｎｉｃｋｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ［１２】Ｐａｕｌｕｓ 参考文献： ｆｉｌｍｓ［Ｊ】．Ｊ Ｐ．ＯＣＩＭＭＦ Ｕｓｅｒ’ｓ Ｇｕｉｄｅ。Ｒｅｌｅａｓｅ １．２ａ。 作者简介：董凯锋（１９８１一）， 研究生， 男，湖北武汉人，博士 主要从事高密度磁记录、磁光记录介质研究． ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｍａｔｈ．ｈｉｓｔ．ｇｏｖ／ｏｏｍｍｆ／，Ｏｃｔｏｂｅｒ ３０，２００２． Ｊ 万方数据 Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｖｏｌ ３９ Ｎｏ ５