中国电子科技集团公司第三十三研究所 山西太原 030006
摘要：采用溶胶-凝胶法合成掺杂La的六角晶系Z型钡铁氧体Ba3-xLaxCo2Fe24O41，并对其吸波性能进行研究。实验结果表明，镧的最大添加量为x=0.3，此时Ba3-xLaxCo2Fe24O41可以形成完整的物相结构，对其吸波性能研究分析表明，适量的掺杂镧可以提高Z型钡铁氧体的吸波特性，最大衰减量为-26.5dB，有效带宽为5GHz。
关键词：溶胶-凝胶法；Z型钡铁氧体；吸波材料
引言
随着雷达、微波通讯技术的迅速发展，特别是近年来应微波暗室、隐身技术和抗电磁干扰技术等方面的要求，宽频带、高频率吸波材料的掺杂技术和制备工艺受到了人们的更多关注，在高频下铁氧体吸波材料有着较大的电阻率，较高的磁导率，从而容易使电磁波进入，而且还可以使其在内部迅速的转化和衰减，这种材料同时用于低频扩展频带领域优势也特别的明显，所以在吸波材料方面得到了广泛的应用。其中六角钡铁氧体系中，M、Y、W、Z型钡铁氧体具有典型的片状六角晶系结构，而在吸收方面，片状结构是最好的形状，六角晶系钡铁氧体是双复介质材料，对于磁晶的各向异性场更便于调节。因此，M、Y、W、Z型六角钡铁氧体作为吸波材料，尤其在微波波段内表现出了很大的应用潜力。本文采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了Z型钡铁氧体Ba3-xLaxCo2Fe24O41，对其晶体结构和吸波性能进行了研究和表征。
1 实验方法
将分析纯的Ba（NO3）2、Fe（NO3）3·9H2O、Co（NO3）2·6H2O、La（NO3）3·6H2O按照化学计量比溶入去离子水中，搅拌溶解，溶解后，将柠檬酸加入溶液中（金属离子与柠檬酸的摩尔比为1：1.5），继续搅拌溶解。加热到60摄氏度，加入定氨水，调节PH值至中性。真空蒸馏会逐渐的浓缩成凝胶。然后将其放入干燥箱，80℃干燥成干凝胶。以无水乙醇为助燃剂--蔓延燃烧。于1250℃烧结5小时，得到六角晶Z型钡铁氧体粉末。按照1：2的质量比，使粉体和粘合剂进行均匀的混合，其中，粘合剂采用环氧树脂，然后在铝板上均匀涂敷形成涂层，对它的吸波性能进行测试。
用JSM-6360A扫描电镜（SEM）观察其晶体形貌。采用X射线衍射分析仪（XRD），分析铁氧体粉末的物相成分（工作电压40kV；工作电流100mA；扫描速度0.02/S；扫描范围20—70）。采用E8363B网络矢量分析仪用远场RCS法测试铁氧体粉末的吸波性能。
2 测试及分析
2.1六角晶Z型钡铁氧体的晶相结构SEM照片
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图1. 扫描电镜（SEM）测试照片
由图1可知，材料晶粒的微观形状受La离子的烧结温度和填加量影响不大，均形成明显的六角片状结构。
2.2La加入量对材料物相结构的影响
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图2. 不同稀土La3+加入量的（Ba3-xLaxCo2Fe24O41）样品的XRD谱图
由图2可知，当La3+离子的加入量X≤0.3时的XRD谱线基本相同，当La3+离子的加入量X=0.3时，样品为纯Z相结构。当La3+离子的加入量X=0.4时，衍射峰出现尖劈，即有杂相生成。所以La3+离子的最大加入量应为X=0.3。
2.3La加入量对材料吸波性能的影响
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图3.不同稀土La3+加入量的（Ba3-xLaxCo2Fe24O41）样品的反射率
在图3中，1#为X=0.1的样品；2#为X=0.2的样品；3#为X=0.3的样品；4#为X=0.4的样品。由图3可知道，1#、2#、4#样品的反射率均无优于10dB的频段，而3#样品即La3+加入量为X=0.3的样品，在频率为7.5GHz处有强烈的吸收峰，在2GHz～18GHz的频率范围内优于10dB的有效吸收频带为5GHz。
La3+离子加入铁氧体晶体中，优先进入B位即八面体中，由于其半径比B位中最大间隙半径大的多，所以必将使B位增大，引起晶格常数的变化，提高介电损耗，增大晶粒的尺寸，增加涡流损耗，减小总的电阻率。此外，稀土元素La晶体对称性低，呈超六角晶格或者双重六角晶格，有着较高的磁晶各向异性，为了提高矫顽力，增强各向异性场，在材料中加入稀土元素La3+，可以在微波场中增大磁滞损耗。因为磁滞损耗和涡流损耗会随着频率的增大而增大，所以，可以使微波频段的吸波性能显著提高。
2.4材料吸波机制的讨论
由于铁氧体属于双复介质，有着介电性和铁磁性。在介质内部存在的损耗机制中，主要有介电损耗和磁损耗两种。主要是通过复数介电常数虚部和复数磁导率虚部来表明损耗的大小。
钡铁氧体的吸波特性之所以通过掺杂可以显著提高，主要原因是以下几点：
2.4.1由于钡铁氧体中的离子半径较小，被半径比较大的稀土离子取代后，可以使晶格畸变，使物理活性提高，也使介电损耗提高。
2.4.2晶体在掺杂适量的镧后，可以使磁晶各向异性增加，从而提高变电磁场中的磁滞损耗。
2.4.3增大磁晶各向异性后，自然共振频率fr会向高频移动。
2.4.4畴壁上会有部分掺杂的镧分布，可以对畴壁的运动起到钉扎作用，使畴壁共振引起的损耗增大。
2.4.5晶体在掺杂镧后，平均粒径尺寸会发生变化，从而引起晶体的电阻率减小，使涡流损耗增大，于是就可以实现吸收率的增大。
2.4.6在铁氧体中，稀土元素固溶度很低，如果掺杂过量的庆，就会产生杂相，反而不利于吸波性能的提高。
3 结论
用溶胶-凝胶法可以合成掺杂La的六角晶系Z型钡铁氧体，这种铁氧体最合适的成相热处理条件为1250℃～1275℃∕5h，通过Ba3-xLaxCo2Fe24O41（x＝0.00～0.40）的吸波特性进行研究，结果显示，在材料中适量的掺杂镧可以吸波特性提高，宽频范围中，当x＝0.30时，材料吸波特性呈现较好。
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论文作者:王喆
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/15
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