本發(fā)明涉及一種具有磁電容效應(yīng)的材料，尤其涉及一種具有室溫寬頻大磁電容效應(yīng)的鐵氧體材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

磁電容效應(yīng)(Magnetocapacitance effect)是指在材料在外磁場下，電容或介電常數(shù)發(fā)生變化的現(xiàn)象。具有磁電容效應(yīng)的材料可以在磁場探測器、智能濾波器和磁場控制器等電磁器件中具有重要的應(yīng)用。

具有磁電容效應(yīng)的材料可以分為單相材料和復(fù)合材料兩種。其中單相材料是最早發(fā)現(xiàn)的，但是到目前為止，絕大多數(shù)單相材料(如BiMnO₃等)的磁電耦合效應(yīng)都只能在遠(yuǎn)低于室溫(約為100K)的條件下才能比較明顯，遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。于是人們也把目光轉(zhuǎn)向磁電復(fù)合材料。

目前，材料復(fù)合的方式有兩種，即顆粒復(fù)合和層狀復(fù)合。顆粒復(fù)合磁電容材料由壓電相顆粒和磁致伸縮相顆?；旌隙桑鐖D1所示，可以在室溫下具有磁電容效應(yīng)，但是其磁電容效應(yīng)一般較弱(小于4％)。層狀復(fù)合材料由多層單相材料——壓電相和磁致伸縮相粘結(jié)而成，如圖2所示，可以具有較大的磁電容效應(yīng)，但是其磁電容效應(yīng)隨著電場頻率的增加衰減很快。在高頻(1MHz及以上)情況下，復(fù)合材料的磁電容效應(yīng)都很弱；同時(shí)，層狀復(fù)合材料由于其粘結(jié)工藝，對器件的小型化有一定的限制。

隨著器件小型化的發(fā)展，具有室溫大磁電容效應(yīng)的單相材料變得越來越重要。

在目前報(bào)道的多數(shù)單相磁電容材料的室溫磁電容效應(yīng)都比較弱。已報(bào)道的具有大磁電容效應(yīng)的代表性單相材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiFeO₃、SnO₂和尖晶石鐵氧體(Ni,Mn,Zn)Fe₂O₄等，其中BiFeO₃和SnO₂材料的室溫大磁電容效應(yīng)集中在低頻范圍。(Ni,Mn,Zn)Fe₂O₄在低頻和高頻共振點(diǎn)附近具有較大的磁電容效應(yīng)，但是在其它頻率區(qū)域的磁電容效應(yīng)較小。因此，目前兼具室溫大磁電容效應(yīng)和寬頻特點(diǎn)的單相材料未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有室溫寬頻大磁電容效應(yīng)的鐵氧體材料及其制備方法。

本發(fā)明的具有室溫寬頻大磁電容效應(yīng)的鐵氧體材料具有分子式：AFe_12-xM_xO₁₉，其中A為Ba元素或Sr元素中的至少一種，M為Sc元素、Mg元素或Cr元素中的至少一種，x是M的原子比含量，且0＜x≤4。

本發(fā)明的具有室溫寬頻大磁電容效應(yīng)的鐵氧體材料的制備方法，包括步驟：

(1)以高純BaCO₃、SrCO₃、Fe₂O₃，Sc₂O₃、MgO和\或Cr₂O₃粉末藥品為原料，按所述鐵氧體材料分子式中的原子摩爾比進(jìn)行配比；

(2)將原料混合，并加入無水酒精進(jìn)行球磨；

(3)球磨后取出進(jìn)行烘干，然后磨碎，在空氣或流動氧氣氣氛中進(jìn)行預(yù)燒處理；

(4)取出預(yù)燒后的樣品，進(jìn)行研磨成粉末，然后向粉末中滴入PET粘結(jié)膠水，再次研磨直至樣品無結(jié)塊現(xiàn)象且與研缽壁沒有明顯粘結(jié)；

(5)將粉末倒入模具當(dāng)中，進(jìn)行加壓處理；

(6)減壓后取出成型樣品，觀察樣品是否存在裂痕，若存在裂痕則重新磨碎為粉末并再次壓制直至無裂痕為止；

(7)在流動氧氣氣氛中進(jìn)行燒結(jié)處理，即獲得所述鐵氧體材料。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中原料混合后置于球磨罐中并放入球磨珠，加入無水酒精至球磨罐三分之二高度處，將球磨罐放入球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200R/min至300R/min，球磨時(shí)間為10至20小時(shí)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)的預(yù)燒處理按照溫度梯度升溫，升溫速率為2℃/min，預(yù)燒溫度為800℃至1000℃，預(yù)燒時(shí)間為10小時(shí)至16小時(shí)，降溫速率為1℃/min至3℃/min。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)在70℃至100℃下進(jìn)行烘干，烘干時(shí)間為30分鐘至50分鐘。

進(jìn)一步的，所述步驟(7)中燒結(jié)處理的燒結(jié)溫度為1050℃至1300℃，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)至16小時(shí)，降溫速率為1℃/min至3℃/min，并在不同溫度區(qū)間變化。

進(jìn)一步的，所述步驟(5)中使用液壓千斤頂加壓，壓力為5Mpa至10MPa，并保持8min至10min。

進(jìn)一步的，對燒結(jié)成型后的樣品，經(jīng)研磨至光滑后可用酒精擦拭干凈進(jìn)行存放。

借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、分子式為AFe_12-xM_xO₁₉的鐵氧體材料具有較高的純度，電阻率較高，在20Hz至2MHz的頻率范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出顯著的磁電容效應(yīng)，磁電容效應(yīng)在2MHz以上仍然呈現(xiàn)一定的增加趨勢，因此，本發(fā)明的鐵氧體材料具有室溫寬頻大磁電容效應(yīng)，同時(shí)在部分頻率范圍磁電容效應(yīng)隨磁場的增加而顯著增大，彌補(bǔ)了現(xiàn)有單相磁電容材料室溫磁電容效應(yīng)弱和頻率范圍窄的缺點(diǎn)；

2、制備方法簡單，易操作。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中顆粒復(fù)合材料示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中層狀復(fù)合材料示意圖；

圖3是本發(fā)明制備的鐵氧體材料室溫XRD測試圖譜；

圖4是本發(fā)明制備的鐵氧體材料在不同溫度下的電阻率測試圖譜；

圖5是本發(fā)明制備的鐵氧體材料的磁電容(C％)測試圖譜，其中溫度為300K,磁場大小分別為0.01T、0.5T和2.5T，掃描頻率范圍是20Hz至2MHz。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明中的鐵氧體材料具有分子式：AFe_12-xM_xO₁₉,其中A為Ba元素或Sr元素中的至少一種，M為Sc元素、Mg元素或Cr元素中的至少一種，x是M的原子比含量：0＜x≤4。

本發(fā)明的鐵氧體材料的具體制備方法如下：

(1)、本發(fā)明以高純BaCO₃、SrCO₃、Fe₂O₃，Sc₂O₃、MgO和\或Cr₂O₃粉末藥品為原料(原料純度為99.99％)，按分子式中的原子摩爾比配比；比如在x＝1.6時(shí)，各成份摩爾比為BaCO₃：SrCO₃：Fe₂O₃：Sc₂O₃：MgO：Cr₂O₃＝80：20：520：78：3：1；

(2)、將稱量出的藥品手工混合后，置于球磨罐中并放入球磨珠，加入無水酒精至球磨罐三分之二高度處，將球磨罐放入球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200R/min至300R/min，球磨時(shí)間為10至20小時(shí)；

(3)、球磨完成后取出球磨罐內(nèi)藥品并置于研缽內(nèi)，放入烘干機(jī)烘干，烘干機(jī)設(shè)定為70℃至100℃，烘干時(shí)間為30分鐘至50分鐘；

(4)、將烘干后的藥品磨碎并置于坩堝中，放入管式爐在空氣或流動氧氣氣氛中進(jìn)行預(yù)燒處理，并按照一定的溫度梯度升溫，升溫速率為2℃/min，預(yù)燒溫度為800℃至1000℃，預(yù)燒時(shí)間為10小時(shí)至16小時(shí)，降溫速率為1℃/min至3℃/min；

(5)、預(yù)燒完成后，取出樣品，并放入清洗過的研缽中手工研磨至少20分鐘至40分鐘；

(6)、向研磨后的預(yù)燒藥品粉末中滴入3至5滴左右PET粘結(jié)膠水，再次研磨直至藥品看不到有結(jié)塊現(xiàn)象且與研缽壁沒有明顯粘結(jié)；

(7)、將粉末倒入模具當(dāng)中，使用液壓千斤頂加壓，壓力為5Mpa至10MPa，根據(jù)樣品大小和模具不同選擇合適的壓力，并保持10min左右；

(8)、減壓后取出成型樣品，觀察樣品是否存在裂痕等，若存在裂痕則需重新磨碎為粉末并再次壓制直至無裂痕為止；

(9)、將成型樣品放入潔凈的坩堝中，放入管式爐在流動氧氣氣氛中進(jìn)行燒結(jié)處理，按照一定的溫度梯度升溫，升溫速率為2℃/min，燒結(jié)溫度為1050℃至1300℃，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)至16小時(shí)，降溫速率為1℃/min至3℃/min，并在不同溫度區(qū)間變化；

(10)、燒結(jié)完成后將成型樣品取出，使用砂紙對靶材邊緣和表面進(jìn)行仔細(xì)研磨，將表面打磨盡可能光滑，打磨之后用酒精擦拭干凈，存放起來等待測試。

對制得的鐵氧體材料成型樣品(直徑3cm、厚度0.6mm的圓薄片)進(jìn)行材料微結(jié)構(gòu)、變溫電阻和室溫磁電容效應(yīng)測試。

1、材料微結(jié)構(gòu)表征測試(X射線衍射，簡稱XRD)結(jié)果，如圖3所示，可以看到，本發(fā)明制備的鐵氧體材料的所有XRD實(shí)驗(yàn)衍射峰位置都可以與理論計(jì)算峰位置一致，這表明成型樣品材料具有較高的純度。

2、變溫電阻測試結(jié)果，如圖4所示，本發(fā)明制備的鐵氧體材料的成型樣品電阻率隨溫度升高而下降，在室溫附近約2×10⁸Ω·cm,具有較高的電阻率。

3、磁電容測試結(jié)果，如圖5所示，測試溫度為300K,磁場大小分別為0.01T、0.5T和2.5T，掃描頻率范圍是20Hz至2MHz，可以看到，本發(fā)明制備的鐵氧體材料的成型樣品在整個(gè)測試頻率范圍(20Hz至2MHz)內(nèi)都呈現(xiàn)出顯著的磁電容效應(yīng)。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，樣品的磁電容效應(yīng)在2MHz以上仍然呈現(xiàn)一定的增加趨勢，因而在高于2MHz的頻率范圍內(nèi)也將呈現(xiàn)出顯著的磁電容效應(yīng)。同時(shí)在部分頻率范圍下樣品的磁電容效應(yīng)隨磁場的增加而顯著增大，可見更大的磁場會有更大的磁電容效應(yīng)。所以，本發(fā)明的鐵氧體材料具有室溫寬頻磁電容效應(yīng)，同時(shí)在部分頻率范圍具有較大的磁電容效應(yīng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。