La2O3-BaO-Fe2O3相关系及其化合物的吸波性能研究

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近年来,随着5G技术的普及和电磁污染的日益增长,在日常生活中对轻质高效的吸波材料的需求也日益增大。碱土金属掺杂能显著提高钙钛矿结构铁氧体材料的磁性能,而对其微波吸收性能的影响鲜有报道,电磁损耗机理尚不明确。因此,本文首先采用固相法制备了La2O3-Ba O-Fe2O3体系样品,通过XRD技术测定了该体系在1373K下的等温截面,研究了化合物之间的相关系。其次,采用溶胶凝胶自蔓延法,制备了碱土金属Ba、Sr、Ca掺杂的La Fe O3磁性微波吸收材料,并且采用XRD、SEM、BET、VSM和VNA等技术,研究了其微观形貌、晶体结构、元素价态变化对其磁性和微波吸收性能的影响。实验测定了La2O3-Ba O-Fe2O3体系在1373 K下相关系,该等温截面具有11个单相区,20个两相区和13个三相区。随着Ba含量的增加,导致La Fe O3的晶体结构发生变化。当Ba含量在0≤x≤0.2范围内为正交结构(Pnma或Pbnm);当Ba含量在0.2<x<0.3范围内为正交结构(Pnma或Pbnm)与立方结构(Pm-3m)共存;当Ba含量在0.3≤x≤0.9范围内转变为立方结构(Pm-3m);当Ba含量在0.9<x≤1范围内为Ba Fe O3-δ和(Pm-3m)La Fe O3两相共存。研究发现La2O3在Ba(1-x)LaxFe2O4中的最大固溶度为7.0 at.%,Ba O在(La1-xBax)2O3中的最大固溶度为7.5 at.%。还验证了Ba6La2Fe4O15、Ba La2Fe2O7和Ba La Fe O4三元化合物的存在。采用溶胶凝胶自蔓延法制备了碱土金属Ba掺杂的La Fe O3铁氧体材料。La1-xBaxFe O3样品在0≤x≤0.3范围内具有正交结构(Pnma),在x=0.4时由正交结构(Pnma)转变为立方结构(Pm-3m)。随着Ba含量的增加,样品由于晶体结构的变化导致颗粒之间收缩聚集现象增加。适量的Ba掺杂可以使更多的Fe3+转化为Fe4+并且有效提高样品的磁性和微波吸收性能。当厚度为2.0 mm时,在8.72 GHz处La0.7Ba0.3Fe O3样品RL达到-19.39 d B,有效吸波带宽(RL≤-10 d B)约为1.6 GHz。当匹配厚度为3.2mm时,在6.72 GHz处La0.9Ba0.1Fe O3样品RL达到-30.04 d B,有效吸波带宽为2.1GHz。La1-xSrxFe O3主衍射峰与正交钙钛矿结构(Pnma)对应良好,当Sr含量x≥0.2样品出现少量菱方钙钛矿结构的二次相。随着Sr含量的增加,样品的平均颗粒尺寸减小并且导致Fe离子的价态发生波动。La0.6Sr0.4Fe O3样品表现出明显的铁磁性。RL频率随Sr掺杂量的增加而红移,并表现出先增大后减小的趋势。当匹配厚度为1.8 mm时,在12 GHz处La0.8Sr0.2Fe O3样品RL达到-25.26 d B,有效吸波带宽为2.8 GHz。随着厚度的增加La0.8Sr0.2Fe O3样品在10 GHz(X波段)的RL达到-39.3 d B,而La0.7Sr0.3Fe O3样品在6 GHz(C波段)处RL达到-36.8 d B。La1-xCaxFe O3样品的衍射峰对应正交钙钛矿结构La Fe O3(Pnma),随着Ca含量的增加样品始终为La Fe O3单相。根据Full Prof精修结果表明,晶胞参数(a、b、c)和晶胞体积(V)明显减小。La1-xCaxFe O3样品的晶粒尺寸随着Ca掺杂量的增加表现出增大的趋势。Ca掺杂使得更多的Fe3+转变为Fe4+并且能够有效增加La Fe O3中的氧空位含量。随着Ca掺杂量的增加,样品的磁性和微波吸收性能增加。在匹配厚度3.8 mm时,La0.9Ca0.1Fe O3样品在7.12 GHz处的吸波性能是最佳的,最小反射损耗(RL)达到-43.35d B。当匹配厚度2.0 mm时,La0.85Ca0.15Fe O3有效带宽达到4.64 GHz,几乎覆盖了整个Ku波段。
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