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摘 要： 采用固相反应法制备（Ba3-xBixCo2Fe24-xCuxO41）铁氧体材料。研究铋、铜联合取代Z型六角铁氧体中钡、铁离子对材料性能的影响，结果表明，少量的取代量不会影响z相形成。取代量较少时（0.1≤x≤0.2），磁导率增大，有较高的品质因素Q，材料的介电常数和介电损耗都较小，小于800MHz材料的介电损耗tan＜0.02。
关键词： 固相反应；磁导率；介电损耗
中图分类号：TM277 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020085－02
0 引言
随着无线电、微波、PC技术人们迫切需要能应用于甚高频带。并具有低损耗的软磁铁氧体材料。目前常用的软磁铁氧体主要为尖晶石体系的Mn-Zn。Ni-Zn系铁氧体，但是由于它们在甚高频带应用时会产生严重的趋肤效应和祸流损耗，以致无法应用口。Shock等人的研究发现，平面六角晶系的z型软磁铁氧体的自然共振频率要比尖晶石铁氧体高一个数量级，而且综合磁性能比较优良，因此是一种比较理想的，能够满足甚高频段应用要求的材料[1-6]。
本实验采用固相反应法制备z型六角铁氧体材料，系统的研究了铋、铜联合取代对材料的显微结构，电磁性能的影响。
1 实验
采用分析纯的Fe2O3、BaCO3、Co3O4、CuO和Bi203等，按组成Ba3-xBixCo2Fe24-xCuxO41（0 用x射线衍射（xRD）、JSM．6490LV扫描电镜（SEM）分析烧结体的物相构成和断面显微形貌，利用HP4291B射频材料／阻抗分析仪测试样品在1MHz～1.8GHz频段内的磁谱曲线和介电谱线曲线。
2 实验结果与讨论
图1是铋、铜取代量分别为0.1，0.15，0.3，0.5时的X射线衍射图谱，测试的材料为预烧后研磨的粉料。从图中可看出，当取代量较少时（x≤0.3）对衍射峰几乎没有影响，而在x=0.5时，有一个明显的非Z相峰存在，见图中箭头所指。
图2是铋、铜取代量分别为0.1，0.15，0.2，0.5，烧结温度Ts=900℃三种样品的微观结构形貌图。从图中可以看出，随着铋、铜取代量的增加，晶粒尺寸增大，在x=0.2时，晶粒大，气孔较少；继续增加至x=0.5时，晶粒形状不规则，且出现过烧的现象，图中显示有大晶粒合并小晶粒的的趋势，存在二次生长的情况。
图3显示的是铋、铜取代对材料磁性能的影响。（a）、（b）图为取代量x从0.1变化到0.5时，材料磁导率的实部与虚部随频率的变化曲线，从图中可以看出，材料磁导率变化规律随是取代量的增加先增大而后减小的。影响多晶铁氧体材料磁导率的因素有多种，如烧结密度、晶粒尺寸以及饱和磁化强度。从样品烧结密度以及后面材料饱和磁化强度变化规律可知，密度和饱和磁化强度不是引起磁导率这种转变的因素，因为二者都是随取代量增加而上升的。故磁导率的这种转变需要从晶粒尺寸方面加以解释，由前面样品的微观形貌可知，取代量在一定范围内增加时，晶粒尺寸增大，此时材料磁导率上升，最大值为4.51（400MHz，x=0.2）；继续增大x值，将出现晶粒的二次生长，导致磁导率下降。图（c）是材料的磁品质因数变化，该材料磁品质因数的变化规律是随取量增多先下降而后上升。根据 为常数的关系，可知磁导率下降时，材料的磁品质因数会成相反的变化趋势，另外当取代量过多时，Cu2+可能富集在晶粒边界形成高阻成[91]，减小了高频涡流损耗，因此Q值会上升，但磁导率也会下降，这与实验结果相符。
图4为不同Bi3+、Cu2+取代量对材料介电性能的影响。从（a）图中可以看出，材料的介电常数随取代量的增加而增大，直至x=0.2；当进一步增大取代量时，材料的介电常数变化不是很明显，维持在16左右。首先取代量较少时（0.1≤x≤0.2），铁氧体的密度随x的增大而增加，由公式：
（ ，Vf、Vm分别代表铁氧体与空气的体积比）可知，材料的介电常数值会增大；另一方面，Cu2+取代Fe3+进入到晶格内部，当x较大时，取代会明显地破坏晶格及晶体场产生较强内应力，此应力限制了Fe3+在A、B位之间的运动及电子跃迁，对应着介电的减小[92]。综合这两种效果，尽管较高取代量铁氧体的密度会增大，但它的介电常数值会维持基体不变。（b）图可以看出，由于Bi3+、Cu2+取代后，材料在较低的温度制备，Fe2+含量降低[70]，因此，介电常数及介电损耗值都较小，图中显示，＜800MHz材料的介电损耗tan ＜0.02。
图1 不同铋、铜取代量对物相的影响
图2 不同铋、铜取代量对材料微观结构的影响
图3 铋、铜取代量对材料磁性能的影响
图4 铋、铜取代量对材料介电性能的影响
3 结论
采用不同的铋、铜取代量对z型六角铁氧体材料进行了分析和研究。结果表明，z型六角铁氧体（Ba3-xBixCo2Fe24-xCuxO41）在取代量x≤0.2时，不会影响z相的形成，且材料晶粒尺寸增大，气孔减少，材料磁导率增大，x=0.2时达到最大值4.51。进一步增加取代量时，材料有其他杂相生成，伴随晶粒形状不规则，可能出现第二次生长情况，磁导率开始较小，介电常数维持在16左右不变。频率小于800MHZ时，材料的介电损耗tan＜0.02，适合应用于天线，可以增加天线的带宽以及天线的小型化。
参考文献：
[1]Akira Okamoto,The invention of ferrites and their comtribution
to the miniaturization of radios.
[2]Buell K,Mosallaei H,and Sarabandi K(2006),A substrate for small patch antennas providing tunable miniaturization factors,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.54, no. 1：135-146.
[3]曾兴雯、刘乃安、陈健，高频电子线路，高等教育出版社，6-7.
[4]张洪国、周济、岳振星等，Z型Ba3Co2Fe24O41软磁铁氧体性能的改善[J].压电与声光，1999，4（21）：277-280.
[5]李荫远、李国栋，铁氧体物理学[M].北京：科学出版社，1978.
[6]Lisjak D,Drofenik M.Thermal stability of (Co,Cu)Z-hexaferrite and its compatibility with Ag at 900℃[J].J Am Ceram Soc,2007,90(11):
3517-3521.
作者简介：
徐磊，湖北省天门市人，硕士生，研究方向：微波材料与器件。
关键词： 固相反应；磁导率；介电损耗
中图分类号：TM277 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020085－02
0 引言
随着无线电、微波、PC技术人们迫切需要能应用于甚高频带。并具有低损耗的软磁铁氧体材料。目前常用的软磁铁氧体主要为尖晶石体系的Mn-Zn。Ni-Zn系铁氧体，但是由于它们在甚高频带应用时会产生严重的趋肤效应和祸流损耗，以致无法应用口。Shock等人的研究发现，平面六角晶系的z型软磁铁氧体的自然共振频率要比尖晶石铁氧体高一个数量级，而且综合磁性能比较优良，因此是一种比较理想的，能够满足甚高频段应用要求的材料[1-6]。
本实验采用固相反应法制备z型六角铁氧体材料，系统的研究了铋、铜联合取代对材料的显微结构，电磁性能的影响。
1 实验
采用分析纯的Fe2O3、BaCO3、Co3O4、CuO和Bi203等，按组成Ba3-xBixCo2Fe24-xCuxO41（0
2 实验结果与讨论
图1是铋、铜取代量分别为0.1，0.15，0.3，0.5时的X射线衍射图谱，测试的材料为预烧后研磨的粉料。从图中可看出，当取代量较少时（x≤0.3）对衍射峰几乎没有影响，而在x=0.5时，有一个明显的非Z相峰存在，见图中箭头所指。
图2是铋、铜取代量分别为0.1，0.15，0.2，0.5，烧结温度Ts=900℃三种样品的微观结构形貌图。从图中可以看出，随着铋、铜取代量的增加，晶粒尺寸增大，在x=0.2时，晶粒大，气孔较少；继续增加至x=0.5时，晶粒形状不规则，且出现过烧的现象，图中显示有大晶粒合并小晶粒的的趋势，存在二次生长的情况。
图3显示的是铋、铜取代对材料磁性能的影响。（a）、（b）图为取代量x从0.1变化到0.5时，材料磁导率的实部与虚部随频率的变化曲线，从图中可以看出，材料磁导率变化规律随是取代量的增加先增大而后减小的。影响多晶铁氧体材料磁导率的因素有多种，如烧结密度、晶粒尺寸以及饱和磁化强度。从样品烧结密度以及后面材料饱和磁化强度变化规律可知，密度和饱和磁化强度不是引起磁导率这种转变的因素，因为二者都是随取代量增加而上升的。故磁导率的这种转变需要从晶粒尺寸方面加以解释，由前面样品的微观形貌可知，取代量在一定范围内增加时，晶粒尺寸增大，此时材料磁导率上升，最大值为4.51（400MHz，x=0.2）；继续增大x值，将出现晶粒的二次生长，导致磁导率下降。图（c）是材料的磁品质因数变化，该材料磁品质因数的变化规律是随取量增多先下降而后上升。根据 为常数的关系，可知磁导率下降时，材料的磁品质因数会成相反的变化趋势，另外当取代量过多时，Cu2+可能富集在晶粒边界形成高阻成[91]，减小了高频涡流损耗，因此Q值会上升，但磁导率也会下降，这与实验结果相符。
图4为不同Bi3+、Cu2+取代量对材料介电性能的影响。从（a）图中可以看出，材料的介电常数随取代量的增加而增大，直至x=0.2；当进一步增大取代量时，材料的介电常数变化不是很明显，维持在16左右。首先取代量较少时（0.1≤x≤0.2），铁氧体的密度随x的增大而增加，由公式：
（ ，Vf、Vm分别代表铁氧体与空气的体积比）可知，材料的介电常数值会增大；另一方面，Cu2+取代Fe3+进入到晶格内部，当x较大时，取代会明显地破坏晶格及晶体场产生较强内应力，此应力限制了Fe3+在A、B位之间的运动及电子跃迁，对应着介电的减小[92]。综合这两种效果，尽管较高取代量铁氧体的密度会增大，但它的介电常数值会维持基体不变。（b）图可以看出，由于Bi3+、Cu2+取代后，材料在较低的温度制备，Fe2+含量降低[70]，因此，介电常数及介电损耗值都较小，图中显示，＜800MHz材料的介电损耗tan ＜0.02。
图1 不同铋、铜取代量对物相的影响
图2 不同铋、铜取代量对材料微观结构的影响
图3 铋、铜取代量对材料磁性能的影响
图4 铋、铜取代量对材料介电性能的影响
3 结论
采用不同的铋、铜取代量对z型六角铁氧体材料进行了分析和研究。结果表明，z型六角铁氧体（Ba3-xBixCo2Fe24-xCuxO41）在取代量x≤0.2时，不会影响z相的形成，且材料晶粒尺寸增大，气孔减少，材料磁导率增大，x=0.2时达到最大值4.51。进一步增加取代量时，材料有其他杂相生成，伴随晶粒形状不规则，可能出现第二次生长情况，磁导率开始较小，介电常数维持在16左右不变。频率小于800MHZ时，材料的介电损耗tan＜0.02，适合应用于天线，可以增加天线的带宽以及天线的小型化。
参考文献：
[1]Akira Okamoto,The invention of ferrites and their comtribution
to the miniaturization of radios.
[2]Buell K,Mosallaei H,and Sarabandi K(2006),A substrate for small patch antennas providing tunable miniaturization factors,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.54, no. 1：135-146.
[3]曾兴雯、刘乃安、陈健，高频电子线路，高等教育出版社，6-7.
[4]张洪国、周济、岳振星等，Z型Ba3Co2Fe24O41软磁铁氧体性能的改善[J].压电与声光，1999，4（21）：277-280.
[5]李荫远、李国栋，铁氧体物理学[M].北京：科学出版社，1978.
[6]Lisjak D,Drofenik M.Thermal stability of (Co,Cu)Z-hexaferrite and its compatibility with Ag at 900℃[J].J Am Ceram Soc,2007,90(11):
3517-3521.
作者简介：
徐磊，湖北省天门市人，硕士生，研究方向：微波材料与器件。