一种高功率微波铁氧体材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种铁氧体材料领域，特别是一种高功率微波铁氧体材料及其制备方法。

背景技术：

微波铁氧体材料广泛应用于微波环形器、微波隔离器、微波移相器等微波器件的设计制造。目前，随着相关技术的发展，人们对微波器件适用功率的要求越来越高，进而研发适用于高功率条件的微波铁氧体材料成为了本领域重要的技术问题之一。

由于在高功率条件下，微波铁氧体在低场区将发生自旋波激发等非线性效应损耗，所以如纯钇铁石榴石等常规的铁氧体材料，往往难以适用于高功率的微波器件。现有技术中，通常在微波铁氧体中掺杂入快驰豫离子，从而增大微波铁氧体材料的自旋波线宽，减小高功率下的非线性效应损耗，进而提高铁氧体材料的最高适用功率。

然而，上述快速驰豫离子掺杂的方式必将对微波铁氧体的其他性能带来较大的影响，例如影响饱和磁化强度、铁磁共振线宽等。因此，目前亟需一种铁氧体材料能在保持其他性能稳定的基础上，增加自旋波线宽，从而达到高功率下应用的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高功率微波铁氧体材料及其制备方法，在保持其他性能稳定的基础上，增加材料的自旋波线宽，相比于现有技术中的微波铁氧体材料，本发明提供的微波铁氧体材料更适用于高功率条件下的微波器件设计。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种高功率微波铁氧体材料，所述铁氧体材料包括多个晶粒和隔离层；其中多个晶粒彼此相邻，且任意两个晶粒之间通过隔离层隔离，多个晶粒的边界被隔离层包围。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料，所述晶粒的主相为石榴石结构；隔离层中含有Si元素。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料，所述石榴石结构的化学式为(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂；所述化学式中x为正数，且x不大于1；y为正数，且y不大于5。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料，所述隔离层(102)还包含+2价M元素。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料，所述铁氧体材料的饱和磁化强度为1331-1754G；所述铁氧体材料的铁磁共振线宽为132-151Oe；所述铁氧体材料的自旋波共振线宽为2.9-14.5Oe。

一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤(一)、根据化学式(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂，按照Y元素和Fe元素的比例为x比y的比例混合Fe₂O₃粉末及Y₂O₃粉末，配制成粉末混合物；将粉末混合物进行球磨处理及加热处理；

步骤(二)、将处理后的粉末混合物溶入凝胶溶液中，所述凝胶溶液包含硅元素；

步骤(三)、将溶入粉末混合物的凝胶溶液烘干，形成待烧结粉末；

步骤(四)、对所述待烧结粉末进行二次球磨处理后，将所述待烧结粉末压制成待烧结坯件；

步骤(五)、对所述待烧结坯件进行烧结。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，所述步骤(一)中，对粉末混合物加热处理方法为：温度为1050-1200℃，保温2-5小时。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，在所述步骤(二)中，凝胶溶液通过以下步骤进行配制：

配制Si(OC₂H₅)₄和M(CH₃COO)₂4H₂O的混合溶液，其中Si(OC₂H₅)₄用于提供Si元素，M(CH₃COO)₂4H₂O用于生成M元素；在所述混合溶液中加入盐酸进行催化，形成凝胶溶液；所述凝胶溶液中生成含Si元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.1～0.6％；凝胶溶液中生成的M元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.1-0.2％。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，所述盐酸体积为凝胶溶液体积的2-3％，浓度为12mol/l。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，在所述步骤(四)中，二次球磨处理时，用酒精作为分散剂对所述粉末进行湿法球磨；将所述待烧结粉末压制成待烧结坯件时，施加压力为11000-13000psi。

在上述的一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤(五)中，烧结温度为1400-1550℃，烧结时间为2.5-3.5小时。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用多个晶粒之间通过隔离层隔离的特征，阻止了烧结过程中晶粒的增长，减小了晶粒尺寸，实现了增加了自旋波线宽的效果，提高了材料的最高适用功率。

(2)本发明采用隔离层中含有硅元素的特征，更好地阻止了烧结过程中晶粒的增长，减小了晶粒尺寸，实现了增加了自旋波线宽的效果，进一步提高了材料的最高适用功率。

(3)本发明采用所述石榴石结构的化学式为(YxGd1-x)3FeyO12，且所述化学式中x为正数且不大于1，y为正数且不大于5的特征，实现了在增加自旋波线宽的基础上，获得可调的饱和磁化强度，提高了材料应用的便捷性。

附图说明

图1为本发明一种高功率微波铁氧体材料的结构示意图；

图2为本发明实一种高功率微波铁氧体材料制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明的原理在于：本发明在微波铁氧体材料的多个晶粒之间引入含有硅(Si)元素的隔离层，由于所述隔离层阻止了晶粒在烧结过程中的增大，减小了晶粒尺寸，所以增大了自旋波线宽；由于所述隔离层的引入不影响晶粒本体的元素组成及晶体结构，且隔离层厚度在纳米级，在材料中所占比例很小，所以对微波铁氧体的其他性能影响较小。

如图1所示为一种高功率微波铁氧体材料的结构示意图，由图可知，一种高功率微波铁氧体材料，包括多个晶粒101和隔离层102；其中多个晶粒101彼此相邻，且任意两个晶粒101之间通过隔离层102隔离，多个晶粒101的边界被隔离层102包围。

所述晶粒(101)的主相为石榴石结构；隔离层(102)中含有Si元素。

所述石榴石结构的化学式为(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂；所述化学式中x为正数，且x不大于1；y为正数，且y不大于5。

所述隔离层(102)还包含+2价M元素。

所述铁氧体材料的饱和磁化强度为1331-1754G；所述铁氧体材料的铁磁共振线宽为132-151Oe；所述铁氧体材料的自旋波共振线宽为2.9-14.5Oe。

如图2所示为本发明实一种高功率微波铁氧体材料制备方法流程图，由图可知，一种高功率微波铁氧体材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤(一)、根据化学式(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂，按照Y元素和Fe元素的比例为x比y的比例混合Fe₂O₃粉末及Y₂O₃粉末，配制成粉末混合物；将粉末混合物进行球磨处理及加热处理；对粉末混合物加热处理方法为：温度为1050-1200℃，保温2-5小时。

步骤(二)、将处理后的粉末混合物溶入凝胶溶液中，所述凝胶溶液包含硅元素；凝胶溶液通过以下步骤进行配制：

配制Si(OC₂H₅)₄和M(CH₃COO)₂4H₂O的混合溶液，其中Si(OC₂H₅)₄用于提供Si元素，M(CH₃COO)₂4H₂O用于生成M元素；在所述混合溶液中加入盐酸进行催化，形成凝胶溶液，其中盐酸体积为凝胶溶液体积的2-3％，浓度为12mol/l；所述凝胶溶液中生成含Si元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.1～0.6％；凝胶溶液中生成的M元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.1-0.2％。

步骤(三)、将溶入粉末混合物的凝胶溶液烘干，形成待烧结粉末；

步骤(四)、对所述待烧结粉末进行二次球磨处理后，将所述待烧结粉末压制成待烧结坯件；二次球磨处理时，用酒精作为分散剂对所述粉末进行湿法球磨；将所述待烧结粉末压制成待烧结坯件时，施加压力为11000-13000psi。

步骤(五)、对所述待烧结坯件进行烧结，烧结温度为1400-1550℃，烧结时间为2.5-3.5小时。

实施例1

一种高功率微波铁氧体材料制备方法流程，包括以下步骤。

步骤(一)、按照预设元素比例配制粉末混合物。以晶粒的化学式为(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂的情况为例，取x＝1，y＝4.85；按照Y元素和Fe元素的比例为3比4.85混合Fe₂O₃粉末及Y₂O₃粉末，配制成所述粉末混合物。

步骤(二)、对所述粉末混合物进行球磨处理。优选地，以酒精作为分散剂对所述粉末进行湿法球磨。

步骤(三)、对所述球磨处理后的粉末混合物进行热处理。在本发明实施例中，将所述球磨处理后的粉末混合物加热至1100℃，保温3小时。

步骤(四)、将所述热处理后的粉末混合物溶入凝胶溶液中，所述凝胶溶液包含硅(Si)元素和锰(Mn)元素。

凝胶溶液的制备方法为：

配制正硅酸乙脂(Si(OC₂H₅)₄)和醋酸锰(Mn(CH₃COO)₂4H₂O)的混合溶液，其中Si(OC₂H₅)₄用于提供Si元素，Mn(CH₃COO)₂4H₂O用于生成Mn元素；在所述混合溶液中加入盐酸进行催化，形成凝胶溶液，其中盐酸体积为凝胶溶液体积的2.5％，浓度为12mol/l；所述凝胶溶液中生成含Si元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.4％；凝胶溶液中生成的Mn元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.15％。

步骤(五)、烘干所述凝胶溶液，形成待烧结粉末。优选地，烘干所述凝胶溶液温度可以为60摄氏度。

步骤(六)、对所述待烧结粉末进行二次球磨处理后，将所述待烧结粉末压制成待烧结坯件。优选地，以酒精作为分散剂对所述粉末进行湿法球磨，所述压制成待烧结坯件包括施加压力为12000psi。

步骤(七)、对所述待烧结坯件进行烧结。在本发明实施例中，烧结温度为1500℃，烧结时间为3小时。

本发明实施通过采用上述方法，实现了制备具有所述Si元素隔离层的微波铁氧体材料，进而使得制备的铁氧体材料在保持其他性能稳定的基础上，减小了自旋波线宽，适用于高功率条件下的微波器件设计。

实施例2

一种高功率微波铁氧体材料制备方法流程，包括以下步骤。

步骤(一)、按照预设元素比例配制粉末混合物。以晶粒的化学式为(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂的情况为例，取x＝0.5，y＝4.85；按照Y元素和Fe元素的比例为0.5比4.85混合Fe₂O₃粉末及Y₂O₃粉末，配制成所述粉末混合物。

步骤(二)、对所述粉末混合物进行球磨处理。优选地，以酒精作为分散剂对所述粉末进行湿法球磨。

步骤(三)、对所述球磨处理后的粉末混合物进行热处理。在本发明实施例中，将所述球磨处理后的粉末混合物加热至1100℃，保温3小时。

步骤(四)、将所述热处理后的粉末混合物溶入凝胶溶液中，所述凝胶溶液包含硅(Si)元素和锰(Mn)元素。

凝胶溶液的制备方法为：

配制正硅酸乙脂(Si(OC₂H₅)₄)和醋酸钙(Ca(CH₃COO)₂4H₂O)的混合溶液，其中Si(OC₂H₅)₄用于提供Si元素，Ca(CH₃COO)₂4H₂O用于生成Ca元素；在所述混合溶液中加入盐酸进行催化，形成凝胶溶液，其中盐酸体积为凝胶溶液体积的2.5％，浓度为12mol/l；所述凝胶溶液中生成含Si元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.4％；凝胶溶液中生成的Ca元素化合物的质量为粉末混合物质量的0.15％。

步骤(五)、烘干所述凝胶溶液，形成待烧结粉末。优选地，烘干所述凝胶溶液温度可以为60摄氏度。

步骤(六)、对所述待烧结粉末进行二次球磨处理后，将所述待烧结粉末压制成待烧结坯件。优选地，以酒精作为分散剂对所述粉末进行湿法球磨，所述压制成待烧结坯件包括施加压力为12000psi。

步骤(七)、对所述待烧结坯件进行烧结。在本发明实施例中，烧结温度为1500℃，烧结时间为3小时。

本发明实施通过采用上述方法，实现了制备具有所述Si元素隔离层的微波铁氧体材料，进而使得制备的铁氧体材料在保持其他性能稳定的基础上，减小了自旋波线宽，适用于高功率条件下的微波器件设计。

效果：

在本发明实施例中，通过TEM(Transmission Electron Microscope，投射电子显微镜)对本发明实施提供的微波铁氧体材料进行观察，确定所述材料包含多个晶粒。在TEM图像下，确定所述多个晶粒的尺寸在2微米至20微米之间，晶粒之间可见明显界限。在本发明实施例中，通过对本发明实施提供的微波铁氧体材料进行XRD(X-Ray Diffraction，X射线衍射)谱线测试，进而确定所述多个晶粒的主相为石榴石结构。在此，所述主相是指XRD谱线中强度最高的三个峰位对应的相。需要说明的是，限于不同工艺，除主相以外所述XRD谱线还可能包含其他杂相，如Fe₂O₃相等，本发明对主相外的其他杂相不作具体限定。

其次对所述隔离层102详细地进行说描述。在本发明实施例中，通过高分辨TEM图像，可确定在所述晶粒之间具有隔离层，所述隔离层厚度在5纳米至20纳米之间。在本发明实施中，所述隔离层的晶体结构与所述晶粒相同，但所述隔离层的元素组成和所述晶粒不同。具体地，通过EDS(Energy Dispersive Spectrometer，能谱仪)分别对晶粒和隔离层两个区域进行测试，可以确定该两个区域具有不同的元素组成，具体所述隔离层含有硅(Si)元素，而所述晶粒不含硅(Si)元素。需要说明的是，由于原子半径不同造成的影响，所述隔离层也可以与晶粒具有不同的晶体结构，甚至为非晶结构，本发明对隔离层的具体晶体结构不作限定。

为了描述上述微波铁氧体材料的微波磁性能，分别对本发明实施例中具有含Si元素的隔离层与不具有含Si元素的隔离层的微波铁氧体进行对比。在相同条件下对该两组样品进行微波磁性能测试，结果如表1所示，其中样品1表示不具有所述隔离层的材料样品，样品2表示具有所述隔离层的材料样品。通过表1可以看出，在引入所述隔离层后，样品的其他性能参数变化较小，而自旋波线宽显著增大。

表1.引入隔离层对材料性能的影响

综上所述，发明实施例提供的一种高功率微波铁氧体材料，通过在多个晶粒之间引入含有硅(Si)元素的隔离层，由于所述隔离层阻止了晶粒在烧结过程中的增大，减小了晶粒尺寸，所以增大了自旋波线宽；由于隔离层的引入不影响晶粒本体的元素组成及晶体结构，且隔离层厚度在纳米级，在材料中所占比例很小，所以对微波铁氧体的其他性能影响较小。综上所述，基于本发明公开的技术特征，本发明提供的微波铁氧体材料在保持其他性能稳定的基础上，减小了自旋波线宽，进而适用于高功率条件下的微波器件设计。

在上述具有隔离层结构的微波铁氧的基础上，为了在增加自旋波线宽的同时，使得材料的饱和磁化强度可调，进而更方便地应用于高功率条件下的微波器件设计。本发明实施例提供了一种晶粒包含钆(Gd)元素和钇(Y)元素的微波铁氧体。具体地，晶粒的主相为石榴石结构，所述石榴石结构的化学式为(Y_xGd_1-x)₃Fe_yO₁₂。所述化学式中x小于等于1，改变x即改变钆(Gd)元素和钇(Y)元素的比例，通过改变x可以调节材料的饱和磁化强度。所述化学式中y小于等于5，这是由于对于不具有所述隔离层的石榴石结构该y等于5，然而为了引入隔离层需要采用适当地缺铁配方，在本发明实施例中该y的具体值为4.85。在本发明实施例中，分别制备了x等于1及x等于0.5的两个样品，分别记为样品3及样品4，该样品3和样品4均具有含Si元素的隔离层。分别对该两个样品进行磁性能测试，结果如表2所示。由表2可知，随着x的减小，即随着Gd含量的增加，材料的饱和磁化强度明显下降，而其他参数变化较小。

表2.调节Y和Gd元素比例对材料性能的影响

综上所述，本发明通过在引入所述隔离层的基础上，改变晶粒中Gd和Y元素的比例，实现了在增加自旋波线宽的同时，获得可调的饱和磁化强度。

在上述具有隔离层结构的微波铁氧的基础上，为了便于隔离层的形成，所述隔离层还包含锰(Mn)元素或钙(Ca)元素或其它+2价元素或+2价元素的混合元素。具体地，当所述晶粒的晶体结构为石榴石结构时，Fe离子表现为+3价，为了使得在所述隔离层中Si⁴⁺离子能够取代石榴石结构中的Fe³⁺离子，需要以Mn²⁺或Ca²⁺离子或其它+2价离子或+2价离子的混合离子作为辅助。本发明对为了保证电中性引入其他辅助离子不作具体限定。

综上所述，本发明通过在引入所述隔离层的基础上，使用Mn²⁺或其它+2价离子为辅助离子，使得所述隔离层的形成更加便捷。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。