一种磁性材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种磁性材料及其制备方法，特别是一种含α-Fe₂O₃的磁性材料及其制备方法。

背景技术：

利用磁性材料制成的磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能,广泛地应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分

一般磁性材料按应用类型分类可以分为:软磁材料、永磁材料等。软磁材料是既容易受外加磁场磁化,又容易退磁,矫顽力很低的磁性材料.其主要特征是:高的磁导率、低的矫顽力、高的饱和磁通密度、低的磁(功率)损耗以及高的稳定性。目前应用的软磁材料,因使用功率、频率的不同要求及材料磁特性的不同可分为Fe-Si系、Fe-Ni系、铁氧体系、非晶材料系和其他系等。在软磁材料的发展史上,最有代表性的材料有硅钢、铁氧体、坡莫合金、非晶及纳米合晶等。

申请号为201280013134.6的专利，将磁铁粉末与非晶质金属作为原料，磁铁粉末与非晶质金属进行混合，同时加热至比非晶质金属的结晶化温度低30℃的温度以上、或、当非晶质金属为金属玻璃时，加热至金属玻璃的玻璃化转变温度以上的温度而制得，大概是500℃。磁铁粉末为钕-铁-硼系磁铁粉末，非晶质金属含有稀土元素、铁及硼，稀土元素不仅价格昂贵，而且是国家战略物资。若采用干法混合，需要在惰性气体下进行。

铁氧体磁性材料的烧结技术，包括固相烧结、液相烧结、等离子体烧结以及微波烧结等。

固相烧结是制备磁性材料的传统方法，由于其操作简单，不需特殊设备，因此成为实际生产磁性材料的主要方法。但该方法存在烧结气氛不易控制的问题，氧化物粉体混合容易不均匀。

比如申请号为201480004810.2的专利，经过熔解步骤，将除了氮的金属构成元素熔解并合金化；粉末化步骤，将通过所述熔解步骤得到的合金粉末化；和热处理步骤，在含有氮源的气氛内对通过所述粉末化步骤得到的粉末进行热处理制备出所需要的磁性材料。通过合金化的方法会提高耗能，并且最后一步需要在含有氮源的气氛热处理，操作麻烦。

申请号为201080030725.5的专利，经过配合工序、预烧工序、粉碎工序、成形工序以及烧成工序来加以制造铁氧体磁性材料。在配合工艺中，通过使用湿式磨碎机、球磨机等进行混合，但是难免还是会混合不均匀。

申请号为201510061558.5的专利，公开的磁性材料，通过预烧、破碎、成型和烧结得到的铁氧体磁性材料，预烧需要在氧气条件下进行。破碎是将预烧后的原料进行破碎后与柠檬酸、羧甲基纤维素、碳酸钙和有机硅混合，置于球磨机中，湿法球磨得到浆料；所以在成型过程中需要去除多余的水，工艺复杂。

液相烧结是指在未烧结的陶瓷粉体中加入助熔剂，烧结过程中使其成为液相，从而降低烧结温度，提高陶瓷致密度。液相的黏度、表面张力以及颗粒或气孔的尺寸将决定致密化的速度。但是加入助熔剂显然会降低材料的耐高温性质。

“等离子放电烧结”又称“等离子活化烧结”，是20世纪90年代出现的材料制备新技术之一。与热压烧结不同，它是利用脉冲大电流直接施加于模具和样品，产生体热，实现快速烧结，有效地抑制颗粒长大，提高致密度。同时，脉冲电流引起颗粒间的放电效应，可净化颗粒表面。功能梯度材料(FGM)的成分是梯度变化的，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。采用阶梯状的石磨模具，由于模具上、下两端的电流密度不同，因此可以产生温度梯度。利用SPS在石磨模具中产生的梯度温度场，从而制备出梯度材料。但是这种方法对设备有很高的要求。

微波烧结是利用在微波电磁场中材料的介质损耗使陶瓷加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结新技术。微波烧结具加热和烧结速度快，能经济、简便地获得2000℃以上的高温，避免了烧结过程中晶粒的异常长大。但是同样这种方法对设备有很高的要求。

铁的氧化物包括FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄。

FeO在575℃以下是不稳定的，会转化为Fe和Fe₃O₄。

Fe₃O₄是亚稳定材料，在有氧气氛下会转变成Fe₂O₃，文献(α-Fe₂O₃/Fe₃O₄纳米复合材料的相变化及室温磁性质，左洪波等，2005年)报道由α-Fe₂O₃和Fe₃O₄组成的复合材料在大于650℃煅烧以后，Fe₃O₄转变为α-Fe₂O₃。

其中Fe₂O₃有α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃两种晶体结构。γ-Fe₂O₃向α-Fe₂O₃晶体结构转变的温度>367～627℃，文献(固相法制备氧化铁纳米粒子，作者严新，盐城工学院学报(自然科学版)，第15卷第4期)报道了，加热温度和时间对γ-Fe₂O₃向α-Fe₂O₃转变的影响。

α-Fe₂O₃在大概低于-13.15℃下是反铁磁性，在-13.15℃到676.85℃之间有微弱的铁磁性。

文献(Magnetite Fe₃O₄nanoparticles and hematiteα-Fe₂O₃uniform oblique hexagonal microdisks,drum-like particles and spindles and their magnetic properties，Journal of Alloys and Compounds，2015年)报道了Fe₃O₄的磁滞回线，呈现明显的铁磁性，饱和磁化强度，剩磁，矫顽力分别为77.3emu/g,14.6emu/g,and 85.8Oe，不同形状的α-Fe₂O₃表现了不同的磁滞回线，但是在室温下都只变现出微弱的磁性，4000oe的磁场强度没有使其饱和。

现有文献磁性材料制备过程存在工艺复杂、难以控制和Fe₂O₃均匀混合不易均匀等问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种磁性材料及其制备方法，解决了磁性材料制备过程中工艺复杂、控制复杂，Fe₂O₃难以均匀混合的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁性材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将羰基铁、二茂铁与乙酰丙酮铁中的至少一种和聚碳硅烷溶解于苯类溶剂中；

(2)将步骤(1)得到的溶液加热，溶剂蒸发；

(3)将步骤(2)得到的溶液继续升温加热，得到固体；

(4)将步骤(3)得到的固体加热进行燃烧；

(5)将步骤(4)燃烧后的固体研磨成粉体；

(6)将步骤(5)得到的粉体加压成块体；

(7)将步骤(6)得到的块体烧结。

进一步地，所述步骤(1)中，苯类溶剂为二甲苯，甲苯中的一种或是两者的混合物。

进一步地，所述步骤(2)中，加热温度150～170℃，加热时间为0.5～1h。以去除大部分溶剂。

进一步地，所述步骤(3)中，加热温度为250～300℃，加热时间为2～4h。以使得溶剂彻底去除，并且聚碳硅烷和羰基铁、二茂铁与乙酰丙酮铁中的至少一种充分反应，利用化学反应制备得到均匀的含铁先驱体PFCS。

进一步地，所述步骤(4)中，加热温度900～1100℃，加热时间为1～3h。使得步骤(3)得到的聚合物彻底无机化，这个过程中含铁先驱体PFCS中的Si原子和氧原子结合形成SiO₂，Fe原子和氧原子结合形成Fe的氧化物。

进一步地，所述步骤(5)中，研磨的细粉粒度小于0.1mm。

进一步地，所述步骤(6)中，加压压强为60～120MPa。

进一步地，所述步骤(7)中，烧结温度为1600℃，时间为0.5～3h。

一种由上述的方法制备的磁性材料。

有益效果：本发明提供的方法利用羰基铁、二茂铁与乙酰丙酮铁以及聚碳硅烷(PCS)均能溶解在苯类溶剂，在溶液状态下羰基铁、二茂铁与乙酰丙酮铁中的至少一种与聚碳硅烷完全混合均匀，然后经过溶剂蒸发、燃烧、粉体成型和烧结等流程制备得到磁性材料。本发明的制备方法简单，能耗低，对设备要求低。本发明制备的磁性材料，SiO₂和α-Fe₂O₃分布均匀，耐高温。本发明可以通过简单地控制PCS和所述铁化合物的比例来控制磁性。本发明制备的磁性材料烧结较为致密。

附图说明

图1是实施例1的磁滞回线；

图2是实施例1的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1

按照质量份数，1份PCS和1份乙酰丙酮铁溶解于8份二甲苯中；在150℃加热1h去除大部分溶剂；再在250℃加热3h，以使得溶剂彻底去除以及聚碳硅烷(PCS)和乙酰丙酮铁充分反应；在900℃下加热2h，从而彻底无机化；研磨至粒度小于0.08mm；用60MPa的压强成型；在1600℃保温1h烧结。

如图1所示本发明制备的磁性材料呈现α-Fe₂O₃的微弱铁磁性，单位饱和磁化强度大约为1.7emu/g,矫顽力低，呈现软磁特性。

实施例2

按照质量份数，2份PCS和1份乙酰丙酮铁溶解于6份甲苯中；在170℃加热40min去除大部分溶剂；再在300℃加热2h，以使得溶剂彻底去除以及聚碳硅烷(PCS)和乙酰丙酮铁充分反应；在1100℃下加热1h，从而彻底无机化；研磨至粒度小于0.06mm；用120MPa的压强成型；在1600℃保温3h烧结。

实施例3

按照质量份数，10份PCS和1份乙酰丙酮铁溶解于7份二甲苯和3份甲苯中；在160℃加热50min去除大部分溶剂；再在270℃加热3h，以使得溶剂彻底去除以及PCS和乙酰丙酮铁充分反应；在1000℃下加热2h，从而彻底无机化；研磨至粒度小于0.09mm；用80MPa的压强成型；在1600℃保温0.5h烧结。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。