一种S和C频段低损耗六角铁氧体材料及其制备方法

本发明属于铁氧体材料制备，具体涉及一种s和c频段低损耗六角铁氧体材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着应用于电子消费产品、物联网、智能驾驶、可植入电子设备的无线通信系统的飞速发展，下一代无线通信系统对天线的高频化、宽带化、小型化、轻量化有着迫切需求。由于天线尺寸主要由天线基材内电磁波波长决定，因此高介电常数材料在天线小型化领域得到了广泛的应用。然而，基于高介电材料的天线小型化技术存在两个明显的问题：一是电场能量集中和表面波激发，导致天线效率降低和带宽变窄；二是高介电材料阻抗与环境阻抗差异大，给阻抗匹配带来困难。

2、相比于高介电材料，磁介电材料具有较小的电容性，因此电磁场能量分布更加均匀，有利于增加天线的效率和带宽。此外，磁介电材料的阻抗与环境阻抗差异小，有助于在宽频带上实现阻抗匹配。例如，美国roger公司在2019年推出了世界上第一款商业化磁介电材料——555层压板，其特征阻抗接近于1，小型化因子与介电常数为30的高介材料相当，可用作500mhz以下的天线基材。然而，目前还未形成用于工作在s(2～4ghz)和c频段(4～8ghz)的5g天线的商业化磁介电材料产品。六角铁氧体是一类重要的磁介电材料，根据其易磁化轴与晶胞c轴的夹角分为单轴型、锥面型和平面型。单轴型六角铁氧体的磁导率自然共振频率高，但磁导率较低；平面型六角铁氧体的磁导率自然共振频率较低，但磁导率较高。六角铁氧体的磁导率和自然共振频率与其面内和面外磁晶各向异性场密切相关，金属离子取代可改变六角铁氧体易磁化轴与c轴的夹角，影响面内和面外磁晶各向异性场，从而实现对磁导率、磁损耗和自然共振频率的调控。例如，专利cn106573848b通过co2+、ir2+离子联合取代制备了平面z型和y型六角铁氧体复合材料，其在0.65～0.85ghz的磁导率实部为4.6～7.6、磁损耗角正切为0.07～0.29、介电常数实部为6.5～8.1、介质损耗角正切为0.05～0.09。专利cn107428556b采用固相反应法制备了适用于uhf频段的mo2+离子掺杂co2z型六角铁氧体复合材料，其在0.8～1ghz的磁导率实部为7.6～8.6、磁损耗角正切为0.07～0.12、介电常数实部为6.6～8.7、介质损耗角正切为0.002～0.003。专利cn105322297a公开了一种适用于l频段(1～2ghz)的磁介电天线，其中所用co2y型六角铁氧体在2.1ghz的磁导率实部为2.2～2.5、磁损耗角正切为0.04～0.05。专利cn103209773b采用溶胶—凝胶法制备了一种用于蓝牙天线的m型六角铁氧体，其在2.45ghz的磁导率实部为1.37、磁损耗角正切为0.13、介电常数实部为22.2、介质损耗角正切为0.1。然而，迄今为止报道的传统六角铁氧体大多只适用于l频段以下，在s频段乃至更高的c频段磁导率较低(<2)、磁损耗角正切较高(>0.1)，不利于低损耗5g天线的小型化应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提供了一种s和c频段低损耗六角铁氧体材料及其制备方法。本发明通过离子取代和制备工艺调控，实现材料高磁导率和介电常数、低磁介电损耗和高截止频率特性。

2、本发明的核心思想：基于高介电材料的5g天线小型化技术存在效率低、带宽窄、阻抗匹配难等问题，其有效解决方案是采用微波磁介电材料。而传统微波磁介电材料受截止频率和磁介电损耗限制，难以满足sub-6ghz频段的应用需求。本发明基于18h六角铁氧体独特的晶体结构，采用cu2+掺杂18h六角铁氧体，cu2+掺杂的18h六角铁氧体具有单轴型磁晶各向异性，其磁导率自然共振频率大于c频段但磁导率小于1.5，再通过引入ni2+取代使其易磁化轴从晶胞c轴转向六角平面内，从而实现从单轴型到平面型转变，降低自然共振频率并提高磁导率。cu2+、ni2+联合可精确调控18h六角铁氧体面内和面外磁晶各向异性场，实现连续可变的磁导率自然共振频率和覆盖s和c频段的低损耗特性。其次，由于18h六角铁氧体独特的晶体结构，cu2+、ni2+联合可降低磁矩进动阻尼系数，增强磁导率自然共振，减小自然共振半高宽，降低磁损耗的频散，实现高频下的低损耗特性。再次，低熔点的cuo、nio和高熔点的sio2添加剂联合，在促使样品致密化的同时，抑制晶粒异常生长，使得晶粒尺寸细小且均匀，具有高电阻率的sio2添加剂富集于晶界，可有效提高晶界电阻率，降低材料高频磁介电损耗。因此，本发明基于一种具有新型晶体结构的18h六角铁氧体材料，通过cu2+、ni2+联合调控18h六角铁氧体易磁化轴方向，实现单轴型六角铁氧体高自然共振频率和平面型六角铁氧体高磁导率的结合，并采用sio2添加剂实现高密度、均匀细晶粒、高阻晶界的显微结构，制备应用于s和c频段的高磁导率和介电常数、低磁介电损耗cuni 18h六角铁氧体材料。

3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

4、一种s和c频段低损耗六角铁氧体材料，所述六角铁氧体材料包括主相和添加剂，主相为ba5cu2-xnixti3fe12o31，其中，x＝0.5～1，添加剂为sio2；添加剂占主相质量的0.5～1.5wt％；通过改变配方中cu2+、ni2+比例，在s和c频段实现磁导率实部μ'≥1.8、磁损耗角正切tanδm≤0.08、介电常数实部ε'≥10、介质损耗角正切tanδd≤0.01。

5、一种s和c频段低损耗六角铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：

6、s1.配料：按化学式ba5cu2-xnixti3fe12o31计算并称量baco3、cuo、nio、tio2、fe2o3原料粉末，其中，x＝0.5～1；

7、s2.一次球磨：将步骤s1所得原料粉末在球磨机内混合均匀，球磨时间为2～4小时；

8、s3.预烧：将步骤s2所得一次球磨料烘干，然后在1050～1150℃下预烧3～5小时，得到cuni 18h六角铁氧体预烧料；

9、s4.掺杂：向步骤s3所得cuni 18h六角铁氧体预烧料中加入相当于预烧料质量的0.5～1.5wt％的sio2掺杂剂；

10、s5.二次球磨：将步骤s4所得混合粉料在高能球磨机中球磨6～10小时，球磨后粉料的平均颗粒尺寸为0.6～1.0μm；

11、s6.成型：将步骤s5所得浆料进行脱水处理，使浆料含水量控制在30wt％～35wt％之间，然后将脱水后的浆料在旋转磁场成型机下压制成生坯，成型磁场强度为0.6～1.0t，成型压强为80～120mpa，保压时间为40～60s；

12、s7.烧结：将步骤s6所得生坯置于烧结炉内，在1100～1200℃烧结3～5小时，得到所述低损耗六角铁氧体材料。

13、针对步骤s7所得样品，采用x射线衍射仪分析样品相成分；采用扫描电子显微镜观察样品微观形貌；采用振动样品磁强计测量样品平行于c轴和垂直于c轴的磁滞回线，表征其各向异性；采用矢量网络分析仪和同轴空气线夹具测量样品复磁导率谱和复介电常数谱。

14、本发明制备的低损耗六角铁氧体材料主要技术指标：在s波段和c波段，磁导率实部μ'≥1.8、磁损耗角正切tanδm≤0.08、介电常数实部ε'≥10、介质损耗角正切tanδd≤0.01。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、本发明提供的一种s和c频段低损耗六角铁氧体材料，通过改变cu2+、ni2+比例，可调控磁晶各向异性、磁导率和自然共振频率，使其适用于s和c频段；高密度、均匀细晶粒、高阻晶界的微观结构，有利于提高六角铁氧体磁导率和介电常数，降低高频磁介电损耗；制得的六角铁氧体为磁介电材料，可用于sub-6ghz天线小型化，提高天线带宽，减小阻抗失配。