钡铁氧体永磁材料的制备及性能表征

1. 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering 钡铁氧体永磁材料的制备及性能表征 实验指导书 2013年6月4日

2. 永磁铁氧体 • 定义 永磁铁氧体又称为硬磁铁氧体，它只需外部提供一次充磁能量，就能产生稳定的磁场，从而向外部持续提供磁能。由于其独特的结构及性能，在传感元件、光电材料和磁敏光记录材料、颜料、脱氢催化剂等方面得到了广泛应用。 左：微特电动机 右：磁记录材料 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

3. 钡铁氧体永磁材料 钡铁氧体：它具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁等特点，而且原料来源丰富、成本低廉，成为产量最高的永磁材料 。

4. 实验目的 • 学习传统陶瓷工艺制备钡铁氧体粉体的过程，掌握其工作原理。 • 学习钡铁氧体的干压和等静压成型过程，掌握其工作原理。 • 学习钡铁氧体的烧结过程，掌握其工作原理。 • 掌握X-射线衍射仪的工作原理和使用方法，并利用X-射线衍射仪测试制备的钡铁氧体的物相。 • 掌握扫描电子显微镜的工作原理和使用方法，并利用扫描电子显微镜分析钡铁氧体粉体的微观形貌。 • 掌握振动样品磁强计的工作原理和使用方法，并利用振动样品磁强计测试钡铁氧体的磁化曲线和磁滞回线。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

5. 实验以有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁的钡铁氧体为研究对象，系统研究了钡铁氧体的制备工艺、成型工艺及烧结工艺，并重点利用一些先进的分析仪器对材料的性能进行表征，培养学生综合实验设计的能力，提高学生分析问题、解决问题的能力，最终培养学生具有磁性材料计量检测技术能力。实验以有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁的钡铁氧体为研究对象，系统研究了钡铁氧体的制备工艺、成型工艺及烧结工艺，并重点利用一些先进的分析仪器对材料的性能进行表征，培养学生综合实验设计的能力，提高学生分析问题、解决问题的能力，最终培养学生具有磁性材料计量检测技术能力。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

6. 实验原料和实验设备 球磨机 实验原料： 碳酸钡（BaCO3）、氧化铁（Fe2O3）、添加剂（SiO2、Al2O3以及稀土氧化物等） 实验设备： 压片机 电子天平、干燥箱、球磨机、马弗炉、压片机、X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、振动样品磁强计 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

7. 实验原理 1、钡铁氧体形成过程： （1）BaCO3的分解：350℃~900℃ BaCO3 (s) → BaO (s) + CO2(g) （2）形成过渡产物的中间反应：>700~800℃ BaO•Fe2O3 (s) + 5Fe2O3 (s) → BaO•6Fe2O3 (s) （3）磁铅石结构形成反应： BaCO3 (s) + 6Fe2O3 (s) → BaO•6Fe2O3 (s)+ CO2(g)

8. 2、钡铁氧体材料工艺流程简图： 配料 一次球磨 预烧 二次球磨 检测 烧结 成型 烘干造粒 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

9. 实验内容及步骤 1、配料 基本配方：分子式为 BaFe12O19= BaO·6Fe2O3 理论上BaO：Fe2O3=1：6， 但实际中，一般在5.4～5.7之间。 原因？ 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

10. 2、一次球磨 将配好的原料一次球磨粉碎并混料均匀，球磨时间6小时，料：球：水=1：2.5：1。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

11. 3、预烧 预烧料温度一般在1260～1320℃范围内，在充分的氧化气氛中，高温时保温时间根据粒子直径大小（和坯件的大小）一般为2～3 h（最长为5h），如果能生成95%以上的铁氧体材料可视为预烧较佳状态。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

12. 4、二次球磨 适当降低球磨机转速22—28转/每分，h最佳=32/√D +n通过改进后，只球磨10h左右，就可使预烧料磨到0.9～1μm平粒度。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

13. 5、烘干造粒 二次球磨料烘干先过40目筛，掺0.10wt%PVA，采用手工造粒，然后过100目筛。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

14. 6、成型 采用垂直磁场成型法，（如右图）在水平方向产生磁力线磁场方向与压力垂直，在压制过程中，磁矩不发生偏转，该方向取向度高。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

15. 7、烧结 从以2℃/min的升温速率升温至指定温度并保温若干小时。 在0～600 ℃，缓慢升温，曲线要平坦，主要是水分蒸发（干压成型坯件排胶）。保温时间视其烧结温度高低、产品尺寸及体积大小而定。降温可快一些，一般为自然冷却或风冷 。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

16. 振动样品磁强计 扫描电子显微镜（SEM） 8、测试 • 钡铁氧体XRD测试； • 钡铁氧体SEM观察 ； • 钡铁氧体磁性能测试。 XRD衍射仪 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

17. 钡铁氧体物相分析 通过测定不同烧结温度合成样 品的XRD，得到XRD图谱，如左图 所示，并通过与标准XRD图谱数据 库中卡片对比，确定所合成样品的 物相。 图中所示不同烧结温度对晶格常数a和c影响极小，但是平均晶粒尺寸随烧结温度的增加而增大。 不同烧结温度钡铁氧体XRD图谱 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

18. a b c d 钡铁氧体SEM图 SEM图再次证明钡铁氧体晶粒尺寸随烧结温度的增加而增大。 不同烧结温度钡铁氧体SEM照片 （a：700 ℃；b：800℃ ；c： 900 ℃；d：1000℃ ） 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

19. 钡铁氧体VSM图 左图为磁滞回线，700℃烧结时，VSM曲线呈现典型的“蜂腰状”，是因为样品中大量存在的中间软磁相BaFe2O4和数量相当的永磁相BaFe12O19，二者叠加的结果就形成了“蜂腰状”的磁滞回线。烧结温度继续升高，BaFe12O19纯度增大，曲线呈现正常的永磁材料的磁滞回线形式。 不同烧结温度钡铁氧体VSM曲线 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

20. 实验报告要求 • 写出实验目的、内容及步骤，设计图表记录分析实验过程中的数据，并对数据进行处理。 • 分别用XRD、SEM、VSM表征钡铁氧体的结构和性能，分析钡铁氧体制备条件与结构形貌和磁性能之间的内在联系。 • 回答思考题。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

21. 思考题 • 配料过程中应注意什么问题？ • 钡铁氧体预烧工艺的优点是什么？ • 简述提高永磁材料性能的途径。 • 以钡铁氧体XRD测试、SEM分析和振动样品磁强计测试中 的一种为例，说明在测试中遇到的问题或需注意的问题？ • 总结生活中遇到过哪些永磁材料，并举例说明？ 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

22. X-射线衍射仪工作原理及应用 X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主 要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的 原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X 射线的强度增强或减弱。由于大量原子散热波的叠加，互相干涉而产生最大强 度的光束称为X射线的衍射线。 布拉格公式： 应用已知波长的X射线来测量θ角，从 而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构 分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ 角，从而计算出特征X射线的波长，进而可 在已有资料查出试样中所含的元素。 布拉格衍射示意图 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

23. 激光粒度分析仪的工作原理及应用 光在传播中，波前受到与波长尺度相当的隙孔或颗粒的限制，以受限 波前处各元波为源的发射在空间干涉而产生衍射和散射，衍射和散射的光 能的空间（角度）分布与光波波长和隙孔或颗粒的尺度有关。用激光做光 源，光为波长一定的单色光后，衍射和散射的光能的空间（角度）分布就 只与粒径有关。 用激光做光源，光为波长一定的单色光后，衍射和散射的光能的 空间（角度）分布就只与粒径有。 对颗粒群的衍射，各颗粒级的多少 决定着对应各特定角处获得的光能 量的大小，各特定角光能量在总光 能量中的比例，应反映着各颗粒级 的分布丰度。 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering

24. 振动样品磁强计工作原理及应用 VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器。它采用电磁感应原理，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。对于足够小的样品，它在探测线圈中振动所产生的感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、振动频率不变的基础上。用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩。 VSM可以直接从测试中得到的内容包括：B-H 曲线、M-H 曲线、初始化磁化曲线，磁滞回线上的各参数，并能够测量材料的各向磁特性（mx, my, mz）。 B-磁感应强度，H-磁场强度，M-磁化强度。Ms-饱和磁化强度，Mr-剩余磁化强度，Hc-矫顽力 振动样品磁强计结构简图 材料科学与工程实验教学中心 Experimental Teaching Center for Materials Science and Engineering