新型镨掺杂钡锶(1:1)铽基六角铁氧体的微结构、力学与磁性能探索及其在永磁与电磁应用中的可调控路径

《Inorganic Chemistry Communications》：Exploring the microstructural, mechanical and magnetic properties of new praseodymium doped terbium-based Ba Sr (1:1) hexaferrites

本研究系统探讨了Pr3+掺杂对Ba0.5Sr0.5Tb0.5Fe11.5–xPrxO19六角铁氧体结构、力学与磁性能的协同调控机制。通过溶胶-凝胶自燃烧法成功合成样品，发现Pr掺杂可显著降低孔隙率、提升力学性能（如弹性模量、硬度与断裂韧性），并在x=0.08时实现最优磁性能（饱和磁化强度Ms与剩余磁化强度Mr达峰值）。该研究为高性能永磁材料与电磁器件的设计提供了新材料基础与理论依据。

　　

Highlight

样品制备

采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧技术成功制备了一系列Ba_0.5Sr_0.5Tb_0.5Fe_11.5–xPr_xO₁₉（x = 0.00, 0.04, 0.08, 0.12）样品。实验直接使用以下原料：硝酸钡(Ba(NO₃)₂)、硝酸锶(Sr(NO₃)₂)、柠檬酸、五水合硝酸铽(Tb(NO₃)₃·5H₂O)、九水合硝酸铁(Fe(NO₃)₃·9H₂O)、六水合硝酸镨(Pr(NO₃)₃·6H₂O)以及氨水。首先，将金属盐按化学计量比溶解于去离子水中，形成均匀溶液。随后加入柠檬酸作为络合剂，金属离子与柠檬酸的摩尔比控制为1:1.5。使用氨水调节pH值至7，并在80°C下持续搅拌形成溶胶。进一步加热使溶胶转化为凝胶，最终在200°C下发生自蔓延燃烧，得到蓬松的前驱体粉末。将前驱体在950°C下煅烧4小时，得到最终产物。

X射线衍射分析（XRD）

所有合成的Ba_0.5Sr_0.5Tb_0.5Fe_11.5–xPr_xO₁₉样品的XRD图谱如图1所示。衍射图谱与六方结构的M型钡锶铁氧体标准谱高度吻合。结果表明，所有样品均呈现单一M型六角铁氧体相，未出现杂相。随着Pr含量的增加，衍射峰出现轻微偏移，表明Pr³⁺成功掺入晶格。通过Rietveld精修计算晶格参数，发现参数c从23.175 ?逐渐增加到23.197 ?，而参数a变化较小。单位晶胞体积也从697.95 ?3扩展至700.20 ?3。采用Williamson–Hall方法估算晶粒尺寸，发现其随Pr掺杂从44.83 nm减小至42.22 nm。微观应变呈现非单调变化趋势：在x=0.04时从3.81×10^?4上升至5.77×10^?4，在x=0.08时下降至1.83×10^?4，最终在x=0.12时回升至4.13×10^?4，反映了晶格的交替畸变与弛豫效应。

结论

Ba_0.5Sr_0.5Tb_0.5Fe_11.5–xPr_xO₁₉（x = 0.00, 0.04, 0.08, 0.12）六角铁氧体被成功合成，并系统评估了Pr掺杂对其结构、微观结构、力学与磁性能的影响。XRD分析表明，随着Pr含量增加，晶格发生逐渐膨胀，晶格参数从a=5.8971 ?、c=23.1755 ?（x=0.00）变化至a=5.9038 ?、c=23.1975 ?（x=0.12）。平均晶粒尺寸随Pr掺杂逐渐减小，而微观应变呈现非单调行为，反映了Pr掺杂引起的晶格畸变与再弛豫的竞争机制。孔隙率从15.14%显著降低至9.91%，从而提升了弹性模量（119.4→145.7 GPa）、硬度（4.32→4.92 GPa）和断裂韧性（1.87→2.08 MPa·m^1/2）。磁性能测量显示，在x=0.08时获得最大饱和磁化强度（38.41 emu/g）和剩余磁化强度（22.31 emu/g），而矫顽力则从3.578 kOe持续上升至5.523 kOe。这些系统性的性能提升归因于孔隙率降低、微观结构细化以及Pr诱导的晶格畸变，为设计用于永磁与电磁应用的高性能M型六角铁氧体提供了可调控的路径。