通过控制烧结工艺优化Al/Zn（1:1）替代BaFe8Al2Zn2O19六铁氧体的结构、机械和磁性能

《Inorganic Chemistry Communications》：Optimization of structural, mechanical, and magnetic properties in Al/Zn (1:1) substituted BaFe 8Al 2Zn 2O 19 hexaferrites via controlled sintering

该研究系统考察了1200-1300℃烧结温度对BaFe8Al2Zn2O19 M型六角铁氧体结构、机械及磁性能的影响。XRD分析显示样品均为单一纯相六角磁铅石结构，c/a比稳定在3.98以下。1275℃烧结时获得最佳致密化效果，孔隙率最低（5.3%），密度最大（4.85g/cm3），弹性模量、硬度及断裂韧性分别提升至217GPa、7.2GPa和13.5MPa。磁性能方面，矫顽力达598Oe（最高值），剩磁比超过0.5，居里温度升至450℃（较未烧结时提高53℃）。研究证实优化烧结温度可显著改善材料综合性能，为电动汽车电机、微波组件及电磁屏蔽应用提供理论依据。

　　

Ebraheem Abdu Musad Saleh|Sana Ullah Asif|Kakul Husain|Nusiba M.M. Alshik|Ismail Hassan|M.M. Moharam|Asmaa F. Kassem|Ubaid-ur-Rehman Ghori

沙特阿拉伯阿尔-哈尔吉（Al-Kharj）萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学（Prince Sattam Bin Abdulaziz University）科学与人文学院化学系，邮编11942

摘要

本研究系统地探讨了烧结温度对采用溶胶-凝胶自燃烧法制备的BaFe₈Al₂Zn₂O₁₉ M型六铁氧体结构、机械性能和磁性能的影响。样品在1200至1300℃范围内进行烧结，X射线衍射分析显示其为单一相的六方磁铅矿结构。‘c/a’比值始终低于3.98，这也是纯六方相的另一个证明。晶粒尺寸在40.6至54.5纳米之间，微应变与烧结温度呈非线性关系。最佳致密化发生在1275℃，此时孔隙率最低、密度最高，同时弹性模量、硬度和断裂韧性显著提高，体现了微观结构与机械性能之间的强耦合。磁分析表明饱和磁化强度基本保持不变，但剩磁比超过0.5。在1275℃时矫顽力达到最大值，这可能是由于微观结构更加均匀，畴配置更加有利。随着烧结温度的升高，居里温度从397℃升至450℃，进一步证实了磁稳定性更好，铁磁相互作用更强。磁晶各向异性常数没有显著变化，表明各向异性能量具有热稳定性。这些结果表明，约1275℃的烧结温度能够获得最佳的结构、机械和磁性能组合。因此，Al/Zn替代的BaM六铁氧体在电动汽车电机、微波组件和电磁干扰屏蔽应用中具有潜在的适用性。

引言

M型六铁氧体是一类具有重要技术意义的铁磁氧化物。由于在能量转换、无线通信和电磁干扰抑制等领域对可靠磁性陶瓷的需求不断增加，基于六铁氧体的材料受到了越来越多的关注。[1],[2],[3] M型六铁氧体的一般化学式为MFe₁₂O₁₉（M = Ba²⁺, Ca²⁺或Sr²⁺），其磁铅矿晶体结构赋予了它们高的磁晶各向异性和优异的热稳定性[4],[5],[6]。其结构由R块和S块交替组成，Fe³⁺离子分布在不同的晶格位置（如4f₁、4f₂、12k、2a和2b），从而形成稳定且坚固的磁框架[7],[8],[9]。这种阳离子的精确排列使得这些材料常用于永磁体、微波组件和电磁屏蔽[10],[11]。最近的研究表明，它们的功能性能不仅取决于晶体本身的化学性质，还取决于合成方法、致密化过程及所得微观结构的控制程度[12],[13],[14]。M型钡六铁氧体因其高矫顽力和强单轴各向异性而被广泛用作硬磁材料，也应用于垂直磁化的高密度磁记录系统。其稳定的磁性能使其适用于可靠的数据存储应用[15]。 M型六铁氧体的微观结构特征对其功能性能至关重要[16]。晶粒尺寸、孔隙率、缺陷密度和阳离子分布直接影响畴壁的运动[17]，进而影响矫顽力、饱和磁化强度和磁导率[18],[19]。烧结温度是最重要的工艺参数之一，因为它控制着相稳定性、致密化和微应变的形成[20]。迄今为止的大部分研究都集中在掺杂效应上，关于烧结温度范围的系统研究较少[21]。然而，最新研究表明M型六铁氧体对热处理非常敏感[22],[23],[24]。例如，Wang等人[25]发现，在920℃烧结的BaBi_0.45(CoTi)_1.2Fe_9.15O₁₉六铁氧体具有致密的六方微观结构，饱和磁化强度高（3272 G），磁损耗和介电损耗低（tan δ_μ = 0.27，tan δ_ε = 5.8 × 10^?3），表明它们适用于微型条带器件。Rana等人[26]报告称，使用改良的柠檬酸前驱体方法制备并在800–910℃烧结的SrFe₁₂O₁₉六铁氧体在不经过高温处理的情况下表现出更好的磁性能。结构分析确认样品中主要为M型相，含有少量Fe₂O₃成分。饱和磁化强度从81 emu/g增加到92 emu/g，表明从多畴结构转变为单畴结构，适用于开关器件、数据存储和高频应用。 Al³⁺离子的加入通常会降低饱和磁化强度，并通过占据Fe³⁺晶格中的某些位置改变磁晶各向异性[27],[28]。而Zn²⁺离子则常常导致磁软化，但当它们优先位于四面体位置时也有助于致密化[29],[30]。K. Kayalvizhi等人[31]和Deepika Sharma等人[32]证明，Zn掺杂可以提高磁化强度、带隙和微波吸收性能，而Al/Pr共掺杂则会减小颗粒尺寸和晶格参数，同时增强矫顽力（10,500 Oe）和剩磁（23 emu/g），表明它们可能是稀土磁体的经济替代品。这些观察结果表明成分调整是有效的，但也揭示了文献中的研究空白。在受控的烧结温度范围内研究恒定化学组成可以提供更深入的见解。 在本研究中，我们采用溶胶-凝胶自燃烧法制备了BaFe₈Al₂Zn₂O₁₉ M型六铁氧体，并在1200至1300℃范围内进行系统烧结。主要关注的是精确控制的热处理如何影响结构演变。本研究通过优化上述组成的烧结温度，填补了M型六铁氧体加工领域的空白。该工作的创新之处在于系统地将烧结温度与BaFe₈Al₂Zn₂O₁₉的结构、机械和磁性能相关联，确定了提升性能的最佳温度范围，为电动汽车电机、微波部件和电磁干扰屏蔽用磁性陶瓷的制备提供了有益指导。

实验步骤

实验方法

我们采用溶胶-凝胶自燃烧法制备了多晶BaFe₈Al₂Zn₂O₁₉六铁氧体。根据上述组成比例，将分析纯度的钡、铁、铝和锌硝酸盐溶解在去离子水中。加入柠檬酸作为螯合剂和燃烧燃料。通过缓慢加入氨水来将溶液的pH值精确维持在约7。[33] 在搅拌过程中将混合物加热至约85℃。

结果与讨论

X射线衍射分析表明，所有烧结后的BaFe₈Al₂Zn₂O₁₉样品均为单一纯相的M型六铁氧体结构，空间群为P63/mmc，未检测到其他次要相[35],[36]。使用Checkcell软件对晶格参数进行了优化，结果显示随着烧结温度的变化，晶格参数有细微但系统性的变化，如图2(a, b)中的XRD图谱所示。通过Checkcell分析得出的拟合优度（χ²）参数用于评估优化质量。

结论

本研究采用溶胶-凝胶自燃烧法制备了BaFe₈Al₂Zn₂O₁₉ M型六铁氧体，并在1200至1300℃范围内进行系统烧结，以研究温度对其结构、微观结构、机械性能和磁性能的影响。X射线衍射确认形成了仅包含一个相（空间群P63/mmc，JCPDS 43–0002）的六方磁铅矿结构。晶格参数表现出轻微的各向异性。

作者贡献声明

Ebraheem Abdu Musad Saleh：撰写初稿、验证、软件使用、项目管理、方法论制定、资金获取、数据分析、概念构思。 Sana Ullah Asif：撰写与编辑、验证、监督、软件使用、资金获取、数据分析。 Kakul Husain：撰写初稿、验证、软件使用、方法论制定、实验研究、资金获取、数据分析。 Nusiba M.M. Alshik：撰写初稿。

伦理批准

我们声明本手稿是原创的，尚未在其他地方发表，目前也没有被其他机构考虑发表。我们确认所有署名作者均已阅读并批准了本手稿，且没有其他符合作者资格但未列入名单的人士。我们进一步确认所有作者均同意手稿中列出的作者顺序。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学通过项目编号（PSAU/2024/01/31546）资助了这项研究工作。

Ebraheem Abdu Musad Saleh目前担任沙特阿拉伯萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学科学与人文学院的副教授。