铁电/铁磁复合材料的磁性能和介电性能研究

铁电/铁磁复合材料是一类在材料内部同时共存铁电相和铁磁相的重要功能材料。在外加磁场和电场的作用下,其磁化和极化状态易于调控。笔者以铁电性的钛酸钡和铁磁性镍铜锌铁氧体纳米粉为原料,采用固相反应法,合成了一系列铁电/铁磁复合材料。研究表明:在一定温度下烧结所得的铁电/铁磁复合材料,由铁电相和铁磁相两相所组成,对外表现出铁电性和铁磁性。该复合材料同时具有电感和电容两种特性,而且频率稳定性好,有望替代现有的分立式无源滤波器,做到真正的集成而广泛应用在集成电路中。

铁电-铁磁复合材料的研究现状及发展趋势

铁电-铁磁复合材料是一种由铁电相和铁磁相复合而成,具有磁电转换功能的新材料,它具有广阔的应用前景。系统地介绍了铁电-铁磁复合材料的原理、性质及研究进展,最后对存在的问题及发展趋势作了分析。

PZTS-NiCuZn铁电-铁磁复合材料的电磁性能研究

首先用溶胶-凝胶法制得了Pb_(0.95)Sr_(0.05)(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(PZTS)纳米粉料,然后采用固相反应法合成一系列PZTS-NiCuZn铁电-铁磁复合材料。研究了该复合材料的电磁性能。结果表明,在一定温度下烧结所得的复合材料,由铁电相和铁磁相组成,对外表现出铁电性和铁磁性,同时具有电感和电容两种特性,且频率稳定性好,有望成为用于制作叠层片式抗电磁干扰(EMI)滤波器的复合双性材料。

铁电/铁磁复合材料的介电、铁电性能研究

采用传统的固相烧结工艺制备了铁电/铁磁复合材料,组分为(1-x)NiFe_2O_4+xPbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3(其中x=0.5,0.6,0.7,0.8)。利用XRD和背散射电子像分析了复合材料的相成分,结果表明,复合材料由铁电相和铁磁相组成,无杂相生成。通过测量电阻率及压电性能得出复合材料的最佳烧结温度约为1 220℃。介电温谱研究表明,相变温度约为390℃,且不随频率变化,是铁电到顺电的相变。电滞回线呈束腰特征,剩余极化强度较小,随铁电体含量的增加剩余极化强度增大,铁电性加强。

功能梯度铁电铁磁复合材料弯曲模态下的磁电效应

基于磁致伸缩相与压电相的本构方程,应用弹性力学的方法,建立了功能梯度铁电铁磁复合材料弯曲模态下的磁电耦合静态力学模型。假设铁电和铁磁材料的物理参数均为沿厚度方向的线性或指数函数,分析计算了由PZT作为铁电材料和CoFe2O4作为铁磁材料的双层复合材料的磁电效应。结果表明,在弯曲模态下,磁电电压系数出现两个峰值。负梯度的铁电(或铁磁)材料提高磁电效应,正梯度的铁电(或铁磁)材料降低磁电效应。同号梯度的铁电铁磁材料对磁电效应的影响更大。

LTCC用介电/铁磁复合材料的研究进展

在介绍介电/铁磁复合材料在LTCC应用前景的基础上,阐述了作为LTCC器件材料的介电相材料和铁磁相材料所必须具备的特性。综述了常见的LTCC介电/铁磁复合材料体系和复合工艺。指出了研究中存在的问题以及今后主要研究方向——寻找新的复合体系。并指出介电/铁磁复合材料也可以应用在吸波材料上。

CBS玻璃掺杂铁电/铁磁复合材料性能研究

采用标准陶瓷工艺,在900℃和950℃成功制备了可应用于LTCC(低温共烧陶瓷)工艺的掺杂CBS的Ba Ti O3/N i Cu Zn复合材料。对比研究了添加CBS前后复合体系磁性能和介电性能变化。发现CBS能够减弱低频段的磁导率频散,并能在一定程度提高高频段的Q值;同时,它还能明显抑制界面极化对复合材料介电性能的影响,可使高频段的介电损耗降低至0.001。

多铁磁电复合材料—功能材料领域的闪亮新星

在功能材料研究领域,人工复合的多铁磁电材料因具有室温环境下特殊的磁电性能——铁电有序和铁磁有序共存及"磁-力-电"转换特性(磁电耦合效应),在磁传感器、换能器、微波器件、存储器等方面有着十分诱人的实用价值与应用前景。本文在回顾多铁磁电复合材料背景知识的基础上,重点介绍磁电复合材料磁电耦合机理、设计原理、制备方法与研究现状、理论分析方法与磁电效应表征方法相关内容,最后总结、展望多铁磁电复合材料未来研究中的一些重要问题。

BST/YIG复合材料的相结构、介电性能和磁性能的研究

以铁电性的钛酸锶钡(BST)和铁磁性钇铁氧体(YIG)为原料,采用固相反应法,合成了一系列铁电/铁磁复合材料,并对铁电/铁磁复合材料(YIG/BST)的介电性能和磁性能进行了详细地研究.结果表明:在一定温度下烧结所得的铁电/铁磁复合材料,由铁电相和铁磁相两相组成;xBST-(1-x)YIG(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0)复合材料具有良好的介电性能和磁性能,其介电常数实部ε′与虚部ε″均随BST含量的增加而升高,且介电常数的谐振峰随着YIG含量的增加而向频率高的方向移动.磁导率实部μ′与虚部μ″均随BST含量的增加而降低.在YIG铁氧体中加入适量的陶瓷BST构成复合材料,可以有效地改善截止频率,提高高频电磁特性.

磁电复合材料的研究进展

介绍了铁电-铁磁复合材料的国内外研究现状、制备方法,讨论了铁电-铁磁复合材料性能的影响因素,提出了其目前存在的问题及今后的发展方向.

制备工艺对PZT/NiCuZn复合材料电磁性能的影响

采用sol-gel法、固相反应法和掺杂的sol-gel法三种制备工艺,制备了PZT与NiCuZn质量比为3:7和4:6的两种铁电/铁磁复合材料。研究了不同制备工艺对低温烧结复合材料显微结构和电磁性能的影响。结果表明:三种制备工艺都能很好地实现900℃低温烧结,且所制复合材料的ρv大于5.2g·cm–3,μi大于19,Q值大于265,ε′大于45。相对而言,掺杂的sol-gel法所制材料性能最好,其次是固相反应法,再次是sol-gel法。但是,从适于批量生产以及降低成本的角度考虑,固相反应法更符合实际。

铁磁颗粒夹杂软基体复合材料的制备和特性分析

目的制备铁磁颗粒夹杂软基体复合材料,研究其磁学特性和力学特性。方法在室温条件下采用自然固化制备得到铁磁颗粒夹杂软基体复合材料。利用多物理场COMSOL有限元分析软件,研究单向磁场和单轴拉伸下颗粒体积分数对各向异性及各向同性的铁磁颗粒夹杂软基体复合材料特性的影响。结果颗粒体积分数对2种复合材料的相对磁导率及杨氏模量影响很大,且相同颗粒体积分数时,各向异性的铁磁颗粒夹杂软基体复合材料受颗粒体积分数影响更大。结论铁磁颗粒夹杂软基体复合材料的有效性能不仅和材料各组分的比例有关,而且和材料各组分的分布形式有很大关系。

铁磁金属基复合材料电磁波吸收研究进展

电磁吸波材料作为一种可以与电场或磁场分支相互作用的特性功能介质,在过去20年中受到了广泛的关注并取得了长足的发展,其中铁磁金属基复合材料由于其协同损耗机制以及多样化的成分和微观结构设计一直被认为是高性能电磁吸波材料的候选材料。近年来,人们对具有独特核壳结构的铁磁金属基复合材料的制备越来越感兴趣。一方面,核壳结构可以保证涂层良好的化学均质性,对易腐蚀组分提供一定的保护作用;另一方面,在不同电磁组分之间形成充分的非均质界面,有利于增强极化效应,以极化损耗的方式加剧电磁能量的消耗。本文首先介绍了电磁波吸收理论,然后从内嵌铁磁金属芯和外嵌介电壳层两方面重点介绍了铁磁金属基核壳结构复合材料的研究进展。此外,还总结了铁磁金属单体颗粒以及铁磁金属@SiO_(2)复合材料,通过分析其电磁吸收性能,提出了核壳铁磁金属基复合材料发展面临的挑战。

铁磁纳米复合材料

0.前言 在过去的十多年中,人们在增加电子设备的工作频率方面做了大量工作。发展的走势是通过使用电感元件减小仪器系统的体积或重量。这从各种类型的电子学如无线电波传播、无线电通讯、微型设备、电动电子设备中都可看出。

TiO_2/NiCuZn复合材料的电磁性能

铁电铁磁复合材料是一种由铁电相和铁磁相复合而成的重要功能材料,将对电子设备的小型化和高度集成化起到相当关键的作用。研究以铁电性的TiO2和铁磁性的NiCuZn铁氧体为原料,采用固相反应法合成一系列TiO2/NiCuZn复合材料,考察了材料配比和烧结温度对复合材料介电性能和磁性能的影响。实验表明,随着TiO2含量的增加,复合材料的磁导率显著降低,但同时介电性能会得到改善。对于NiCuZn含量为80wt%的材料,在900～1200℃的烧结温度范围,随着烧结温度的升高介电常数与磁导率也都会随之升高。这种TiO2/NiCuZn复合材料同时具有电感和电容两种特性,有望在未来的集成电路中广泛使用。

PZT502/CoFe_2O_4叠层复合材料的制备与磁电效应

以分析纯的Co2O3和Fe(NO3)3.9H2O为原料,用常规工艺,在1270℃下烧结1 h制备了CoFe2O4陶瓷,作为铁磁相;铁电相为购自美国的PZT502粉体烧制成的陶瓷。将这两种材料切割成长片状,并叠层复合成为3和7层的2-2复合材料。研究了外加磁场和频率对复合材料的磁电耦合效应的影响;当叠层数为7时,复合材料的磁电耦合系数达到234.6 mV/(cm.Oe)、感应电压达2.3 V。

复合双性LTCC材料基础研究

随着电子技术在自动化、工业控制、医学、航天航空和日常生活等领域的广泛应用,高密度、宽温域、小尺寸、多功能、高品质等特性日益成为其发展的必然趋势,同时这些特性给传统封装技术及工艺带来了巨大的挑战。在众多的封装技术中,低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术成为了国际研究的焦点,因为利用LTCC技术制备的产品不仅能具备高电流密度、小体积,而且还具备高可靠性和优良的电性能、传输特性及密封性。LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术。它将四大无源器件,即变压器(T)、电容器(C)、电感器(L)和电阻器(R)集成,配置于多层布线基板中,与有源器件(如:功率MOS、晶体管和IC电路模块等)共同集成为一完整的电路系统。因此LTCC技术又称为混合集成技术,它能有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性。笔者围绕LTCC技术中的低温共烧铁氧体LTCF(Low Temperature Co-fired Ferrite)材料,采用理论、实验及应用三位一体的研究模式,开发了一种新型LTCC复合介质材料,不但对该材料的复合机理进行了理论模拟而且对其在LTCC滤波器中的应用展开了研究。笔者在理论模型、材料制备和器件设计上做了一些探索性和创新性的工作,具体内容如下:(1)探索性地建立了针对LTCC陶瓷的低温烧结模型。模型基于液相烧结理论,以液相在晶粒边界引起的毛细管压力及溶解–淀析过程中化学势能的变化为烧结驱动力,将烧结温度、时间与烧结后的最终晶粒大小、相对密度联系起来,模拟出低温烧结动态过程中相对密度的变化趋势。(2)首次提出铁电–铁磁复合材料的复合理论并给予了系统的分析。讨论了复合材料中两相成分的化学结构及电磁性能在理论上对复合可能性的影响,根据材料的微观结构建立了复合模型,模型中假设铁电相均匀分布于铁磁相晶粒表面,并和气孔一起形成非磁性薄层将铁磁晶粒之间隔断,使铁磁颗粒孤立。通过对复合结构中铁磁晶粒内场变化的分析,推导出复合材料铁电/铁磁成分比与复合磁导率的关系方程;另外,利用微观结构中电流流通的等效电路,推导得到不同铁电/铁磁成分比时复合材料复数介电常数与频率的关系表达式。(3)研究了工艺条件对材料电磁性能的影响。按照工艺流程改变工艺参数预烧温度、二次球磨时间、烧结曲线中升温降温速度、烧结温度和保温时间,通过SEM、XRD等分析手段了解改变工艺参数对铁氧体材料微观结构的影响规律,通过对材料介电常数频谱、磁导率频谱及品质因数的测量得知工艺参数对材料电磁性能的影响规律,根据实验数据结果得到最佳铁氧体烧结工艺参数。(4)研究了不同掺杂离子及助熔剂的加入对低温烧结铁氧体LTCF材料的微观结构及电磁性能影响。首先研究了不同MnCO3和CuO含量对NiZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响,首次发现了掺杂Mn离子的NiZn铁氧体其电磁性能对烧结温度具有敏感性。其次研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对NiCuZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响,实验揭示W6+对材料微观结构的改善;最后对低温NiCuZn铁氧体进行改性掺杂,研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电磁性能的影响,并给出NiCuZn铁氧体掺杂稀土元素时的磁频谱及介频谱。(5)开发了一新型的基于不同低温烧结NiCuZn铁氧体与高介电常数(BaTiOk+X)钙钛矿的具有电感、电容双性的铁电–铁磁复合材料,研究了不同铁电–铁磁含量对各组复合材料微观结构及电容电感双性的影响。并研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对其烧结特性、微观结构及电容电感双性的影响。最后对复合材料进行稀土掺杂改性,研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电容电感双性的影响。(6)设计并制作出两种使用LTCC复合双性材料的3G通讯设备用带通滤波器。采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对所建立的滤波器模型进行模拟仿真,通过调节滤波器结构参数使滤波器各性能指标达到要求,并实现生产制备。制得带通中心频率3.5 GHz,插损<2.8 dB,带宽>400 MHz,阻带衰减大于35 dB的微带式带通滤波器和带通中心频率1.4 GHz,插损<3 dB,带宽>160 MHz,阻带衰减大于30 dB的LC式带通滤波器。

原位复合钛酸铅/镍(铅)铁氧体复相粉体的制备研究

利用sol-gel法并通过原位复合方法制备了具有铁电性能的PbTiO3和具有铁磁性能的NiFe2O4和PbFe12O19多相复合体系陶瓷粉体.利用XRD、SEM对多相复合体系的物相结构和形貌等进行研究.结果表明,在700℃时可控制形成纯铁电(PbTiO3)/铁磁(NiFe2O4)两相复合体系,在750℃以上则形成铁电(PbTiO3)/铁磁(NiFe2O4和PbFe12O19)三相复合体系.热处理温度对多相复合体系晶相的形成和生长产生关键性作用.多相复合共存体系中形成的晶相多以固溶体存在,各固溶晶相的晶格常数随固溶量的不同而不同.

铁电/铁磁三相颗粒复合材料的磁电性能计算

采用格林函数方法给出了三相复合材料的磁电系数的解析式 ,对稀土 铁合金 压电陶瓷 高分子 (Terfenol D PZT PVDF)三相颗粒复合材料的磁电系数进行了计算 .计算结果给出了复合材料的磁电性能与材料显微结构的关系 ,包括三相颗粒复合材料的磁电性能随组分、颗粒的长径比、PZT颗粒的电极化方向以及外磁场的变化趋势 ,可为实验设计提供参考和指导 .通过合理设计 ,三相磁电复合材料的性能可以达到数百mV A .作为一种新的磁电复合材料 。

《电子元件与材料》两篇论文齐获中国科协优秀学术论文奖

发表于本刊2003年第4期，由齐西伟、周济等撰写的《铁电／铁磁复合材料的磁性能和介电性能研究》和2004年第8期，由许天旱、赵麦群等撰写的《Sn—Ag—Cu系无铅焊锡成分的优化研究》论文双双荣获第四届中国科协期刊优秀学术论文奖。本刊特向两文作者表示祝贺!