一种微波铁氧体材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种微波铁氧体材料及其制备方法与应用，本发明专利技术通过调控微波铁氧体的材料组成以及制备方法，通过升温与冷等静压的结合，以及冷轧与退火处理的结合，是所得微波铁氧体材料的尺寸为7mm以下时，能够满足介电常数控制在14

【技术实现步骤摘要】
一种微波铁氧体材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于微波材料
，涉及一种微波材料的制备方法与应用，尤其涉及一种微波铁氧体材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]铁氧体材料的各向异性是由外加的直流偏置磁场诱导的，这个磁场可以使铁氧体材料中的磁偶极子按同一个方向排列，从而合成非零的磁偶极矩，并且使磁偶极子在偏置磁场所控制的一个频率下做进动。同时，在与进动同一个方向上的圆极化的微波信号会与磁偶极矩发生强烈的相互作用，但一个相反极化的场却只发生较弱的相互作用，这称之为铁氧体的旋磁性，具有旋磁性的铁氧体称之为旋磁铁氧体，由于这一类铁氧体广泛应用于微波通信领域，因而常称为微波铁氧体。
[0003]环形器是将进入其任意端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件，其突出特点是单向传输高频信号能量。环形器控制电磁波沿某一环形方向传输，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间，起到各自独立，相互隔离的作用。环形器单向传输的原理，是由于采用了微波铁氧体材料，这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性以及电磁波能量强烈吸收。
[0004]例如CN 210805974U公开了一种微波铁氧体环形器，包括壳体、从下至上依次设置在壳体内的引脚架、第一永磁体、导磁片、第一铁氧体、中心导体、第二铁氧体、接地片、第二永磁体以及盖板；其中引脚架与壳体分离设置，引脚架具有多个固定有引脚的伸出臂，壳体的侧壁具有多个开口，引脚架的伸出臂伸出开口，永磁体置于引脚架上，导磁片置于引脚架和永磁体形成的叠堆件上，第一、第二铁氧体将中心导体夹在中间，形成夹线层，中心导体具有与引脚对应连接的伸出臂，接地片置于第二铁氧体上方，第二永磁体置于接地片上方，盖板位于最上方。
[0005]随着通讯技术的飞速发展，器件小型化、轻量化的要求越来越迫切，而铁氧体元器件的体积远高于其它元器件，因此其小型化、轻量化的任务尤为重要。作为器件设计的主要参数之一的介电常数ε与器件尺寸密切相关。因为电磁波在介质中传播的介质波长与介电常数的平方根成反比，所以提高材料的介电常数就成了器件小型化的重要手段。
[0006]当今微波通信领域常用的铁氧体材料，介电常数一般在12
‑
16之间。通过调整配方，掺杂某些元素，可以提高铁氧体的介电常数，但同时会导致铁磁共振线宽增大，居里温度下降，致使铁氧体失去实用价值。铁磁共振线宽是影响微波传输损耗的重要因素，铁磁共振线宽大，微波信号在微波器件内传输的过程中会产生较多的损失，就是平时所说的损耗较大。想要提高铁氧体的介电常数，同时又要保持铁氧体的其它性能不会变差，这在技术上存在极大的难度，解决铁氧体材料的这一问题，就为通信器件的小型化、轻量化扫除了障碍。
[0007]通讯技术的发展需要环形器产品的尺寸从目前主流的直径10mm往直径7mm，甚至直径5mm的方向发展，这就需要选择合适的微波铁氧体材料，既能够实现降低微波铁氧体尺
寸的目的，还能够达到其基本性能不变的要求，即需要将微波铁氧体磁环尺寸控制在7mm以下，介电常数控制在14
‑
31，饱和磁化强度4πMs为1200
‑
2000Gs，居里温度不低于200℃，介电损耗角正切tanδ≤0.0002，
△
H≤50Oe，从而满足5G通讯对器件小型化与低功耗的要求。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种微波铁氧体材料及其制备方法与应用，本专利技术制备得到的微波铁氧体材料能够满足介电常数控制在14
‑
31，饱和磁化强度4πMs为1200
‑
2000Gs，居里温度不低于200℃，介电损耗角正切tanδ≤0.0002且
△
H≤50Oe的要求，同时还能够保持微波铁氧体材料的直径不超过7mm。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种微波铁氧体材料，所述微波铁氧体材料的组成化学式为Y3‑
a
‑
b+d
Ca
b
‑
d
Bi
a
Ti
b
Al
c
Zn
d
Fe5‑
b
‑
c
‑
d
O
12
，其中a为0.12
‑
0.18，b为0.3
‑
0.5，c为0.3
‑
0.4，d为0.1
‑
0.2。
[0011]本专利技术需要使微波铁氧体材料的饱和磁化强度4πMs为1200
‑
2000Gs，居里温度不低于200℃，铁磁共振线宽
△
H≤50Oe，介电常数为14
‑
31且介电损耗角正切tanδ≤0.0002。本专利技术提供的微波铁氧体材料以石榴石型铁氧体材料Y3Fe5O
12
为基础进行制备，石榴石型铁氧体的磁性来源于四面体次晶格的Fe
3+
的离子磁矩，以及八面体次晶格Fe
3+
与十二面体次晶格Y
3+
离子磁矩的反向排列，使用非磁性离子取代四面体次晶格以及八面体次晶格中的Fe能够实现对饱和磁化强度的调整，但难以保证居里温度、介电常数以及铁磁共振线宽同时符合要求。
[0012]铁氧体材料的居里温度来源于八面体位置和四面体位置Fe
3+
之间的超交换作用，无论用非磁性离子置换那个位置上的Fe
3+
，均会使四面体次晶格位以及八面体次晶格位的Fe
3+
之间的超交换作用减弱，使居里温度降低。
[0013]铁磁共振线宽不仅受到其中组成材料的影响，还与所得微波铁氧体材料的空隙率以及表面粗糙度相关。
[0014]介电常数以及介电损耗主要与Fe
2+
离子含量有关，同时还与引入其中的元素离子有关，但引入不合适的元素离子，会使微波铁氧体的铁磁共振线宽等性能急剧变差，从而失去使用价值。
[0015]对此，本专利技术提供了一种化学式为Y3‑
a
‑
b+d
Ca
b
‑
d
Bi
a
Ti
b
Al
c
Zn
d
Fe5‑
b
‑
c
‑
d
O
12
的微波铁氧体材料，其通过Ca
2+
、Zn
2+
、Bi
3+
、Al
3+
以及Ti
4+
的特定协同添加，使制备得到的微波铁氧体材料的尺寸为7mm以下时，能够满足介电常数控制在14
‑
31，饱和磁化强度4πMs为1200
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波铁氧体材料，其特征在于，所述微波铁氧体材料的组成化学式为Y3‑
a
‑
b+d
Ca
b
‑
d
Bi
a
Ti
b
Al
c
Zn
d
Fe5‑
b
‑
c
‑
d
O
12
，其中a为0.12
‑
0.18，b为0.3
‑
0.5，c为0.3
‑
0.4，d为0.1
‑
0.2。2.根据权利要求1所述的微波铁氧体材料，其特征在于，所述微波铁氧体材料的组成化学式为Y3‑
a
‑
b+d
Ca
b
‑
d
Bi
a
Ti
b
Al
c
Zn
d
Fe5‑
b
‑
c
‑
d
O
12
，其中a为0.14
‑
0.16，b为0.36
‑
0.42，c为0.35
‑
0.37，d为0.12
‑
0.15。3.根据权利要求1或2所述的微波铁氧体材料，其特征在于，所述微波铁氧体的制备原料包括CaCO3、TiO2与CaTiO3；优选地，所述微波铁氧体的制备原料包括Y2O3、CaCO3、Bi2O3、TiO2、Fe2O3、Al2O3、ZnO与CaTiO3。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述微波铁氧体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)按配方量球磨混合原料，得到混合料；(2)预烧结步骤(1)所得混合料，得到预烧料；(3)粉碎步骤(2)所得预烧料，然后与粘结剂混合均匀，喷雾干燥得到微波铁氧体粒料；(4)模压成型步骤(3)所得微波铁氧体粒料，然后在氧化气氛下进行烧结，烧结结束后进行降温处理，得到微波铁氧体坯料；(5)冷轧步骤(4)所得微波铁氧体坯料，退火处理，得到所述微波铁氧体。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所得混合料的粒径＜1μm，优选为平均粒径0.4
‑
0.8μm；优选地，步骤(2)所述预烧结的温度为700
‑
900℃，预烧结的时间为3
‑
5h；优选地，步骤(2)所述烧结在氧气体积浓度≥30％的含氧气氛中进行。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述球磨粉碎所得粉碎料的粒径＜1μm；优选地，步骤(3)所述粘结剂的添加量为微波铁氧体粒料的0.5
‑
1wt％；优选地，步骤(3)所得微波铁氧体粒料的平均粒径为20
‑
40μm。7.根据权利要求4
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：王春明，张典鹏，王昆仑，谢国辉，
申请(专利权)人：苏州工业园区凯艺精密科技有限公司，
类型：发明
国别省市：