Synthese, Charakterisierung und Applikation von Ti-substituierten Hexaferriten

Quiroz, Pamela GND

Bariumhexaferrit (BaFe12O19) hat aufgrund seiner großen uniaxialen magnetokristallinen Anisotropie, des hohen spezifischen Widerstands und der Permeabilität bei hohen Frequenzen viel Aufmerksamkeit für Anwendungen im Mikrowellenbereich erregt. Es kann zum Beispiel als Absorber für elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) Anwendungen eingesetzt werden. Die chemische Substitution von Eisen durch Titan im Bariumhexaferrit zeigt, dass die magnetischen Eigenschaften stark beeinflussbar und die Mikrowelleneigenschaften verbesserbar sind. In der vorliegenden Arbeit werden für Mikrowellenanwendungen Titan-substituierte hexagonale M-Typ Ferrite in einer schnellgekühlten Glasschmelze der Grundzusammensetzung (Mol-%): 40 + 33 B2O3 BaO + (27-x) Fe2O3 + x TiO2. mit der Glaskristallisationstechnik bei Variation der Schmelzsubstitution und der Kristallisationsparameter hergestellt. Dabei wird insbesondere der Einfluss der Schmelzsubstitution und der Temperbedingungen auf die magnetischen Eigenschaften, die Wertigkeit der Eisen-Ionen im Glas und in den Pulvern, die Phasenbildung im Glas und die Mikrowellenabsorption der Pulver untersucht. Thermokinetische Analysen sind die Basis, die Phasentransformationen durch die Analyse der kinetischen Parameter zu verstehen und die Gitterplatzbesetzung und den Fe2+ -Gehalt in der ferrimagnetischen Phase zu kontrollieren, um somit die Mikrowellenabsorption von Ti-substituierten Bariumhexaferritpulvern zu optimieren. Dabei wurde der Einfluss von Temperatur und Heizrate untersucht. Für die Kristallisation von Bariumhexaferrit in der glasigen Matrix von x= 0, 1,8, 3,6, 4,2 und 6,4 Mol %-TiO2, die mittels dem ASTM E698-Verfahren bestimmt wurde, ist eine Gesamtaktivierungsenergie von 311,74 ± 3 kJ mol-1 erforderlich. Die Phasenumwandlung während der Kristallisation wurde nicht von der Ti-Substitution beeinflusst. Die Substitution der Fe3+- durch Ti4+-Ionen verändert die magnetokristalline Anisotropie des Bariumhexaferrites. Dieser Effekt wurde durch Messung der statischen magnetischen Eigenschaften (JHC und MS) an den synthetisierten Pulvern mit einem Probenvibrationsmagnetometer untersucht. Weiterhin wurde mittels Mößbauer Spektroskopie festgestellt, dass die Ti4+ Ionen bevorzugt die 2a und geringfügig auch die 2b Zwischengitterplätze besetzen. Für höhere Schmelzsubstitutionen x = 5,4 Mol %-TiO2 werden auch die 4f1 und 4f2- Plätze besetzt. Außerdem wurde mittels Röntgendiffraktometrie nachgewiesen, dass sich bei diesen hohen Schmelzsubstitutionen x = 4.6 Mol-% TiO2 neben der ferrimagnetischen (BaFe3+xFe2+12-2xTi4+xO19) auch eine dielektrische Phase ausbildet, welche BaTi6O13 entspricht. Die kontrollierte Beeinflussung der Gitterplatzbesetzung durch Ti4+-Ionen und des Fe2+-Gehaltes in der ferrimagnetischen Phase sowie die Einstellung des dielektrischen Phasenanteils während der Temperung sind Möglichkeiten zur Optimierung der Mikrowellenabsorption von mit der Glaskristallisationstechnik hergestellten Ti-substituierten Bariumhexaferrite Pulvern.

Barium hexaferrite (BaFe12O19) has attracted much attention for microwave device applications because of its large uniaxial magnetocrystalline anisotropy, high resistivity and permeability at high frequencies. The chemical substitution of iron by titanium strongly affects the magnetic properties and improves the microwaves properties. Series of M-type barium hexaferrite have been synthesized in a glass melt by partially substituting the Fe2O3 with TiO2, following the glass crystallization technique (GCT). The glass melt has the basic composition (mole-%): 40 BaO + 33 B2O3 + (27-x) Fe2O3 + x TiO2 with different melt substitution rates of TiO2. For all the samples the same tempering conditions were used. For some specific samples, an additional tempering was done at a different temperature to study the crystallization behavior. The thermokinetics was investigated in order to understand the phase transformations through the analysis of the kinetic parameters. This is a prerequisite to controll the lattice sites occupation and the Fe2+ content in the ferrimagnetic phase, in order to optimize the microwave absorption of Ti-substitute barium hexaferrite powders. Thereby the influence of temperature and heating rate was investigated. Overall activation energy of 311.74 ± 3 kJ mol-1 was obtained for the crystallization of barium hexaferrite with the ASTM E698 method. A slightly decreasing tendency in this energy was observed when the TiO2 content was increased, but it is not a significant variation despite the substitution. The Phase transformation during the crystallization is not influenced by the TiO2 substitution. For the characterizations of the powders chemical analyses, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), vibration sample magnetometer (VSM) and measurement of the microwave heating were used to obtain their structure and their electromagnetic properties. We have studied the dependencies between the magnetic properties, the valence of the iron ions in the glasses and the powders and the formation of a new dielectric phase, which have relation with the microwave absorption. The formation of the phases such as the ferrimagnetic (BaFe3+xFe2+12-2xTi4+xO19) and dielectric (BaTi6O13) are dependent on the crystallization parameters. From melt substitutions of x = 4.6 mole-% TiO2 a dielectric phase were detected by XRD. The magnetocrystalline anisotropy changed, depending on the melt substitution rate. This effect was observed in the static magnetic properties (JHC and MS). Furthermore the Ti4+ ions preferably occupy mainly the 2a as well as slightly the 2b sites in the lattice of the barium hexaferrite and at high melt dopings the Ti4+ substitution occurred also on the 4f1 and 4f2 sites, which has been studied using Mössbauer spectroscopy.

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Quiroz, Pamela: Synthese, Charakterisierung und Applikation von Ti-substituierten Hexaferriten. Ilmenau 2019.

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