摘要
电子信息技术的发展要求电子元器件朝小型化、集成化和多功能化方向发展，多种功能材料在内电极材料的导联作用下叠层式共烧是实现这一目标的关键技术。为了避免叠层共烧元器件中常用内电极材料Ag（熔点为961℃）的扩散而恶化元器件的性能，集成元器件中作为电感、抗电磁干扰等常用NiZn铁氧体材料必须兼备低温烧结和高性能的特点。传统方法制备NiZn铁氧体陶瓷的温度～1200℃，保温时间～4h，这种烧结制度不能满足NiZn铁氧体的低温共烧工艺。 本文围绕NiZn铁氧体材料的低温快速烧结展开工作，首先通过对比传统固相反应法和水热法制备的NiZn铁氧体纳米粉体的可烧结性能发现，尽管两者尺寸均为纳米级，但由于传统固相反应的高温环境使粉体产物结晶更完整、缺陷少，所以其烧结活性低于低温水热环境下制备的纳米粉体。本论文第四章、第五章和第六章的烧结实验所用原料均为水热法制备的平均晶粒尺寸为15.9nm的NiZn铁氧体粉体。 然后探索了具有“大电场、小电流”特点的电场/电流辅助烧结NiZn铁氧体的烧结机理，得出NiZn铁氧体烧结过程中施加的电场对其低温快速烧结起主导作用：烧结过程中电场的存在促进带电粒子迁移，并促进氧空位产生而降低烧结活化能，其共同作用促进NiZn铁氧体的烧结。采用电场/电流辅助烧结法，在烧结温度为950℃时保温20min制备出致密度＞95.34%的亚微米级晶粒尺寸的NiZn铁氧体陶瓷，其饱和磁化强度≥74.6emu/g、矫顽力≤15.0Oe。 接着分析了具有“大电流、小电场”工作特点的放电等离子体烧结法制备NiZn铁氧体的烧结机理，得知在直流模式或者近直流模式下，具有半导体导电特性的NiZn铁氧体的快速烧结主要是基于电流的焦耳热效应。随着NiZn铁氧体样品温度的升高，其电导率增大，将会有部分电流通过烧结样品而使样品自身产生焦耳热，该热量主要集中在NiZn铁氧体颗粒接触位置，此处产生局部高温，导致样品颗粒瞬间熔融产生颈部，在颗粒间颈部持续产生的热量以及颈部位置处拉普拉斯应力的共同作用下，使得NiZn铁氧体的晶粒生长和致密化在极短时间内完成。采用放电等离子体烧结法，在直流或近似直流模式下，当烧结温度处于850-900℃、升温速率为60-150℃/min，保温时间为3-9min时，可制备出致密度＞98.59%的亚微米级晶粒尺寸的NiZn铁氧体陶瓷，其饱和磁化强度≥71.2emu/g、矫顽力≤15.8Oe，剩磁≤0.9emu/g。 最后，通过分析CuO、Bi2O3、Y2O3和TiO2掺杂对NiZn铁氧体性能的影响机理得知：低熔点Bi2O3最明显的作用是极大促进NiZn铁氧体的烧结，它可为烧结体系引入液相，促进颗粒重排、溶解-沉淀传质和提高离子扩散速率，进而促进NiZn铁氧体晶粒的长大和提高样品致密度；添加剂TiO2的最明显作用是降低NiZn铁氧体的饱和磁化强度。具有强烈占据尖晶石B位的非磁性Ti4+在取代NiZn铁氧体晶格B位Fe3+的同时，会将部分B位的Fe3+还原成较低磁矩的Fe2+，从而大幅度降低B次晶格的磁矩，继而使NiZn铁氧体的磁矩大幅下降；添加剂Y2O3最明显的作用是抑制NiZn铁氧体晶粒的长大。Y2O3掺入NiZn铁氧体后产生的次晶相-正交晶体结构的FeYO3包裹住NiZn铁氧体晶粒，阻碍传质的进行，从而抑制NiZn铁氧体晶粒生长和样品致密化。采用传统无压烧结法，在900℃就可制备出致密度≥95.16的CuO-Bi2O3共掺杂和TiO2-Bi2O3共掺杂NiZn铁氧体陶瓷，在950℃可制备出致密度为≥95.13%的单组份掺杂Bi2O3和Y2O3-Bi2O3共掺杂的NiZn铁氧体陶瓷。在这些NiZn铁氧体陶瓷中，950℃烧结的CuO-Bi2O3共掺杂陶瓷样品的静态磁性能最好，其饱和磁化强度为72.1emu/g，矫顽力为4.4Oe。
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