摘要
永磁材料不仅具有优异的磁学性能，而且具有能量转化、信息传输和存储等功能，可用于制作各类功能器件，被广泛应用于交通运输、医疗设备等众多领域。其中稀土（RE）基永磁材料自20世纪60年代末问世以来，已迅速成为产量最大、性能最强的永磁材料。然而，稀土资源作为宝贵的战略储备资源，总量有限，加上稀土元素的开采、精炼和回收对环境的污染，很大程度上都限制了稀土永磁材料的开发和应用。因此，无稀土永磁材料越来越受到研究者广泛的关注。在众多无稀土永磁材料中，钴铁氧体具有较大的矫顽力、适中的饱和磁化强度、高磁晶各向异性常数等优异的磁学性质，被广泛应用于磁流体、药物运输、电子器件、高密度数据存储、高频磁体等各个方面。虽然其磁学性能比不上稀土永磁材料，但具有储量高、成本低、化学性能稳定以及绿色无污染等其他诱人的综合优势，可以在一些性能要求较低的领域中得以广泛使用，一定程度上可以缓解稀土材料面临的许多压力。目前对于钴铁氧体的研究主要是通过掺杂不同的金属离子提升钴铁氧体的磁性能，但一些金属对于钴铁氧体的矫顽力和饱和磁化强度提高效果并不明显。因此，本文重点研究了过渡金属Mn2+与稀土金属Nd3+/Tb3+共掺杂对钴铁氧体结构和磁性的影响，以期利用两种金属的协同作用调控和改善钴铁氧体的磁性能。结合永磁材料磁性能的衡量标准，我们对其磁能积也做了重点研究。主要研究内容及结果如下： （1）首先采用化学共沉淀法成功制备了不同含量Mn2+掺杂的Co1-xMnxFe2O4（x=0，0.10，0.20，0.30，0.40）样品，并系统研究了Mn2+含量对钴铁氧体结构、形貌和磁性能的影响。所得样品均为尖晶石相结构。Mn2+掺杂能够同时提高矫顽力和饱和磁化强度。受掺杂取代以及晶粒尺寸等多种因素的影响，随着Mn2+含量的增加，样品的矫顽力和饱和磁化强度都呈现先增大后减小的变化趋势。Mn2+掺杂量为0.20时钴铁氧体的矫顽力、饱和磁化强度和最大磁能积最大为1431Oe、65.7emu/g和0.62476MG·Oe，分别比未掺杂时增加了55.7%、15.7%和72.2%。 （2）根据第一部分结果，将Mn2+掺杂含量固定为0.20，采用化学共沉淀法成功制备了Mn2+-Nd3+共掺杂的Co0.80Mn0.20Fe2-xNdxO4（x=0.05，0.10，0.20，0.40）样品。磁测量结果表明由于掺杂的Nd3+产生了3d-4f耦合作用，提高了体系的磁各向异性。适量Mn2+-Nd3+共掺使得矫顽力有所增加，但饱和磁化强度却有所降低。当Nd3+掺杂量为0.20时，样品的矫顽力和最大磁能积达到最大，分别为1939Oe和0.87267MG·Oe，比未掺杂样品分别提高了111%和141%，此时饱和磁化强度为60.7emu/g，略低于Mn2+单掺的数值。 （3）进一步采用化学共沉淀法制备了不同Tb3+含量的共掺杂纳米颗粒样品Co0.80Mn0.20Fe2-xTbxO4（x=0.05，0.10，0.20，0.40），主要研究了其结构和磁性的变化机制。结果表明所制备的样品均为尖晶石型结构。重稀土金属Tb3+提供了较高的磁晶各向异性和较大的磁矩。适量Mn2+-Tb3+共掺后样品的矫顽力和饱和磁化强度都有所提高。掺杂Tb3+含量为0.10时，样品的矫顽力和饱和磁化强度均达到最大，分别为1903Oe和70.7emu/g，相比于未掺杂提升了107%和24.5%。最大磁能积此时也达到最大为1.05688MG·Oe，相比于未掺杂、单掺杂Mn2+、共掺杂Mn2+-Nd3+分别提高了191.4%、69.2%和21.1%。因此Mn2+-Tb3+共掺杂能够显著提高钴铁氧体的磁性能。
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