材料导报:综述篇 009年11月(上)第23卷第11 自蔓延高温合成软磁铁氧体粉的研究进展¨ 孟祥东 (1吉林师范大学物理学院,四平136000;2哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001) 摘要简要介绍了自蔓延高温合成技术和热力学判据,评论了此合成技术的新进展和存在的问题,综述了利 此方法制备MnZn、NiZn和Mgn铁氧体材料的制备工艺及其应用研究现状,重点分析讨论了软磁铁氧体的原料 配方、合成工艺和磁特性。研究表明,通过控制工艺参数和添加剂的合理使用,SHS法制备铁氧体粉体具有更好的烧 结活性和纯度适合于大规模的工业生产。 关键词自蔓延铁氧体绝热温度 Research Develop ment of Soft Magnetic Ferrite Powders by Self-propagating High-temperature Synt hesis MENGⅪ Xiangdong (1 College of Physics, Jilin Normal University, Siping 136000; 2 Center for Composite Materials and Structure Harbin Instit ute of Technolo gy, Harbin 150001) Abstract The technolo gy and thermodynamic processes judging of self-propagating hightemperature synthesis (SHS)are introduced briefly. In particular, new progress and questions of SHS method are reviewed. The research status of preparation and application of MnZn, NiZn and Mg Zn ferrite material by SHS is summarized. In particular the raw material and synthesis technology of soft ferrite are analyzed and discussed. The results show that a highly sintering activity and purity of ferrite powders can be obtained by controlling technology parameter of SHS method and using additive, and therefore it can also be used for industrial production Key words self-propagating, ferrite, adiabatic temperature 软磁铁氧体工业生产属劳动密集型产业,能耗大,环境磁粉纯度高、烧结活性较好 污染严重,发达国家逐渐放弃部分中、低档产品的生产。由 于中国劳动力相对低廉,加上国内消费电子产品快速发展的 自蔓延高温合成技术 刺激近年来我国软磁铁氧体发展速度很快。我国生产的自蔓延高温合成( Self-propagating hightemperature 软磁铁氧体多为价格低廉的中、低档产品,但由于目前的生 synt hesis,简称SHS)法也称为燃烧合成( Combustion sy- 产方法能耗大,环境污染严重,导致产品的利润空间小。因 thesis,简称CS)法,它借助于反应剂在一定条件下发生热化 此,应开发新技术新工艺来发展规模化大生产,降低能耗,减学反应,产生高热,燃烧波自动蔓延下去形成新的化合物 少环境污染,提高生产效率,降低成本。 其特点是反应迅速、耗能少、设备相对简单、产品质量高、适 20世纪90年代,俄罗斯科学家开始研究以自蔓延高温用范围广,可以合成数百种陶瓷和金属间化合物。 合成制备铁氧体。此法最大特点是用Fe粉替代固相法原1.1燃烧过程的热力学判据 料中的部分Fe2O3,以Fe粉为燃料,高压氧气为氧化剂,并利 用氧化还原反应释放出的大量化学能来合成材料 SHS反应自身维持的原因在于大量反应热的释放,若假 点设为孤立体系,从热平衡条件可以计算反应产物所能达到的 燃,燃烧反应即可自我维持,一般不再需要补充能量。整个最高温度、即绝热温度m。 Merzhanoy根据实验,提出自 工艺过程极为简单能耗低生产率高,且产品纯度较高。同蔓延燃烧波自发维持的热力学判据,即2180kK。绝热温 时,由于燃烧过程中的温度梯度及高的冷却速率,易于获得度的高低还决定于生成物的相组成和反应机理,因此,在 亚稳相和高缺陷的颗粒粉料,使产物具有较高的烧结活性 自蔓延高温合成法制备铁氧体具有以下优点:(1)小型、高效SHS研究中,计算体系的绝热温度是十分重要的。对于初始 自蔓延高温合成反应器取代了大型回转窑,大大减小占地面 温度为70的体系,反应前后的绝热条件可表示为 积;(2)取代了传统固相法工艺中耗能耗时预烧环节,节约了 ∑n△H,;(R=∑n△Hn(P 能源,提高了效率,降低了成本;(3)用SHS法制备的铁氧体式中:R、P为反应物与反应产物;n、n为反应物与反应产 吉林省科技发展计划项目基金(20060803) 孟祥东:男,1975年生,讲师,博士研究生,从事纳米材料制备研究工作E-mailbestben@l63.com 01994-2010chinaAcademicournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://rw.cnki.ner© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 自蔓延高温合成软磁铁氧体粉的研究进展3 孟祥东1 ,2 (1 吉林师范大学物理学院 ,四平 136000 ;2 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 ,哈尔滨 150001) 摘要 简要介绍了自蔓延高温合成技术和热力学判据 ,评论了此合成技术的新进展和存在的问题 ,综述了利 用此方法制备 MnZn、NiZn 和 MgZn 铁氧体材料的制备工艺及其应用研究现状 ,重点分析讨论了软磁铁氧体的原料 配方、合成工艺和磁特性。研究表明 ,通过控制工艺参数和添加剂的合理使用 ,SHS 法制备铁氧体粉体具有更好的烧 结活性和纯度 ,适合于大规模的工业生产。 关键词 自蔓延 铁氧体 绝热温度 Research Development of Soft Magnetic Ferrite Powders by Self2propagating High2temperat ure Synt hesis MEN G Xiangdong 1 ,2 (1 College of Physics , Jilin Normal University , Siping 136000 ;2 Center for Composite Materials and Structure , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001) Abstract The technology and thermodynamic processes judging of self2propagating high2temperature synthesis (SHS) are introduced briefly. In particular , new progress and questions of SHS method are reviewed. The research status of preparation and application of MnZn ,NiZn and MgZn ferrite material by SHS is summarized. In particular , the raw material and synthesis technology of soft ferrite are analyzed and discussed. The results show that a highly sintering activity and purity of ferrite powders can be obtained by controlling technology parameter of SHS method and using additive , and therefore it can also be used for industrial production. Key words self2propagating , ferrite , adiabatic temperature 3 吉林省科技发展计划项目基金(20060803) 孟祥东 :男 ,1975 年生 ,讲师 ,博士研究生 ,从事纳米材料制备研究工作 E2mail :bestben @163. com 软磁铁氧体工业生产属劳动密集型产业 ,能耗大 ,环境 污染严重 ,发达国家逐渐放弃部分中、低档产品的生产。由 于中国劳动力相对低廉 ,加上国内消费电子产品快速发展的 刺激 ,近年来我国软磁铁氧体发展速度很快[ 1 ] 。我国生产的 软磁铁氧体多为价格低廉的中、低档产品 ,但由于目前的生 产方法能耗大 ,环境污染严重 ,导致产品的利润空间小。因 此 ,应开发新技术新工艺来发展规模化大生产 ,降低能耗 ,减 少环境污染 ,提高生产效率 ,降低成本。 20 世纪 90 年代 ,俄罗斯科学家开始研究以自蔓延高温 合成制备铁氧体[ 2 ] 。此法最大特点是用 Fe 粉替代固相法原 料中的部分 Fe2 O3 ,以 Fe 粉为燃料 ,高压氧气为氧化剂 ,并利 用氧化还原反应释放出的大量化学能来合成材料。一经点 燃 ,燃烧反应即可自我维持 ,一般不再需要补充能量。整个 工艺过程极为简单 ,能耗低 ,生产率高 ,且产品纯度较高。同 时 ,由于燃烧过程中的温度梯度及高的冷却速率 ,易于获得 亚稳相和高缺陷的颗粒粉料 ,使产物具有较高的烧结活性。 自蔓延高温合成法制备铁氧体具有以下优点 : (1) 小型、高效 自蔓延高温合成反应器取代了大型回转窑 ,大大减小占地面 积 ;(2) 取代了传统固相法工艺中耗能耗时预烧环节 ,节约了 能源 ,提高了效率 ,降低了成本 ; (3) 用 SHS 法制备的铁氧体 磁粉纯度高、烧结活性较好。 1 自蔓延高温合成技术 自蔓 延 高 温 合 成 ( Self2propagating high2temperature synthesis , 简称 SHS) 法也称为燃烧合成 (Combustion syn2 thesis , 简称 CS) 法 ,它借助于反应剂在一定条件下发生热化 学反应 ,产生高热 ,燃烧波自动蔓延下去形成新的化合物。 其特点是反应迅速、耗能少、设备相对简单、产品质量高、适 用范围广 ,可以合成数百种陶瓷和金属间化合物。 1. 1 燃烧过程的热力学判据 SHS 反应自身维持的原因在于大量反应热的释放 ,若假 设为孤立体系 ,从热平衡条件可以计算反应产物所能达到的 最高温度 ,即绝热温度 Tad 。Merzhanov [ 3 ] 根据实验 ,提出自 蔓延燃烧波自发维持的热力学判据 ,即 Tad ≥1800 K。绝热温 度的高低还决定于生成物的相组成和反应机理 ,因此 ,在 SHS 研究中 ,计算体系的绝热温度是十分重要的。对于初始 温度为 T0 的体系 ,反应前后的绝热条件可表示为 : ∑niΔH 0 f , T0 ( Ri) = ∑njΔH 0 f , Tad ( Pj) 式中 : Ri 、Pj 为反应物与反应产物 ; ni 、nj 为反应物与反应产 ·46 · 材料导报 :综述篇 2009 年 11 月(上) 第 23 卷第 11 期