基于Z型六角铁氧体的织构化磁介电复合材料制备与高频性能研究

The lacked performance improvement of magneto-dielectric composite can hardly satisfy the requirement for the miniaturization and multifunction of electronic devices. Based on the phase coexistence analysis of the high cut-off frequency Z-type hexaferrite and high-performance dielectrics, the composite structure of the multiphase ceramic system will be studied and designed with an ingenious application of the crystal anisotropy and the texture technology. The aim is to obtain a textured high performance magneto-dielectric composite and a systematic method for the comprehensive optimization of the preparation, structural control and property improvement by combination of theoretical analysis, modeling, simulation and experimental test. The results will be benefit to understanding the process mechanism, function inheriting and coupling principles in the composite. It will also provide the important theoretical and experimental reference for the high performance and multifunction developing of magneto-dielectric composite materials。

为了满足电子器件小型化、多功能化发展需求，针对目前磁介电复合陶瓷微观结构取向度低、建构性差，导致现有材料多功能与高性能特性难以兼顾的关键问题，本项目基于高截止频率Z型六角铁氧体与高性能电介质陶瓷的相共存分析，巧妙利用晶体各向异性设计多相复合陶瓷体系，通过织构化技术实现陶瓷微观结构的精细调控，以开发出兼具高截止频率、高介电常数、高磁导率、低损耗的新型织构化磁介电复合陶瓷材料。项目将采用理论分析、建模仿真和实验测试相结合的方法，系统研究这类新型材料的制备-结构-性能关系，深入分析其复合效应、功能继承原理，以期获得织构化磁介电复合陶瓷的材料制备、结构调控及性能优化的方法，为磁介电材料多功能化和高性能化提供重要的理论和实验依据。

近年来，随着信息功能器件的微型化、集成化发展，磁介电功能复合材料，因其在电子器件小型化、多功能化设计方面的性能优势，如天线设计、微波吸收、能量转换等，成为相关领域的热点研究方向之一。目前，在高性能磁介电材料研发的基础上，使用先进工艺技术，通过复合材料微观结构精细设计充分发挥组分性能优势，是磁介电材料研究的进一步发展趋势。本项目基于磁介电复合陶瓷的织构化设计方案，围绕微观结构调控和优势性能继承等关键问题进行研究。首先，根据复合材料的性能需求和相共存分析，选择高性能磁、电介质材料并对其进行可织构化评估。其次，优化工艺参数，准确合成所需不同粒径的磁、介电功能相粉体模板，通过混杂工艺处理以保证复合材料的共烧匹配与损耗控制。在此基础上，采用织构化工艺技术，实现磁介质、电介质多相材料同步织构复合。最后，结合理论分析、建模仿真和实验测试，系统研究制备工艺—微观结构—磁介电性能关系，深入探索和认识其复合效应、功能继承原理，为磁介电陶瓷多功能化和高性能化提供重要的实验和理论依据。.本项目重要结果之一是制备出一种具有取向化微观结构的Ba3Co2Fe24O41-SrTiO3复合织构陶瓷材料，该材料选择具有高微波磁导率及晶体各向异性的Co2Z与具有高介电常数的SrTiO3电介质陶瓷复合，获得兼具优良磁介电性能的复合材料，同时借助混杂工艺与SrTiO3的低损耗特性，实现复合材料的小损耗控制。在10MHz-1GHz的宽频范围内具有良好且稳定的微波磁导率及介电常数，在10MHz-1GHz的性能参数达到：μ’=10，tanδμ<10%，ε’=30，tanδε<1%，实现了高介电常数、高磁导率、低损耗的研究目标。本项目在上述研究基础上，制备出微观取向结构的铁氧体-聚合物复合材料，研究了磁性材料的复合结构、形状因子、尺寸效应等因素对复合材料磁介电性能的影响关系，并从等磁介电设计、电磁波吸收两方面讨论了这类材料的两类性能提升方法和潜在应用。项目组与杭州电子科技大学课题组研究了微波磁介电性能测试的快速测试方法，获得了很好的测试精度与测试效果。