本技术提供了一种稀土金属间氮化物非球形纳米软磁颗粒及其制备方法和应用,属于稀土基纳米软磁材料技术领域。将稀土金属和铁的混合物或稀土金属间合金作为自耗性阳极靶材,在氨气气氛中,利用直流电弧等离子体热源蒸发阳极靶材,形成熔融态团簇,通过控制生长加热区的尺寸和温度,促进熔融态团簇碰撞并进一步长大,同时,降低冷却梯度,弱化表面张力对球形化的影响,制备出稀土金属间氮化物非球形纳米颗粒,本发明制备的纳米颗粒属于易面型软磁材料,且同时具有形状各向异性,双重策略提供高磁导率和高自然共振频率,非球形纳米结构有效降低了介电常数和抑制了涡流效应,提升了阻抗匹配,实现优异电磁吸收性能。
背景技术
伴随5G通讯技术的快速发展以及半导体工艺的迅速迭代,电子元器件日趋小型化和功能集成化,极大压缩了电子设备内部空间。电子元器件间电磁辐射干扰问题日益严重,影响电子设备的运行稳定性。电磁吸收材料通过衰减等物理机制将电磁波能量转化为其他形式的能量,如热能,从而减少反射和散射,成为解决电磁干扰的关键。目前商用5G技术频率集中在3.4~6.0 GHz, 未来6G 技术工作频率为 5.9~7.1 GHz, 因此,为了解决高频电磁干涉问题,迫切需要研发在高频波段(>5 GHz)具有高磁导率和低介电常数的电磁吸收材料。
传统高频磁性材料的初始磁导率 μ
i
和共振频率 f
r
的乘积遵从Snoek极限: f
r
( μ
i
-1)=(2γ/3)4pMS
,材料的工作频率与磁导率在GHz频段无法同步提升,逐渐难以满足更高频率下对材料的要求。磁矩进动双各向异性理论指出,易面型磁晶各向异性材料的 μ
i
与 f
r
的乘积表达式为 f
r
( μ
i
-1)=0.5´γMS
(Hq
/Hj
)0.5
, 其中,γ,MS
,Hq
,Hj
分别为旋磁比,饱和磁化强度,面外磁晶各向异性场,面内磁晶各向异性场 (物理学报, 2022, 71, 184201)。由于磁矩分布于面内使得面内各向异性远小于面外各向异性,可以获得大的Hq
/Hj
值,因此,易面型磁晶各向异性材料可以突破Snoek极限,将磁导率和自然共振频率的乘积提供到原来的十几倍甚至几十倍。进一步提高易面材料的Snoek极限,可以利用磁晶各向异性高的2:17型稀土金属间化合物实现双各向异性的要求,从而获得优异的高频吸收性能。中国专利文献上公开了“一种稀土高频软磁材料的制备方法和应用”,申请号为CN202210874052.6,该发明是先将RCl3
与NaOH溶液反应,制得稀土金属前驱体R(OH)3
, 加入还原剂CaH2
,在氩气下高能球磨混合,高温退火,洗涤,干燥,得到R2
Co17
高频软磁材料,颗粒尺寸在4~6 μm。中国专利文献上公开了“一种易面型高频稀土软磁材料及其制备方法”,公开号为CN118919205A, 本发明利用油相合成和还原扩散工艺,将Fe、Co乙酰丙酮盐在有机溶剂中还原成磁性的铁、钴纳米颗粒,再通过油相反应在磁性颗粒表面均匀包覆稀土氧化物,最后利用氢化钙作为还原剂通过还原扩散热处理得到稀土软磁材料R2
(Fex
Co1-x
)17
, 磁导率在2.0 GHz的初始值在2.5~3.1,截至频率在4.7~8.3。由于2:17型稀土金属间化合物的饱和磁化强度较低,对于磁导率的提升有限。
2:17型稀土金属间化合物经过氮化形成R2
Fe17
N3-δ
型稀土金属间氮化物,氮原子增加了Fe-Fe原子间距,导致Fe-Fe交换作用增强一倍以上,造成饱和磁化强度大幅升高,进一步提升了材料的软磁特性,有望进一步提高磁导率和共振频率。中国专利文献上公开了“一种高频用2:17型稀土类-铁-氮系复合磁性材料的制备方法”,专利号为ZL201910213866.3,该发明采用稀土氧化物、羰基铁粉和/或铁的氧化物、还原剂作为原料,通过还原扩散反应,再进行吸氢、脱氢处理,最后经过长时间吸氮反应,得到2:17型稀土类-铁-氮系磁性粉末,平均粒度为20 μm,磁导率实部最大为2.6, 介电常数大约在12.5左右。中国专利文献上公开了“电磁波吸收材料”,公开号为CN101886214A, 该发明公开的制备方法是,先将含有10-30重量%的稀土元素和70-90重量%的铁熔炼成合金,然后将其粉碎成细小粉末,再在250-550 o
C, 进行氮化处理, 得到3-5 μm的R2
Fe17
N3-δ
粉末。上述方法制备的微米颗粒,尺寸远大于趋肤深度,无法抑制GHz频率范围内涡流损耗,进而影响稀土易面软磁的高频性能。因此,制备纳米尺度的稀土易面软磁材料对于降低涡流损耗十分必要。
稀土元素电子能级极其丰富,比周期表中其它元素电子能级跃迁的数目多1-3个数量级,导致稀土金属活泼,几乎可与所有元素发生作用,容易失去电子形成多种价态、多配位数的化合物。因此,传统的湿化学法、超声波粉碎法、机械球磨法等很难制备纳米级稀土间化合物颗粒。直流电弧等离子体法是一种通过电弧放电将金属材料转化为纳米颗粒的方法。该方法利用了电弧放电时产生的高温等离子体和电弧气体动力学效应,使得电弧中的金属材料蒸发,气化和离子化,在高温电弧区进行碰撞,形成纳米尺寸的团簇,表面张力作用使熔融的团簇自动收缩成球状,实现最小化表面能,随后,纳米颗粒溅射离开电弧区,通过快速冷却,固化成球形的纳米颗粒 (材料学报,2019,33,1089-1098)。 中国专利文献上公开了“一种稀土金属间化合物纳米软磁颗粒及其制备方法与应用”,其专利号为ZL202111360424.5,该发明通过直流电弧等离子法制备了R2
M17
型金属间化合物,形貌为均匀的球形,粒径为20-200 nm, 其自然共振频率处于高频范围(>4 GHz), 但是其磁导率仅为1.5-2.1,介电常数却为5-7。相对于微米颗粒来说,尽管纳米球形颗粒的介电常数明显下降,但是仍然与磁导率差距较大,导致阻抗失配,影响高频吸收性能。基于其工作原理,传统直流电弧等离子体法制备的纳米颗粒为球形。纳米材料的形貌是影响本征性能的重要因素之一。晶体沿着晶格不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不同,导致晶体在不同方向的性质不同。球形颗粒由于表面光滑,极化较为均匀,具有较高的介电常数。非球形颗粒,由于表面不均匀,极化效率较低,介电常数相对较低 (Chemistry of Materials 2010, 22,1567-1578)。同时,磁性纳米粒子不同面呈现不同的自旋分布,产生各向异性场,进一步增强共振频率。因此,亟需开发稀土金属间氮化物非球形纳米颗粒以降低介电常数和增强磁导率、共振频率,进一步提升高频电磁损耗性能。
实现思路