臺灣博碩士論文加值系統

本研究應用固態反應法製備鈷鐵氧磁體，探討不同錳離子取代量對鐵氧磁體燒結體的顯微組織、磁性、磁致伸縮及交流阻抗特性之影響。純鈷鐵氧磁體具有高磁致伸縮特性，可藉由三價陽離子的摻雜取代改變磁致伸縮及提昇應力敏感度。雖然錳摻雜造成磁致伸縮特性的下降，但其磁致伸縮量的數量級依然足夠應用在應力感測器上。當錳摻雜取代比例為0.2時，有一最高應力敏感度2.23×〖10〗^(-9) A-1m，其磁致伸縮量則為123 ppm。
研究中還嘗試進行錳離子與鎵離子共同摻雜取代部分鐵離子，並從燒結體的顯微組織、磁性、磁致伸縮特及交流阻抗特性來尋求特性最佳的摻雜比例。由於鐵離子的取代比例固定為0.2，因此各個取代樣品所得到的磁致伸縮量依然保有90 ppm以上程度，但應力敏感度卻介在1.16×〖10〗^(-9)~2.51×〖10〗^(-9)A-1m之間。鎵傾向佔據尖晶石晶格的四面體格隙位置而錳傾向佔據晶格的八面體格隙位置，兩者所造成的磁致伸縮機制不同但共摻雜錳鎵的樣品所具有的應力敏感度皆大於純鈷鐵氧磁體。在交流阻抗特性方面，鈷基鐵氧磁體會因為空間電荷極化的影響，使阻抗值隨頻率的增加而降低。當量測溫度升高，鈷基鐵氧磁體之阻抗值也會呈現下降的趨勢，這代表了燒結體內部的導電性提昇。由鈷基鐵氧磁體之交流阻抗隨頻率及溫度的變化可判定其具有半導體陶瓷的特性。

In this study, we investigated the effects of Mn substitution on the structure, magnetic properties, magnetostriction behavior, and AC impedance characteristics of cobalt ferrites prepared by solid-state reaction. The pure Co-ferrites exhibited high magnetostrictive properties, substitution of group III cations for some Fe ions in Co-ferrites could change the magnetostriction and the stress sensitivity. However, substituting Mn for Co ferrites would decrease the magnetostriction, but it was enough for stress sensor applications. Among all as-prepared Co-based ferrites, the CoMn0.2Fe1.8O4 sample exhibited the highest stress sensitivity of 2.23×〖10〗^(-9) A-1m, which had the magnetostriction about 123 ppm.
We also studied on substitution of Mn ions and Ga ions for some Fe ions in Co-ferrites and prepared Co based ferrites with the best magnetostrictive properties. Due to the replacing amount of Fe ion was maintained on 0.2, the magnetostriction of Mn-Ga substituted ferrites was higher than 90 ppm and values of stress sensitivity were 1.16×〖10〗^(-9) A-1m to 2.51×〖10〗^(-9) A-1m. Mn ions and Ga ions occupied different sites in spinel lattice, which feature cause to different magnetostriction mechanisms. Experimental results showed that Mn-Ga substituted ferrites exhibited higher stress sensitivity than that of the pure Co-ferrite. The value of impedance of Co-based ferrites decreased with increasing frequency, which behavior was owing to influence of the space charge polarization. In addition, the impedance decreased with increasing temperature, which showed that the conductivity of Co-base ferrite increased as temperature increased. Variation in AC impedance spectra with frequency and temperature showed that Mn-Ga substituted cobalt ferrites had lower impedance characteristics than pure Co-ferrite and the present Co-based ferrites exhibited semiconductor-like behavior.

目錄

致謝 I
中文摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 鈷鐵氧磁體的材料特性 3
2.1.1 鈷鐵氧磁體的基本特性 3
2.1.2 鈷鐵氧磁體摻雜陽離子 5
2.2 居禮溫度 6
2.3 磁致伸縮特性 7
2.3.1 磁致伸縮現象 7
2.3.2 磁致伸縮量換算推導 10
2.3.3 應力敏感度 11
2.4 交流阻抗特性 13
2.4.1 交流阻抗定義 13
2.4.2 Cole-Cole plot圖 14
2.5 固態反應法 16
2.6 磁致伸縮感測器 18
2.6.1 磁致伸縮感測器種類 18
2.6.2 常見的磁致伸縮感測器介紹 19
第三章 實驗方法與步驟 21
3.1 實驗規劃 21
3.2 實驗藥品與儀器 23
3.3實驗流程 25
3.3.1 鈷基鐵氧磁體粉體製備 25
3.3.2 鈷基鐵氧磁體燒結體製備 26
3.4 鐵氧磁體材料特性分析 27
3.4.1 粉體與燒結體晶體結構鑑定 27
3.4.2 燒結體顯微組織觀察 27
3.4.3 燒結體密度量測 27
3.5鐵氧磁體磁性質量測 28
3.6 鐵氧磁體居禮溫度量測 29
3.7 鐵氧磁體磁致伸縮性質量測 30
3.8 鐵氧磁體交流阻抗特性量測 34
第四章 結果與討論 35
4.1 錳摻雜鈷鐵氧磁體之特性檢測與分析 35
4.1.1 錳摻雜鈷鐵氧磁體之煆燒粉體分析 35
4.1.2 錳摻雜鈷鐵氧磁體之燒結體結構分析 36
4.1.3 錳摻雜鈷鐵氧磁體之破斷面顯微結構觀察 37
4.1.4 錳摻雜鈷鐵氧磁體之磁性分析 40
4.1.5 錳摻雜鈷鐵氧磁體之磁致伸縮分析 42
4.1.6 錳摻雜鈷鐵氧磁體之交流阻抗分析 46
4.2 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之特性檢測與分析 49
4.2.1 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之煆燒粉體分析 49
4.2.2 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之燒結體結構分析 50
4.2.3 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之破斷面顯微結構觀察 51
4.2.4 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之磁性分析 54
4.2.5 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之磁致伸縮分析 57
4.2.6 錳鎵摻雜鈷鐵氧磁體之交流阻抗分析 61
第五章 結論 68
參考文獻 69

圖目錄

圖2-1 反尖晶石結構：(a)四面體格隙位置，(b)八面體格隙位置，(c)尖晶石結構(陰影與非陰影部分各代表類似的陽離子佔據形式)，(d)陽離子與氧離子的分布情形。 4
圖2-2 尖晶石結構中各種陽離子依照位置選擇能量劃分圖。 5
圖2-3 磁致伸縮機制示意圖。 8
圖2-4 磁致伸縮隨磁場變化圖。 9
圖2-5 磁致伸縮形變示意圖。 9
圖2-6 Cole-Cole plot示意圖。 14
圖2-7 各種阻抗來源之模擬電路圖。 15
圖2-8 磁致伸縮感測器的種類。 18
圖2-9 非接觸式磁致伸縮感測器示意圖。 19
圖2-10 磁致伸縮導波位置感測器示意圖。 20
圖3-1 固態反應法製備鈷鐵氧磁體之燒結體。 22
圖3-2 居禮溫度量測示意圖。 29
圖3-3 Strain gauge影像圖。 30
圖3-4 Strain gauge黏貼示意圖。 31
圖3-5 Strain gauge黏貼影像圖。 31
圖3-6 磁致伸縮量測不同磁場方向之示意圖。 33
圖3-7 磁致伸縮量測影像圖。 33
圖3-8 精密阻抗分析儀示意圖。 34
圖4-1 CoMnxFe2-xO4煆燒粉體之X光繞射圖。 35
圖4-2 CoMnxFe2-xO4燒結體之X光繞射圖。 37
圖4-3 CoMnxFe2-xO4燒結體之破斷面SEM顯微結構。(a) x=0、(b) x=0.1、(c) x=0.2、(d) x=0.3。 38
圖4-4 CoMnxFe2-xO4燒結體在室溫下的磁滯曲線比較。右下角插圖為低磁場強度範圍的磁滯曲線放大圖。 41
圖4-5 CoMnxFe2-xO4燒結體之磁致伸縮量測曲線圖。(a) x=0、(b) x=0.1、(c) x=0.2、(d) x=0.3。 43
圖4-6 CoMnxFe2-xO4燒結體之負的垂直磁場磁致伸縮量(-⊥)曲線圖。 45
圖4-7 CoMnxFe2-xO4燒結體之應變導數曲線圖。 46
圖4-8 CoMnxFe2-xO4燒結體之實部阻抗頻譜圖。 47
圖4-9 CoMnxFe2-xO4燒結體之複合阻抗圖。 48
圖4-10 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4煆燒粉體之X光繞射圖。 49
圖4-11 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之X光繞射圖。 50
圖4-12 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之破斷面SEM顯微結構。(a) x=0、(b) x=0.05、(c) x=0.1、(d) x=0.15、(e) x=0.2。 51
圖4-13 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體在室溫下的磁滯曲線比較。右下角插圖為低磁場強度範圍的磁滯曲線放大圖。 55
圖4-14 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之磁致伸縮量測曲線圖。(a) x=0、(b) x=0.05、(c) x=0.1、(d) x=0.15、(e) x=0.2。 57
圖4-15 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之負的垂直磁場磁致伸縮量(-⊥)曲線圖。 59
圖4-16 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之應變導數曲線圖。 60
圖4-17 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之實部阻抗頻譜圖。(a) x=0、(b) x=0.05、(c) x=0.1、(d) x=0.15、(e) x=0.2。 62
圖4-18 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之複合阻抗圖。(a) x=0、(b) x=0.05、(c) x=0.1、(d) x=0.15、(e) x=0.2。 64
圖4-19 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體在不同溫度下的複合阻抗圖。(a) 150℃、(b) 200℃、(c) 250℃。 67

表目錄

表2-1 Ge, Al, Ga, Mn摻雜對鈷鐵氧體磁致伸縮應變及應力敏感度影響比較。 6
表3-1 實驗藥品。 23
表3-2 實驗儀器。 24
表4-1 CoMnxFe2-xO4燒結體之平均晶粒尺寸(G ̅)、視密度(D_app)、理論密度(D_th)及相對密度(D_rel)之比較。 39
表4-2 CoMnxFe2-xO4燒結體之最大磁化量(Mmax)、矯頑磁場強度(HC)及居禮溫度(Tc)之比較。 42
表4-3 CoMnxFe2-xO4燒結體之平行磁場 (S,//)、垂直磁場(S,⊥)、整合後的飽和磁致伸縮量(λ_s)及最大應力敏感度之比較。 44
表4-4 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之平均晶粒尺寸(G ̅)、視密度(D_app)、理論密度(D_th)及相對密度(D_rel)之比較。 53
表4-5 Fe, Mn, Ga的有效離子半徑及密度。 53
表4-6 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之飽和磁化量(MS)、矯頑磁場強度(HC)及居禮溫度(TC)之比較。 56
表4-7 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體之平行磁場 (S,//)、垂直磁場(S,⊥)、整合後的飽和磁致伸縮量(λ_s)及最大應力敏感度之比較。 59
表4-8 CoMnxGa0.2-xFe1.8O4燒結體在不同溫度下的晶界電阻(Rgb)及晶界電容(Cgb)。 66

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