CN102076629B - 强化的六方晶系铁氧体材料及其制备方法以及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明中的实施方式以及方面涉及到一种强化的六方晶系铁氧体磁性材料，在所述的磁性材料中掺杂有碱金属。所述的材料保持有相当大的导磁率，达到了千兆赫范围的频率并且具有低的损耗。所述的材料可以被用在设备之中以进行高频率的应用，其中所述的设备例如是变压器，感应器，循环器，以及减震器。
Description
发明的背景技术
1.本发明中的实施方式以及方面涉及到适合用于高频率的应用中的磁性材料，制备这样的材料的方法，以及包含这些材料的设备。
2.相关技术的讨论
被用来进行高频率应用(例如，800兆赫兹-2.5千兆赫)的某些电气设备可以利用一种磁性材料来行使它们的功能或者强化它们的功能，其中所述的电气设备例如是变压器，感应器，循环器，以及减震器，所述的磁性材料例如是一种陶瓷铁氧体。
各种不同的六方晶系铁氧体已经被利用来作为设备的组件，其中所述的设备例如是高频率感应器。这样的材料一般而言是下述材料所进行的组合：钡或者锶，一种二价过渡金属元素例如镍(Ni)，钴(Co)，锰(Mn)，锌(Zn)，或者铁(Fe)，以及三价铁的氧化物。这些化合物能够依据所述的磁铅矿单元形成各种不同的晶体结构，这些晶体结构通常被表示为M-相，W-相，Y-相，Z-相，X-相，或者U-相。
能够表现出高的导磁率的一种磁性材料是Z-相的钡钴铁氧体(Ba3Co2Fe24O41)，其具有达到大约500兆赫兹的频率，其通常被缩略的表示为Co2Z。
发明概述
根据本发明中的某些实施方式以及方面，一种类型的材料能够促进具有优越的运作特性的电气设备在高频率的条件下进行运作。与之前已经在以钡钴铁氧体为基础的材料中所获得的导磁率相比，掺杂有小剂量的碱金属的钡钴铁氧体能够帮助在高频率下一种显著的导磁率的保持，其中所述的碱金属例如是钠，钾，或者銣。与未经修饰的铁氧体相比，在极高的频率下所述的材料所具有的导磁率能够以合理的损耗被得以保持。这对设备中的与频率有关的限制进行了扩展，其中所述的设备例如是感应器或者天线。
根据本发明中的一种实施方式，提供了一种化合物，所述的化合物包括一种掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体。根据本发明中的一个或者多个方面，这种化合物具有下述的分子式Ba3-yMxCo2Fe24O41，其中x存在于0至大约为1的范围内，y小于1，并且M是一种或者多种碱金属。根据一个或者多个方面，M是一种选自由下述金属所组成的组中的碱金属：钠，钾，以及銣。根据某些方面，所述的掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体包括Ba3Co2Fe24O41，其中掺杂有达到大约1重量％的碱金属，其中所述的碱金属是钾、钠、以及銣中的至少一种。根据某些方面，所述的化合物所具有的平均粒径存在于大约5微米至大约1毫米的范围内。根据进一步的方面，所述的掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体包括一种Z-型的铁氧体以及至少一种化合物，其中所述的化合物选自由下述化合物所组成的组中：氧化钠，氧化钾，以及氧化銣。
根据本发明中的另外一种实施方式，提供了一种电气组件，所述的电气组件中包括Ba3Co2Fe24O41，其中掺杂有达到大约1重量％的碱金属氧化物。根据一个或者多个方面，所述的电气组件是一种射频铁氧体循环器，所述的射频铁氧体循环器根据一个或者多个方面被配置成为一种隔振器。根据一个或者多个其他的方面，所述的电气组件是感应器、变压器、以及天线中的任意一种。
根据一种进一步的实施方式，提供了一种用于制备六方晶系铁氧体的方法。所述的方法包括：制备一种前体混合物，其中包括钡来源，钴来源，以及铁来源，向所述的前体混合物中导入一种碱金属来源，从而制备一种含有碱金属的混合物，并且在至少为大约1100℃的第一温度下对所述的含有碱金属的混合物进行第一个时间段的加热，使其足以形成六方晶系铁氧体颗粒。根据一个或者多个方面，这种方法中进一步的包括使所述的前体混合物被暴露于氧来源之下。根据某些方面，所述的氧来源包括钡、钴、铁、以及碱金属中的任意一种的至少一种含氧化合物。根据某些方面，所述的氧来源包括一种气体。根据进一步的方面，所述的第一温度存在于大约1100℃至大约1300℃的范围内并且所述的第一个时间段存在于大约两小时至大约12小时的范围之内。根据某些方面，所述的方法中进一步的包括将所述的六方晶系铁氧体磨成一种粉末，所述的粉末具有存在于大约一微米至大约四微米的平均颗粒直径。根据一个或者多个方面，所述的方法中进一步的包括在第二温度下对所述的粉末进行第二个时间段的加热，使其足以形成烧结的六方晶系铁氧体，其中所述的第二温度存在于大约1150℃至大约1450℃的范围之内，所述的第二个时间段存在于大约两小时至大约12小时的范围之内。根据某些方面，对所述粉末进行的加热包括在一种气体环境下对所述的粉末进行加热，所述的气体环境所具有的绝对氧分压存在于0.003每平方英寸磅至大约20每平方英寸磅的范围之内并且根据某些方面，对所述粉末进行的加热包括在一种环境下对所述的粉末进行加热，在所述的环境中所述的加热速率为大约每小时20℃至每小时200℃的范围之内。根据某些方面，所述的方法中进一步的包括在一种环境下对所述的烧结的六方晶系铁氧体进行冷却，其中在对所述的粉末进行加热之后，以大约80℃每小时的速率对其进行冷却。根据某些方面，对所述的含有碱金属的混合物所进行的加热包括在一种气体环境下对所述的含有碱金属的混合物进行加热，所述的气体环境所具有的绝对氧分压存在于0.003每平方英寸磅至大约20每平方英寸磅的范围之内并且根据某些方面，对所述的含有碱金属的混合物所进行的加热包括在一种环境下对所述的含有碱金属的混合物进行加热，在所述的环境中所述的加热速率为大约每小时20℃至每小时200℃的范围之内。
根据另外一种实施方式，提供了一种用于制备六方晶系铁氧体的方法。所述的方法包括：提供一种混合物，所述的混合物包括钡来源，钴来源，以及铁来源，在一段时间内对所述的混合物进行一定温度下的煅烧，使其足以形成六方晶系铁氧体颗粒，其中所述的温度为至少大约1100℃，并且向所述的六方晶系铁氧体颗粒中导入一种碱金属。根据一个或者多个方面，所述的用于制备一种掺杂的六方晶系铁氧体的方法包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够提供具有至少一种期望的磁性特征的掺杂的六方晶系铁氧体的剂量存在的。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够增加频率的剂量存在的，所述的频率相对应于所述掺杂的六方晶系铁氧体的导磁率的实分量(real component)的峰值。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括向Ba3Co2Fe24O41中导入至少一种碱金属化合物，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够增加频率的剂量存在的，所述的频率相对应于所述掺杂的六方晶系铁氧体的导磁率的虚分量(imaginary component)的峰值。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够对所述的掺杂的六方晶系铁氧体所具有的导磁率与介电常数的比率μr/εr进行增加的剂量存在的，所述的比率指的是在大约0.5千兆赫以及大约1千兆赫中的至少一种的频率条件下所具有的比率，所述的增加是相对于未经掺杂的Ba3Co2Fe24O41而言的。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够为所述的掺杂的六方晶系铁氧体提供高于大约0.8的导磁率与介电常数的比率μr/εr的剂量存在的，所述的比率指的是在大约0.5千兆赫以及大约1千兆赫中的至少一种的频率条件下所具有的比率。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种在高于1千兆赫的频率条件下足以能够赋予所述的掺杂的六方晶系铁氧体以比未经掺杂的Ba3Co2Fe24O41所具有的相对导磁率的实分量高的相对导磁率实分量的剂量存在的。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种在高于1千兆赫的频率条件下足以能够赋予所述的掺杂的六方晶系铁氧体以高于大约10的相对导磁率实分量的剂量存在的。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够赋予所述的掺杂的六方晶系铁氧体以比未经掺杂的Ba3Co2Fe24O41所具有的共振频率高的共振频率的剂量存在的。根据某些方面，对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂包括利用至少一种碱金属化合物对Ba3Co2Fe24O41进行掺杂，其中所述的碱金属化合物是以一种足以能够赋予所述的掺杂的六方晶系铁氧体以高于1千兆赫的共振频率的剂量存在的。
附图的简要说明
根据下述的附图，下文中对至少一种实施方式所具有的各个方面进行了讨论。在所述的附图中，在各种不同的附图中所描述的每一个相同的部件或者近乎相同的部件用一种相似的数字来进行表示。出于清楚的目的，并不会将每一个部件在每一个附图内进行标记。提供所述附图的目的在于进行阐述以及解释，并且并不意在作为对本发明的限制的定义。在所述的附图中：
附图1是一幅流程图，表示的是根据本发明中的一种实施方式用以生成一种材料的方法；
附图2A是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，各种不同的掺杂钾的六方晶系铁氧体所具有的相对导磁率的实分量(real component)，所述的实分量是频率的函数；
附图2B是附图2A中所述的图表，其中对所述的频率轴进行了重新缩放，从而更加清楚的描述出了在100兆赫兹至10千兆赫之间的频率下的所述数据；
附图3A是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，各种不同的掺杂钠的六方晶系铁氧体所具有的相对导磁率的实分量(real component)，所述的实分量是频率的函数；
附图3B是附图3A中所述的图表，其中对所述的频率轴进行了重新缩放，从而更加清楚的描述出了在100兆赫兹至10千兆赫之间的频率下的所述数据；
附图4A是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，各种不同的掺杂銣的六方晶系铁氧体所具有的相对导磁率的实分量(real component)，所述的实分量是频率的函数；
附图4B是附图4A中所述的图表，其中对所述的频率轴进行了重新缩放，从而更加清楚的描述出了在100兆赫兹至10千兆赫之间的频率下的所述数据；
附图5是一幅图表，表示的是掺杂钾、钠、以及銣的六方晶系铁氧体所具有的共振频率，所述的共振频率是所述掺杂水平的函数；
附图6A是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钾的六方晶系铁氧体所具有的相对导磁率的虚分量(imaginary component)，所述的虚分量是频率的函数；
附图6B是附图6A中所述的图表，其中对所述的频率轴进行了重新缩放，从而更加清楚的描述出了在100兆赫兹至10千兆赫之间的频率下的所述数据；
附图7A是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钠的六方晶系铁氧体所具有的相对导磁率的虚分量(imaginary component)，所述的虚分量是频率的函数；
附图7B是附图7A中所述的图表，其中对所述的频率轴进行了重新缩放，从而更加清楚的描述出了在100兆赫兹至10千兆赫之间的频率下的所述数据；
附图8A是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂銣的六方晶系铁氧体所具有的相对导磁率的虚分量(imaginary component)，所述的虚分量是频率的函数；
附图8B是附图8A中所述的图表，其中对所述的频率轴进行了重新缩放，从而更加清楚的描述出了在100兆赫兹至10千兆赫之间的频率下的所述数据；
附图9是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钾的六方晶系铁氧体所具有的磁损耗正切，所述的磁损耗正切是频率的函数；
附图10是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钠以及銣的六方晶系铁氧体所具有的磁损耗正切，所述的磁损耗正切是频率的函数；
附图11是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钾的六方晶系铁氧体所具有的相对介电常数的实分量(real component)，所述的实分量是频率的函数；
附图12是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钠以及銣的六方晶系铁氧体所具有的相对介电常数的实分量(real component)，所述的实分量是频率的函数；
附图13是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钾的六方晶系铁氧体所具有的相对介电常数的虚分量(imaginary component)，所述的虚分量是频率的函数；
附图14是一幅图表，表示的是根据本发明中的一个或者多个方面，在几种掺杂水平下所述的掺杂钠以及銣的六方晶系铁氧体所具有的相对介电常数的虚分量(imaginary component)，所述的虚分量是频率的函数；
附图15是一份X-射线衍射图样测试的副本，所述的X-射线衍射图样测试是在Philips衍射仪模型号码PW 1830中进行的，是在4万5千伏特以及35毫安的条件下进行的，在距离10至60度的钡钴铁氧体化合物的2θ角的条件下进行扫描的，其中所述的钡钴铁氧体中掺杂有0.3重量％的氧化钾，是依照本发明所述方法中的一个方面制备得到的。
详细说明
应当被意识到，在本发明中所讨论的所述材料、方法、以及装置的实施方式并不能被局限在下面的说明书中所列出的或者在所述的附图中所描述的构建细节以及组建的排列的应用中。所述的材料、方法、以及装置能够被运用在其他的实施方式中并且能够以各种不同的方式被进行实践或者被进行实现。在本发明中提供了具体运用的例子，这仅仅是出于描述的目的并且并不意在构成限制。特别是，通过任何一种或者多种实施方式所讨论的行为、元素、以及特征并不意在被排除在相类似的角色之外，其中所述的相类似的角色是存在于任何其他的实施方式中的。同样的，在本发明中所使用到的措辞以及术语是出于进行描述的目的并且不应当被看作是限定。在本发明中，“包括”，“包含”，“具有”，“含有”，“涉及到”，以及它们的变化形式的使用意在涵盖其后所列出的条目以及这些条目的等价物以及复数的条目。
本发明提供了具有强化的性能的设备，所述的设备被用在高频率的应用中，例如是变压器，感应器，循环器，以及减震器，所述的设备利用一种磁性材料例如陶瓷铁氧体，通过在高频率下对一种或者多种它们所具有的运作性质进行强化的方式来实现。本发明中公开的所述材料能够表现出，尤其是，期望的特征，例如提高的导磁率，同时在高频率条件下表现出低的磁损耗正切，这使得所述的利用这些材料的设备能够得到高频率运作特征的强化。
可以通过向某些材料的纯化形式中添加杂质的方法对所述的材料所具有的磁性特征进行调节。这些杂质通常被称为掺杂物。向某些磁性材料中进行某些掺杂物的添加能够导致所述的磁性材料所具有的性质的变化，其中所述的性质例如是磁矩，导磁率，介电常数，磁损耗正切，以及峰值磁化强度。
本发明中的某些方面涉及到化合物，所述的化合物包括掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体。根据某些方面，所述的化合物可以是由一种六方晶系铁氧体以及一种碱金属或者碱金属氧化物组成，或者在本质上由一种六方晶系铁氧体以及一种碱金属或者碱金属氧化物组成。在其他的方面，所述的化合物包括一种不含有二价掺杂物的六方晶系铁氧体。
一种适合被用在高频率感应器以及在高频率下运作的其他设备中的材料可以是由一种钡、钴、铁、氧以及一种或者多种碱金属的混合物形成的，其中所述的设备例如是，变压器，循环器，隔振器，天线，以及减震器。这种材料可以具有一种类似于钡钴铁氧体的组成，但是具有足够剂量的一种或者多种掺杂物，从而能够有利的提供一种或者多种所期望的特征。在一些实施方式中，所述的掺杂物能够对存在于所述的钡钴铁氧体晶体点阵中的钡原子的一部分进行取代，例如，在间隙位点上，从而生成一种具有聚集的结构表现的化合物Ba3-yMxCo2Fe24O41，其中M代表一种或者多种碱金属，x存在于零至大约一之间，并且y小于或者等于x。在一些实施方式中，所述的化合物中可以包括下述具有聚集的结构表现的部分：Ba3-yMxCo2Fe24O41+0.5x和/或(Ba3Co2)1-xMxCo2Fe24O41+0.5x。
在一些方面中，所述的化合物可以包括带有其他相的Z-相晶体点阵，例如，同样可以存在Y-相和/或M-相，所述的相以例如从大约2摩尔％至大约10摩尔％的浓度存在。
在一些实施方式中，在所述的晶体基质中可以存在一种或者多种以氧化物的形式存在的掺杂物。不希望受到特定理论的限制，可以确信向所述的钡钴铁氧体基质或其晶体结构中进行一种或者多种含有碱金属的掺杂物的添加或者导入能够防止或者抑制在制备钡钴铁氧体的过程中所述的铁从铁离子向亚铁离子状态的还原，允许上述制备得到的材料在高于未经掺杂的钡钴铁氧体的频率的条件下表现出一种令人期望的导磁率，并且具有相对低的磁损耗正切。
本发明中的某些方面能够涉及到用于制备经过掺杂的六方晶系铁氧体的技术。根据本发明中的某些方面，用以形成一种磁性材料的方法已经在附图1中被进行了范例性的描述。在这个方法的第一个步骤中，将适当剂量的前体材料——能够提供钡、钴、铁的反应物，一种或者多种碱金属，以及能够形成所述的磁性材料的氧——混合在一起。在某些方面，至少一部分的氧可以通过下述的形式来进行提供：一种钡(Ba)、钴(Co)、铁(Fe)、或者一种或多种碱金属的含氧化合物。例如，这些元素可以以碳酸盐或者氧化物的形式来提供，或者以本领域已知的其他含氧前体形式来提供。在一个或者多个方面中，可以以一种不含氧的化合物的形式提供一种或者多种前体材料，或者以一种纯化的元素形式提供一种或者多种前体材料。在其他的方面，可以通过一种单独的化合物来进行氧的提供，其中所述的化合物例如是过氧化氢，或者通过气态氧或空气来进行氧的提供。
例如，在一个方面，以一种适合于形成所述的钡钴铁氧体的比例对碳酸钡、氧化钴、以及氧化铁前体进行混合(例如，大约22重量％的碳酸钡，大约6重量％的氧化钴，以及大约72重量％的氧化铁)，同时混合大约0.06重量％至大约3.6重量％的碳酸钾。使用例如Cowles混合器、球磨机、或者振动球磨机在水或者醇中对这些前体化合物进行混合。这些前体物质同样可以以无水的形式来进行混合。
在此之后，如果需要的话，可以对上述混合后的混合物进行干燥(步骤20)。可以以各种不同的方式中的任意一种对所述的混合物进行干燥，所述的方式包括，例如，平板干燥或者喷雾干燥。在此之后可以在一定的温度下对所述的经过干燥的混合物进行加热(步骤30)并且保持一段时间从而促进煅烧。例如，在加热步骤30中所使用到的所述的加热系统中的温度可以以每小时大约20℃至每小时大约200℃的速率上升，从而达到大约1100℃-1300℃的浸泡温度，上述浸泡温度可以被维持大约两小时至大约十二小时。所述的加热系统可以是，例如，一个烤箱或者一个干燥炉。所述的混合物能够经历水分的丧失，和/或一种或者多种组分的还原或者氧化，和/或碳酸盐和/或有机化合物的分解，其中所述的碳酸盐和/或有机化合物是可能存在的。至少有一部分所述的混合物能够形成一种六方晶系铁氧体固熔体。
可以对所述温度的升温速率、所述的浸泡温度、以及所述混合物的加热时间进行选择，这种选择取决于一种特定应用的需要。例如，如果在加热之后期望在所述的材料中存在小的晶体颗粒，可以选择一个更快速的温度升温速率，和/或更低的浸泡温度，和/或更短的加热时间，这与期望获得较大的晶体颗粒的应用是相反的。除此之外，不同剂量和/或形式的所述前体材料的使用能够导致对于参数的不同需求，从而为所述的经过加热后的混合物提供所期望的特征，其中所述的参数例如是温度的升温速率以及浸泡温度和/或时间。
经过加热之后，所述的混合物能够形成六方晶系铁氧体固熔体的聚集颗粒，可以将其冷却至室温，或者将其冷却至能够促进进一步的加工的任意其他的温度。所述的加热系统所具有的冷却速率可以是，例如，每小时80℃。在步骤40中，可以对所述的聚集颗粒进行磨制。磨制可以发生在水中，在醇中，在球磨机中，在振动球磨机中，或者在其他的磨粉装置中。在某些方面，所述的磨制步骤持续进行直至上述得到的粉末状的材料所具有的平均颗粒直径为大约一微米至大约四微米，尽管其他的颗粒尺寸，例如，直径大约一微米至大约十微米，在某些应用中是可以被接受的。可以使用例如沉降图或者激光散射技术对这种颗粒尺寸进行测量。可以选定一种目标平均颗粒尺寸，从而提供足够的颗粒表面积，用以对下个步骤中的烧结进行促进。与较大的颗粒相比，具有较小的平均直径的颗粒具有更强的反应性并且更加容易被烧结。在一些方法中，可以在这个节点上(步骤40)添加一种或者多种碱金属或者碱金属前体或者其他的掺杂物材料，而不是在步骤10中添加，或者同时也在步骤10中添加。
如果需要的话，可以对所述的粉末状的材料进行干燥(步骤50)并且可以将上述经过干燥的粉末压制成一种期望的形状，其中使用例如一种单轴挤压机或者等静压机(步骤60)。用来对所述的材料进行压制的所述压力可以是，例如，达到80000牛/平方米，并且通常情况下存在于大约20000牛/平方米至大约60000牛/平方米的范围之内。与一种较低的挤压压力相比，较高的挤压压力能够在进一步的加热之后生成一种更为密实的材料。
在步骤70中，可以对上述经过挤压的粉末状的材料进行烧结，从而生成一种经掺杂的六方晶系铁氧体的固体块。可以在模具中对所述的经掺杂的六方晶系铁氧体的固体块进行烧结，其中所述的模具具有一种组件的形状，所述的组件是期望通过所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体来形成的组件。可以在一种适当的或者期望的温度下对所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体进行烧结，并且进行一段时间的烧结使得足以能够提供一种或者多种所期望的特征，例如，但不局限于，晶体颗粒的尺寸，杂质的水平，可压缩性，抗张强度，孔隙度，以及在某些情形中的导磁率。优选的，所述的烧结条件能够促进一种或者多种所期望的材料的特征并且不会对其他令人期望的或者不期望的性质产生影响，或者至少以可以接受的水平为其他令人期望的或者不期望的性质带来变化。例如，所述的烧结条件能够促进所述被烧结的经过掺杂的六方晶系铁氧体的形成，同时伴有微小的或者最小程度的铁的还原。根据某些方面，在所述的烧结步骤70中所使用到的所述的加热系统中的温度可以以每小时大约20℃至每小时大约200℃的速率上升，从而达到大约1150℃-1450℃的浸泡温度，上述浸泡温度可以被维持大约两小时至大约十二小时。所述的加热系统可以是，例如，一个烤箱或者一个干燥炉。与使用一种更高的温度升温速率，和/或更低的浸泡温度，和/或更短的加热时间所能够达到的结果相比，一个更低的升温速率，和/或更高的浸泡温度，和/或更长的烧结时间能够生成一种更为密实的经过烧结的材料。可以对所述的最终经过烧结的材料所具有的密度进行增加，例如通过对所述的烧结过程进行调节的方式，能够提供一种材料，所述的材料具有令人期望的导磁率，饱和磁化强度，和/或磁致伸缩系数。根据本发明中所述的方法中的某些方面，所述的经过烧结的六方晶系铁氧体所具有的密度范围可以是大约大约4.75克/立方厘米至大约5.36克/立方厘米。同样可以通过对所述材料的热处理进行修剪的方式制备具有期望尺寸的颗粒，来实现上述经过掺杂的六方晶系铁氧体的期望的导磁率。
在本发明所述方法的实施方式中制备得到的所述材料所具有的颗粒尺寸可以在大约五微米至一毫米的直径范围内进行改变，这取决于所述的加工条件，在根据本发明所述方法的某些方面中，即使更大的颗粒尺寸也是可能的。在某些方面，所述材料中的每一个晶体中可以包括一个单一的磁性结构域。经过掺杂的钡钴铁氧体以及未经掺杂的钡钴铁氧体均属于所述的平面六方晶系铁氧体家族中的成员，其中所述的平面六方晶系铁氧体被称为费劳克斯普纳铁氧体(ferroxplana)，具有一种Z-型的铁氧体晶体结构。
在一些需要对用途进行迎合的方法中，可以在进行烧结之后对所述经过烧结的材料进行粉碎(步骤80)，其中在所述的用途中，一种粉末状的经过掺杂的六方晶系铁氧体材料是令人期望的。
在上文中所描述的方法中，所述的加热步骤30以及70中的一个或者两个步骤可以在大气压力下(具有大约为三每平方英寸磅的绝对氧分压)在空气中进行，或者在这样的一种气体环境下进行，所述的气体环境所具有的绝对氧分压比大气压力下在空气中的绝对氧分压高出达到大约十二每平方英寸磅(即，大约十五每平方英寸磅)。根据本发明中所述的方法中的其他方面，所述的加热步骤30以及70中的一个或者两个步骤可以在其他的空气压力以及氧分压的条件下在空气中进行。根据本发明中的一个或者多个方面，在一些方法中，可以进行这些加热步骤中的一个或者两个的气体类型可以包括：被加压至二十每平方英寸磅的绝对压力的氧气，流动氧气，停滞空气，流动空气，以及氮气或者氩气与氧气的混合物，其中在所述的混合物中氧气占据0.5原子％直至纯氧。所述的空气或者氧气的流动速率可以存在变化并且取决于各种不同的因素，包括，但不局限于，可以利用的当量氧的期望剂量。例如，所述的空气或者氧气的流动速率可以达到大约每分钟50立方英尺(cfm)。在利用流动空气、氧气、或者其他气体的方面，所述的流动速率可以是，例如，大约30立方英尺/分钟(cfm)。
对于上述方法的说明并不意在进行限制。根据本发明中的一个或者多个方面，在一些方法中，在上文中所描述的步骤中的某一些可以被进行组合使用，以另外的顺序来进行，或者甚至是被除去。进一步的，没有进行明确描述的额外的步骤可以被包括在根据本发明所述的方法的一个或者多个方面之中。
通过上文中所描述的方法的一个或者多个方面制备得到的材料可以包括具有下述结构式的化合物：Ba3-yMxCo2Fe24O41，其中M是一种碱金属，x在零与大约一之间，并且y小于或者等于x。在上文中所描述的方法的一个或者多个其他的方面中，可以向所述的材料中导入多种碱金属的掺杂物，从而生成具有例如下述结构式的化合物：Ba3-zKwNaxRbyCo2Fe24O41，其中所述的w、x、以及y的和存在于零以及大约一的范围之内并且z小于大约一。所述的下标w，x，y，以及z所具有的数值将随着在所述的材料的生成过程中利用到的所述碱金属和/或碱金属前体所具有的剂量而发生改变。可以对所添加的用以形成所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体的各种不同的碱金属的剂量进行选择，从而对所述的材料所具有的磁性性质以及电学性质进行剪裁，使其适合于一种特定的应用，其中所述的磁性性质以及电学性质例如是介电常数以及导磁率。
在根据本发明所述的方法的某些方面中，除了一种或者多种碱金属的掺杂物之外，其他形式的掺杂物可以被包括在内，这些掺杂物以类似于在上文中所讨论的用于导入所述的一种或者多种碱金属掺杂物的方式被使用，其中所述的掺杂物例如是单价金属或者多价金属，例如，但不局限于下述金属中的一种或者多种：镍(Ni)，铋(Bi)，钴(Co)，锰(Mn)，锶(Sr)，铜(Cu)或者锌(Zn)。向所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体中进行所述的一种或者多种单价金属掺杂物或者多价金属掺杂物的添加可以被有效的用于这样的应用中，其中在所述的应用中期望对上述经过掺杂的六方晶系铁氧体所具有的导磁率进行修饰。
在进一步的方面中，在制备的过程中同样可以向所述的化合物中添加烧结助剂和/或密度修饰助剂和/或磁损耗正切调节剂，其中所述的密度修饰助剂例如是二氧化硅和/或氧化钙，所述的磁损耗正切调节剂例如是氧化酶，上述试剂可以以例如从大约零至大约三摩尔％的浓度水平进行添加。可以存在于所述的化合物之中的其他的试剂和/或杂质能够包括下述试剂和/或杂质中的一种或者多种：氧化锰，氧化铝，氧化镍，氧化锌，氧化锶，氧化钛，氧化锆，氧化锡，氧化钇，氧化铬，五氧化二铌，或者氧化铜，上述试剂可以以例如从大约零至大约三摩尔％的浓度水平进行添加。
在根据本发明所述的方法中的进一步的方面，一种经过掺杂的六方晶系铁氧体可以与一种或者多种铁磁材料，一种或者多种铁电材料，和/或一种或者多种介电材料，或者各种不同的金属氧化物中的任意一种或者上述物质的组合进行组合，从而形成一种复合材料，其中所述的铁磁材料例如是钴，铁，或者镍，所述的铁电材料例如是钛酸钡或者钛酸铅，所述的介电材料例如是二氧化硅。可以对所述的复合材料所具有的性质进行裁剪，用于一种特定的应用，其中所述的裁剪可以通过例如将不同剂量的经过掺杂的六方晶系铁氧体与不同剂量的铁磁材料、铁电材料、和/或介电材料进行混合的方式来实现，所述的性质例如是导磁率和/或介电常数。
一种完整的组件所具有的掺杂水平在所述的整个组件内可以是均匀的，其中所述的组件是由所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体形成的。然而，根据本发明中的某些方面，一种完整的组件所具有的掺杂水平在所述的整个组件内可以是不均匀的，其中所述的组件是由所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体形成的。例如，在所述组件的近端区域或者在所述组件的表面上，所述的一种或者多种掺杂物所具有的掺杂水平可以与所述组件的内部区域相反，具有较高或者较低的掺杂水平。这可以通过各种方式来完成。
根据本发明中的一个或者多个方面，在一种方法中，可以通过下述方式来建立一种掺杂的浓度梯度：相对于存在于所述的预先烧结的经过掺杂的六方晶系铁氧体材料中的不同区域内的所述的六方晶系铁氧体而言，对所添加的所述的前体掺杂化合物所具有的剂量进行改变。根据本发明中的一个或者多个方面，在另外的方法中，在所述的煅烧步骤和/或烧结步骤的至少一部分中，可以将一种化合物与所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体的一个或者多个区域进行接触，其中在所述的化合物中包含了较高水平的特定掺杂物，所述的特定掺杂物所具有的水平高于其存在于所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体中的水平，从而允许掺杂物从所述的表面向内扩散至所述经过掺杂的六方晶系铁氧体之中，形成了这种掺杂物的梯度，在所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体组件的表面上所具有的较高水平至所述的内部所具有的较低水平的梯度。可以通过热处理的方法对所述的掺杂浓度梯度所具有的掺杂曲线进行修饰，从而生成例如线性的或者指数型的掺杂物浓度梯度。可供选择的，在所述的煅烧步骤和/或烧结步骤的至少一部分中，可以将一种材料化合物与所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体的一个或者多个区域进行接触，其中在所述的材料化合物中包含了较低水平的特定掺杂物，所述的特定掺杂物所具有的水平低于其存在于所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体中的水平，从而允许掺杂物从所述经过掺杂的六方晶系铁氧体的表面向外扩散，形成了所述掺杂物的浓度梯度，在上述形成的经过掺杂的六方晶系铁氧体组件的内部所具有的较高水平至所述的表面上所具有的较低水平的梯度。
可以通过下述的这种方式对多种不同掺杂物的掺杂水平所具有的梯度进行控制，例如：在用以形成所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体化合物的煅烧步骤和/或烧结步骤的各种不同的阶段中，在不同的时间处或者持续不同的时间段或者在不同的温度下，将具有不同水平的不同掺杂物的不同化合物与所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体进行接触。
掺杂物的梯度同样可以被导入到所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体之中，其中使用诸如下述的技术：那些涉及到离子注入以及随后的热处理的技术。根据本发明所述的方法中的一个进一步的方面，在高温之下，例如在一种烧结的步骤过程中，可以将所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体暴露于一种富含掺杂物或者掺杂物化合物的气体环境下，其目的在于向所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体中导入所述的掺杂物。
在所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体中，掺杂水平的梯度在某些应用中可能是有效的，在所述的应用中，诸如传导性这样的性质期望被保持在一种特定的水平，例如，在所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体的表面上具有低的传导性，但是在所述材料中的大部分中具有较高的传导性。一种特定的掺杂物能够对多种性质产生影响，其中所述的性质例如是传导性以及导磁率。如果传导性被得以增强，同时通过增加一种特定掺杂物所具有的水平对导磁率进行降低，在一些应用中，可能期望制造一种经过掺杂的六方晶系铁氧体组件，所述的组件在其内部具有一种高水平的这种掺杂物，但是在其外部具有低的水平，从而提供了这样一种组件，所述的组件具有高的整体导磁率以及低的表面传导性。
根据本发明中的一些方面，在将所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体烧结成为一种期望的组件所具有的形状以及尺寸之前或者之后，可以对所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体进行机床加工。
在其他的方面，以粉末状的形式或者非粉末状的形式存在的所述经过掺杂的六方晶系铁氧体可以被导入到一种聚合物或者其他材料之中，例如一种环氧树脂之中，从而形成一种具有所期望的形状的复合材料。所述的聚合物或者环氧树脂可以作为所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体材料的粘合剂来发挥功能。所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体可以被粉碎成为粉末并且与一种熔化的聚合物或者液体环氧树脂进行混合，其中所述的熔化的聚合物或者液体环氧树脂可以被凝固化。在一些应用中，所述的聚合物或者环氧树脂可以在模具中被凝固化，其中所述的模具具有一种期望的组件的形状。这在某些应用中是有效的，在这样的应用中，难以通过机床加工来获得所期望的组件的形状，或者期望为所述的包含有经过掺杂的六方晶系铁氧体的组件赋予一定程度的弹性或者抵御破裂的抗性。可以对具有适当的弹性和/或硬度水平的聚合物或者环氧树脂进行选择并且可以向所述的聚合物或者环氧树脂基质内导入各种不同负载量的经过掺杂的六方晶系铁氧体材料，从而制成一种组件，所述的组件具有所期望的弹性和/或冲击抗性以及所期望的磁性性质以及电学性质。在一些方面，额外的材料可以与存在于所述的环氧树脂或者聚合物基质之中的所述经过掺杂的六方晶系铁氧体进行组合，从而形成一种具有所期望的磁性性质和/或电学性质的复合材料，其中所述的额外的材料例如是铁电材料或者介电材料。
在其他的方面，所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体可以与一种介电材料进行结合，从而形成一种复合的磁性/电学设备组件。例如，可以将一种由所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体形成的杆与一种存在于介电管之中的胶粘剂进行结合，其中所述的介电管例如是一种陶瓷材料，其中含有所述的组成：氧化镁-氧化钙-氧化锌-氧化铝-氧化钛。所述的杆以及管的装配可以在此之后被切割成圆盘，包括一种经过掺杂的六方晶系铁氧体圆盘，所述的圆盘被一环介电材料进行同轴的围绕。这样的圆盘可以被用来作为高频率循环器或者隔振器中的组件。
在其他的方面，根据本发明中的方面所述的经过掺杂的六方晶系铁氧体可以通过喷镀法或者其他的方式被堆放在半导体之上，作为例如射频集成电路的构造中的一个部分，从而形成一种多层的芯片感应器或者多层的片式磁珠。
正如在附图2-14中所描述到的，与例如未经掺杂的钡钴铁氧体这样的材料相比，在上文中所讨论的所述材料以及材料的组合能够在高频率下表现出优异的磁性性质。
实施例
样本的制备
将适当水平的碳酸钡、氧化钴、以及氧化铁前体与各种不同剂量的碱金属碳酸盐(0.06重量％，0.12重量％，0.6重量％，1.2重量％，以及3.6重量％的碳酸钾；0.04重量％，0.08重量％，以及0.4重量％的碳酸钠；以及0.02重量％，0.04重量％，0.1重量％，0.2重量％，0.4重量％，和0.8重量％的碳酸銣)进行混合，从而形成经过掺杂的钡钴铁氧体样本。形成每种材料样本的两个七毫米外径的圆环，一个短圆环(长度为大约100密耳(0.254厘米)以及一个长圆环(长度为大约200密耳(0.508厘米)。
通过下述方式形成所述的样本：首先在球磨机中将所述的碳酸钡、氧化钴、以及氧化铁前体混合在水中，对上述经混合的混合物进行干燥，并且在干燥炉中在停滞空气的条件下对上述经混合的混合物进行煅烧，所述的煅烧是在大气压力下于1190℃的浸泡温度下进行八个小时的煅烧，所具有的加热速率以及冷却速率为100℃/小时。将具有上述列出的浓度的碱金属碳酸盐添加到所述的经过煅烧的材料中去，其中所述的经过煅烧的材料是被用来形成每一种单独的样本的材料。在此之后在球磨机中将用于每一种样本的所述的经过煅烧的材料以及碱金属碳酸盐在水中进行磨碎从而形成具有大约五十微米的平均直径的颗粒。上述被磨碎的材料被进行干燥并且被压制成为具有0.5英寸(1.3厘米)直径、两英寸(5.1厘米)长度的杆，其中所述的压制是于大约180000牛/平方米的压力下在等静压机内完成的。在此之后将所述的杆切割成上文中所描述的形状以及尺寸并且在干燥炉内于大气压力下在氧气中对其进行烧结，其中所述的氧气是以30立方英尺/分钟(cfm)的速度流动的，并且在1250℃的浸泡温度下进行八小时的烧结，所具有的加热速率以及冷却速率为100℃/小时。
上述的方法能够制造出根据本发明中的某些方面所述的钡钴铁氧体，其中在所述的钡钴铁氧体中掺杂有碱金属的氧化物。正如在附图15中所表示出的，根据上述方法制备得到的并且掺杂有0.3重量％的氧化钾的化合物能够在某些位置上表现出X-射线衍射峰值，其中所述的位置与那些能够在钡钴铁氧体中预料到的位置相对应，其所具有的角度位置是通过存在于所述的水平线上的短垂直线来表示的，其中所述的水平线在附图15中被标记为“钡钴铁氧化物”。
分析方法
附图2-14中的数据是通过下述操作步骤而产生的：
在一条同轴航线(airline)中对所述的样本进行分析并且记录下从50兆赫兹至18500兆赫兹(18.5千兆赫)所述全部的S-参数散射矩阵。通过这个数据，所述的材料特征ε*(无量纲的复数相对介电常数)以及μ*(无量纲的复数相对导磁率)被提取出来，其中使用的是A.M.Nicolson以及G.F.Ross于1970年11月在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement《美国电气及电子工程师协会仪器以及测量汇刊》第19卷，第4期，第377-382页中发表的文章“Measurement of the intrinsicproperties of materials by time domain techniques《通过时区域技术对材料的固有性质所进行的测量》”中所描述的方法，所述的方法在James Baker-Jarvis，Eric J.Vanzura，以及William A.Kissick于1990年8月在IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques《美国电气及电子工程师协会微波理论及技术汇刊》第38卷，第8期，第1096-1103页中发表的论文“ImprovedTechnique for Determining Complex Permittivity with theTransmission/Reflection Method《用以使用传输/反射法对复数介电常数进行测定的改进技术》”中被进行了修饰，上述文献在本发明中被引入作为参考。所述的较短的样本趋向于在这种频率范围的低端点处生成噪音数据，但是在较高的频率条件下提供了一致的结果。所述的较长的样本表现出了相反的行为；它们趋向于在所述的低频率的范围处生成一致的数据但是在较高的频率条件下生成噪音数据。在测试所进行的所述频率范围之内，两组数据在横跨了一段相当宽的部分内发生了重合。在对这些测量值进行收集之后，在从1兆赫兹至1800兆赫兹(1.8千兆赫)的频率下，使用Hewlett-Packard 4291阻抗分析器对上述较小的样本进行分析。因此针对每一种测试样本产生了三组数据，所述的三组数据在很大的程度上存在重合。对这一数据进行共同绘制，并且将那些在组与组之间不一致的点舍弃，从而生成从1兆赫兹至18.5千兆赫的平滑曲线。在上述生成的曲线中观察到了一些中断，这些中断被认为是这种测量方法所存在的人为缺陷。
碳酸钾的掺杂对导磁率的实分量所产生的影响
根据附图2A以及2B，所表示出的是钡钴铁氧体所具有的无量纲复数相对导磁率μ’(在此处被简称为所述的导磁率)的实分量相对于频率所发生的变化，其中在所述的钡钴铁氧体中掺杂有各种不同水平的碳酸钾。在这些附图中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图2-a至2-f，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.06重量％、0.12重量％、0.6重量％、1.2重量％、以及3.6重量％的碳酸钾。可以看出，掺杂有碳酸钾的钡钴铁氧体示范出了一种相对恒定的低于大约0.2千兆赫的导磁率。在较高的频率下，所述的材料示范出了导磁率的上升，此后达到峰值并且在此之后随着所述频率的进一步的增加出现了导磁率的快速跌落。一种材料所具有的导磁率达到峰值时所处的点位将在本发明中被称为所述材料的“共振频率”。在附图2A以及2B中可以观察到，向钡钴铁氧体进行小剂量(例如，小于大约3.6重量％)的碳酸钾的添加能够增加所述的材料所具有的共振频率。例如，未经掺杂的钡钴铁氧体能够表现出一种为大约0.64千兆赫的共振频率，而通过碳酸钡、氧化钴、以及氧化铁前体并且掺杂有大约0.6重量％的碳酸钾前体所形成的钡钴铁氧体能够表现出一种为大约1.4千兆赫的共振频率，比未经掺杂的钡钴铁氧体多出大约两倍。这表明了通过掺杂有钾的钡钴铁氧体制备得到的电气设备组件能够保持它们的导磁率并且能够在一种较高的频率范围或者较宽的频率范围内运作，其中所述的频率范围比通过未经掺杂的钡钴铁氧体制备得到的类似设备或者设备组件的频率范围高或者宽，其中所述的电气设备组件例如是高频率感应器核。
同样可以观察到，向所述的钡钴铁氧体材料中进行碳酸钾前体的添加能够导致在所述的低频率下(例如，低于所述材料所具有的共振频率的频率)所述导磁率的绝对水平的下降。这表明了共振频率的增强可能与绝对导磁率的下降相互关联。
对于高水平的钾的掺杂(例如，3.6重量％的碳酸钾前体)而言，所述的材料所具有的共振频率的增强并不像具有较低水平的钾的掺杂的钡钴铁氧体那样显著。在一种高的钾掺杂水平下(例如，3.6重量％的碳酸钾前体)，所述的经过掺杂的材料所具有的共振频率接近于未经掺杂的钡钴铁氧体所具有的共振频率。
碳酸钠以及碳酸銣的掺杂对导磁率的实分量所产生的影响
附图3A、3B、4A、以及4B描述的是分别掺杂有各种不同水平的碳酸钠以及碳酸銣的钡钴铁氧体所具有的导磁率相对于频率所发生的变化。在这些附图中，在附图3A以及3B中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图3-a至3-d，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.04重量％、0.08重量％以及0.4重量％的碳酸钠，并且在附图4A-4B中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图4-a至4-g，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.02重量％、0.04重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.4重量％以及0.8重量％的碳酸銣。
与同所述的掺杂有碳酸钾的钡钴铁氧体一同进行分析的未经掺杂的钡钴铁氧体相比，同所述的掺杂有碳酸钠以及碳酸銣的钡钴铁氧体一同进行分析的未经掺杂的钡钴铁氧体具有不同的烧制密度(fired density)，这使得在附图3A、3B、4A、以及4B所描述的内容中观察到的未经掺杂的钡钴铁氧体所具有的磁性性质与在附图2A以及2B所描述的内容中观察到的未经掺杂的钡钴铁氧体所具有的磁性性质不同。这对于例如存在于下述方面的差异进行了解释，所述的差异是：在与所述的掺杂碳酸钾的材料一同进行测试的所述未经掺杂的钡钴铁氧体中观察到的共振频率与在与所述的掺杂碳酸钠以及碳酸銣的材料一同进行测试的所述未经掺杂的钡钴铁氧体中观察到的共振频率之间的差异。
与涉及碳酸钾的附图2A以及2B相似，在附图3A、3B、4A以及4B中同样可以观察到，相对于未经掺杂的钡钴铁氧体而言，向钡钴铁氧体中进行充足剂量的碳酸钠或者碳酸銣的添加能够增强所述材料所具有的共振频率，同时降低在低频率条件下的导磁率的绝对水平。例如，掺杂有大约0.4重量％的碳酸钠前体的钡钴铁氧体能够表现出一种为大约1.3千兆赫的共振频率以及大约9.5的低频率导磁率，而未经掺杂的钡钴铁氧体能够表现出一种为大约0.4千兆赫的共振频率以及大约14的低频率导磁率。掺杂有大约0.8重量％的碳酸銣前体的钡钴铁氧体能够表现出一种为大约1.15千兆赫的共振频率以及大约10的低频率导磁率，而未经掺杂的钡钴铁氧体能够表现出一种为大约0.4千兆赫的共振频率以及大约14的低频率导磁率。
在不同的碱金属掺杂物之间进行的共振频率的比较
附图5描述了相对于钡钴铁氧体的掺杂水平而言的导磁率共振频率，其中所述的钡钴铁氧体掺杂有碳酸钾，碳酸钠，以及碳酸銣。为了进行清楚的表示，从这张图表上省略了相对应于掺杂有3.6重量％的碳酸钾的钡钴铁氧体的数据点。可以观察到，在低于大约0.2重量％的掺杂物前体的添加水平时在共振频率方面存在一种快速的上升，伴随着所述添加的掺杂物的总剂量的增加，所添加的额外掺杂物的每个单元中所述的共振频率发生的变化在减小。这表明可能存在一种碱金属掺杂物的特定的上水平，可以按照所述的上水平进行添加从而对所述的基于钡钴铁氧体的材料所具有的共振频率进行增强，超过所述的上水平则对所述材料所具有的共振频率会产生一种微小的附加影响。
碱金属的掺杂对导磁率的虚分量所产生的影响
附图6A-8B描述的是经过掺杂的以及未经掺杂的钡钴铁氧体的μ”的应答，其中所述的μ”指的是所述的复数相对导磁率的虚分量，其对应于高频率下的所述材料中的能量损耗。在这些附图中，在附图6A-6B中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图6-a至6-f，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.06重量％、0.12重量％、0.6重量％、1.2重量％、以及3.6重量％的碳酸钾，在附图7A-7B中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图7-a至7-d，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.04重量％、0.08重量％以及0.4重量％的碳酸钠，并且在附图8A-8B中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图8-a至8-g，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.02重量％、0.04重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.4重量％以及0.8重量％的碳酸銣。
可以观察到，对于所有的掺杂碱金属的材料而言，与未经掺杂的钡钴铁氧体相比，在μ”中所述的初始的上升以及所述的峰值均发生在更高的频率下。同样可以观察到的是，与所有的材料所具有的μ’相比，包括所述的未经掺杂的钡钴铁氧体，μ”在更高的频率下达到峰值。这表明这些材料在低于它们的共振频率之下不会表现出高水平的能量损耗，并且因此能够在接近它们的共振频率的频率条件下被有效的应用于高频率的设备中。
碱金属的掺杂对磁损耗正切所产生的影响
附图9以及10所描述的是在掺杂有碳酸钾(附图9)、碳酸钠、以及碳酸銣(附图10)的钡钴铁氧体中，所述的μ”与μ’相对于频率所具有的比率，所述的量同样被称之为所述的磁损耗正切(TanδM)。这个参数代表的是相对于一种材料中的存储量而言所述的磁能量的损耗剂量，其中所述的材料被暴露在电磁辐射之中。对于一些利用磁性铁氧体材料的电气设备而言，在这样的一种磁性状况下进行运作可能是令人期望的，其中在所述的磁性状况中所述的磁性铁氧体材料所具有的磁损耗正切是低的，所述的电气设备例如是感应器以及变压器。在这些附图中，在附图9中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图9-a至9-f，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.06重量％、0.12重量％、0.6重量％、1.2重量％、以及3.6重量％的碳酸钾，在附图10中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图10-a至10-d，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.04重量％、0.08重量％以及0.4重量％的碳酸钠，并且在附图10中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图10-e至10-j，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0.02重量％、0.04重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.4重量％以及0.8重量％的碳酸銣。
正如可以在附图9以及10中看到的，掺杂有碱金属的钡钴铁氧体所具有的磁损耗正切大致与未经掺杂的钡钴铁氧体所具有的磁损耗正切相同或者低于未经掺杂的钡钴铁氧体所具有的磁损耗正切，直至达到大约2千兆赫的频率，此时所述的经过掺杂的以及未经掺杂的材料所具有的磁损耗正切接近大约2。这与在附图2A-5中所描述的数据一同表明，与未经掺杂的钡钴铁氧体相比，所述的掺杂有碱金属的钡钴铁氧体能够在更高的频率下(例如，对于掺杂有钾的钡钴铁氧体而言，直至大约1.4千兆赫)促进所述的高频率设备的运作，同时表现出不高于未经掺杂的钡钴铁氧体的能量损耗，其中所述的高频设备中利用了铁氧体材料。
碳酸钾的掺杂对导磁率与介电常数的比率μr/εr所产生的影响
铁氧体材料的一种可能的应用是用于进行高频率射频(RF)天线或者微波天线的构建。一般而言，当构建天线的材料所具有的相对导磁率的实分量与其所具有的相对介电常数的实分量相等时(即，μr/εr＝1)，在这样的频率下所述的天线能够最为有效的向大气中进行电磁能量的吸收以及发射。这个比例在本发明中被称之为所述的“导磁率与介电常数的比率”。
附图11以及12描述的是基于掺杂各种不同碱金属的钡钴铁氧体的材料所具有的相对于频率的相对介电常数的实分量。在这些附图中，在附图11中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图11-a至11-f，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.06重量％、0.12重量％、0.6重量％、1.2重量％、以及3.6重量％的碳酸钾，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图12-a至12-d，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.04重量％、0.08重量％以及0.4重量％的碳酸钠(附图12)，并且通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图12-e至12-j，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0.02重量％、0.04重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.4重量％以及0.8重量％的碳酸銣(附图12)。
正如在附图11以及12中所描述的，在0.5千兆赫至1千兆赫的频率范围内，基于掺杂有碱金属的钡钴铁氧体的材料能够表现出大约10至15的相对介电常数的实分量。在大多数情形中，这略微的高于在这一范围的频率下在附图2A-4B中所描述的相对导磁率的实分量数值。下面的表格1中描述了在1千兆赫的范例性的频率条件下掺杂有钾的钡钴铁氧体所具有的相对导磁率的实分量以及相对介电常数的实分量。
表格1
上述的数据表明掺杂有钾的钡钴铁氧体在1千兆赫下能够表现出一个大约为0.9的μr/εr比率，非常接近于1.0的比率，这个比率能够定义一个高效的天线。可以通过例如下述方式对所述的经过掺杂的钡钴铁氧体材料所具有的导磁率的实分量的绝对水平进行调整：对存在于天线中的所述材料所具有的晶体结构的方位进行改变，或者在一种方法中形成所述的经过掺杂的钡钴铁氧体，其中在所述方法的一个或者多个步骤过程中将其暴露于磁场之中，从而对所述材料所具有的磁性结构域的磁矩的排列进行增加。所述的经过掺杂的钡钴铁氧体材料所具有的导磁率同样能够通过下述方式来增强：对可以被用来形成所述材料的热处理/烧结步骤进行调整，从而增加所述材料的密度和/或颗粒尺寸。除此之外，所述的导磁率和/或介电常数的绝对水平可以通过下述方式来进行调整：利用一种或者多种二价的金属离子进行额外的掺杂，其中所述的二价金属离子例如是锶，镁，铜，镍，锰，以及锌，或者按照上文中所讨论的，将一种经过掺杂的六方晶系铁氧体与一种铁磁材料、铁电材料、或者介电材料进行混合从而形成一种复合材料。因此，利用根据本发明的一个或者多个方面中所述的掺杂有钾的钡钴铁氧体材料制备一种高效率的高频率(例如，1千兆赫)天线是切实可行的。
碳酸钠以及碳酸銣的掺杂对导磁率与介电常数的比率μr/εr所产生的影响
下面的表格2中描述了在0.5千兆赫的范例性的频率条件下掺杂有钠的钡钴铁氧体所具有的相对导磁率的实分量以及相对介电常数的实分量，并且下面的表格3中描述了在0.5千兆赫的范例性的频率条件下掺杂有銣的钡钴铁氧体所具有的相对导磁率的实分量以及相对介电常数的实分量。相对于针对掺杂有钾的钡钴铁氧体材料的表格1中的频率而言，进行这一数据比较的频率降低了，降低至相对应于低于所述的掺杂有钠以及銣的材料所具有的共振频率，其中所述的共振频率一般而言低于所述的掺杂有钾的材料所具有的共振频率。这些表格描述出了：在0.5千兆赫的条件下，对于至少某些浓度的掺杂物而言，所述的基于掺杂有钠以及銣的钡钴铁氧体的材料均同样表现出高的μr/εr比率(例如，高于大约0.8)。
表格2
表格3
碳酸钾的掺杂对介电常数的虚分量所产生的影响
附图13中描述的是基于掺杂有碳酸钾的钡钴铁氧体的材料所具有的相对于频率的介电常数的虚分量。在这个附图中，通过对钡钴铁氧体样本所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图13-a至13-f，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.06重量％、0.12重量％、0.6重量％、1.2重量％、以及3.6重量％的碳酸钾。尽管每一种所述材料的数据在显著的范围内存在重合并且伴随着频率发生了显著的变化，随着碳酸钾的掺杂水平的增加，在所述的介电常数的虚分量上出现了一种小程度的整体上的增加。
碳酸钾的掺杂对介电损耗正切所产生的影响
附图14描述的是基于掺杂有碳酸钾的钡钴铁氧体的材料样本所具有的相对于频率的介电损耗正切(Tanδε)。在这个附图中，通过对钡钴铁氧体所进行的分析而获得的数据组分别被指定为线图14-a至14-f，其中在所述的钡钴铁氧体中分别掺杂有0重量％、0.06重量％、0.12重量％、0.6重量％、1.2重量％、以及3.6重量％的碳酸钾。尽管每一种所述材料的数据在显著的范围内存在重合并且伴随着频率发生了显著的变化，随着碳酸钾的掺杂水平的增加，在所述的介电损耗正切上出现了一种小程度的整体上的增加。在一些方面中，高的介电损耗正切可能是不令人期望的。可以通过徐冷和/或通过其他掺杂物的添加对一种高的介电损耗正切进行调节，或者通过利用其他材料与所述的经过掺杂的钡钴铁氧体进行组合从而形成一种具有期望性质的复合材料的方式对一种高的介电损耗正切进行调节。
被设计用于在高频率下进行运作的、包括铁氧体材料的、通过根据本发明的方面中所述的经过掺杂的钡钴铁氧体材料的导入来使得它们所具有的运作频率范围增加的设备包括，但不局限于，天线，铁氧体循环器，减震器，感应器(包括多层芯片感应器)，多层片式磁珠，以及变压器。可以使用根据本发明中的方面所述的经过掺杂的钡钴铁氧体材料来制造例如上述这些的新的设备，或者可以对利用某些其他铁氧体的现有设备进行翻新，使用根据本发明的一个或者多个方面中所述的经过掺杂的钡钴铁氧体材料对所述初始的铁氧体材料中的至少一部分进行替代。
已经据此对本发明中的至少一种实施方式的几个方面进行了描述，可以意识到的是，本领域技术人员将能够容易的想到进行各种不同的改变，修饰，以及改进。这样的改变，修饰，以及改进意在成为本公开物的一个部分，并且意在存在于本发明的实质以及范围之内。因此，前述的说明书以及附图仅仅是举例。
Claims (15)
1.一种掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体，所述的掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体具有下述结构式Ba3-yMxCo2Fe24O41，其中Ba是钡，M是钾和铷中的至少一种，Co是钴，O是氧，x存在于0至1的范围内，y小于或等于x。
2.根据权利要求1中所述的掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41具有存在于5微米至1毫米的范围内的平均颗粒直径。
3.根据权利要求1中所述的掺杂有碱金属的六方晶系铁氧体，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一种Z-型铁氧体。
4.一种电气组件，包括Ba3-yMxCo2Fe24O41，其中Ba是钡，M是钾和铷中的至少一种，Co是钴，O是氧，x存在于0至1的范围内，y小于或等于 x。
5.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述的电气组件是一种射频铁氧体循环器。
6.根据权利要求5中所述的电气组件，其中所述的射频铁氧体循环器被配置成为减震器。
7.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述的电气组件是感应器，变压器，以及天线中的任意一种。
8.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的钾以及铷的至少一种，相对于未包括钾以及铷的至少一种的Ba3Co2Fe24O41，所述的剂量足以能够提供增强的频率，所述增强的频率对应于所述Ba3-yMxCo2Fe24O41所具有的导磁率的峰值实分量。
9.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，相对于未包括钾以及铷的至少一种的Ba3Co2Fe24O41，所述的剂量足以能够提供增强的频率，所述增强的频率对应于所述Ba3-yMxCo2Fe24O41所具有的导磁率的峰值虚分量。
10.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，相对于未包括钾以及铷的至少一种的Ba3Co2Fe24O41，在0.5千兆赫以及1千兆赫中的至少一种频率下，所述的剂量足以能够提供所述Ba3-yMxCo2Fe24O41所具有的增大的导磁率与介电常数的比率μr/εr。
11.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，相对于未包括钾以及铷的至少一种的Ba3Co2Fe24O41，在0.5千兆赫以及1千兆赫中的至少一种频率下，所述的剂量足以能够为所述Ba3-yMxCo2Fe24O41提供高于0.8的导磁率与介电常数的比率μr/εr。
12.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，所述的剂量足以能够赋予所述Ba3-yMxCo2Fe24O41以一种相对导磁率的实分量，所述的实分量在大于1千兆赫的频率下高于未包括钾以及铷的至少一种的Ba3Co2Fe24O41所具有的相对导磁率的实分量。
13.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，所述的剂量足以能够赋予所述Ba3-yMxCo2Fe24O41以一种相对导磁率的实分量，使其在大于1千兆赫的频率下高于10。
14.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，所述的剂量足以能够赋予所述Ba3-yMxCo2Fe24O41以一种共振频率，所述的共振频率高于未包括钾以及铷的至少一种的Ba3Co2Fe24O41所具有的共振频率。
15.根据权利要求4中所述的电气组件，其中所述Ba3-yMxCo2Fe24O41包括一定剂量的所述钾以及铷的至少一种，所述的剂量足以能够赋予所述Ba3-yMxCo2Fe24O41以一种共振频率，所述的共振频率大于1千兆赫。
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