Изучение влияния замещения кобальтом на структуру никель-цинкового феррита
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Металловедение и термическая обработка
Статья в выпуске: 2 т.20, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе представлены результаты получения и исследования структуры и свойств никель-цинковых ферритов, легированных кобальтом, с общей формулой Ni0,3Zn0,7-xCoxFe2O4 (при замещении x равном 0; 0,2; 0,4; 0,6). Образцы были получены методом твердофазного синтеза в трубчатой печи с карбидкремниевыми нагревателями при температуре 1150 °С. Проведено исследование морфологии и химического состава на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM 7001F с энергодисперсионным анализатором Oxford Instruments (Inca X-max 80). Исследование фазового состава проведено на порошковом дифрактометре Rigаku Ultimа IV. Полученные данные позволяют утверждать, что все составы из подготовленной линейки образцов монофазны и имеют структуру шпинели. Также исследовано влияние кобальта на параметры кристаллической решетки образцов, которые имеют величину от 8,3743 Å до 8,4085 Å. На гелиевых пикнометрах AccuPyc 1340, Micromeritics проведено исследование плотности образцов. Используя данные о плотности образцов на пикнометре и рассчитанную рентгеновскую плотность, была вычислена пористость материала. Установлено, что по мере увеличения степени замещения кобальта х от 0 до 0,6 наблюдается увеличение кажущейся плотности образцов и уменьшение пористости.
Похожие статьи в разделе Специальные определители состава, производства, получения и анализа вещества
Короткий адрес: https://sciup.org/147233950
IDS: 147233950 | УДК: 54.057 | DOI: 10.14529/met200205
Study of the influence of cobalt substitution on the nickel-zinc ferrite
Ferrous The paper presents the results of obtaining and studying the structure and properties of cobalt doped nickel-zinc ferrites with the general formula Ni0.3Zn0.7-xCoxFe2O4 (when x is 0, 0.2; 0.4; 0.6). Samples were obtained by solid-phase method in a tubular furnace with silicon carbide heaters at a temperature of 1150 °C. The morphology and chemical composition were studied on a JEOL JSM 7001F scanning electron microscope with an Oxford Instruments energy dispersive analyzer (Inca X - max 80). The phase composition was studied using a Rigaku Ultima IV powder diffractometer. The data obtained suggest that all compositions from the prepared line of samples are monophasic and have a spinel structure. The effect of cobalt on the crystal lattice parameters of samples, which have a value from 8.3743 Å to 8.4085 Å, was also studied. A helium pycnometer - AccuPyc 1340 Micromeritics was used to study sample density. Comparing the obtained data on the density of the samples on the pycnometer and the calculated X-ray density, the porosity of the material was calculated. It was found that as the degree of substitution of cobalt x increases from 0 to 0.6, an increase in the apparent density of the samples and a decrease in porosity are observed.
Текст научной статьи Изучение влияния замещения кобальтом на структуру никель-цинкового феррита
В настоящее время электромагнитные волны являются жизненно необходимыми носителями информации. Они оказывают значительное влияние на повседневную жизнь человечества. Широкое применение электромагнитных волн неизбежно генерирует электромагнитное излучение, которое нарушает работу электронных устройств и коммуникационного оборудования, а также наносит вред здоровью человека. Таким образом, актуальной является задача создания материалов, которые могут быть использованы для повышения электромагнитной помехоустойчивости аппаратных систем от внешних полей, а также для защиты биологических объектов [1, 2]. В качестве такого магнитного материала выбран Ni–Zn феррит со структурой шпинели, с общей формулой Ni x Zn 1–x Fe 2 O 4 .
Никель-цинковые ферриты получили значительное внимание исследователей благодаря своим магнитным свойствам, низким зна-ченииям коэрцитивной силы, незначительным потерям на вихревые токи, высокой механической твердости, большой магнитной проницаемости, высокой рабочей частоте и чрезвычайно высокому удельному электрическому сопротивлению [3]. Ni–Zn ферриты имеют множество потенциальных применений, такие как устройства повышенной плотности информации, устройства хранения, СВЧ-приборы, трансформаторы, магнитные жидкости и др. [4].
Известно, что физические свойства ферритов напрямую зависят от метода получения материала, а также входящих в состав легирующих элементов. От выбора подходящего процесса синтеза зависит результат получения ферритов с необходимыми свойствами. На сегодняшний день известны различные способы получения ферритов. К ним относятся методы: золь-гель, твердофазный синтез, гидротермальный, соосаждение, сонохимических реакций и т. д. [5–9]. В случаях, когда необходимо улучшить какие-либо свойства никель- цинковых ферритов, вводят малые добавки некоторых оксидов, наиболее часто применяют оксид кобальта CoO. В работе представлены результаты замещения части ионов цинка ионами кобальта, при постоянном содержании цинка. Анализируя литературные данные, установили, что кобальт значительно влияет на свойства Ni–Zn ферритов. В данной работе представлены результаты замещения части ионов цинка ионами кобальта при заданном содержании цинка.
Экспериментальная часть
Для подготовки образцов исходные компоненты шихты: оксид никеля (NiO), оксид цинка (ZnO), оксид кобальта (СoO) и оксид железа (Fe 2 O 3 ) были смешаны в стехиометрическом соотношении. Данные об исходном составе представлены в табл. 1. После стадии гомогенизации (тщательное перемешивание составов в шаровой мельнице) и компактиро-вания на гидравлическом прессе, были получены образцы в виде таблеток, которые в дальнейшем спекали в трубчатой печи с карбидкремниевыми нагревателями в течение 5 часов при температуре 1150 °C. На основе литературных данных был выявлен интервал температуры спекания Ni–Zn–Co феррита [10–14], и посредством эмпирического подхода была выбрана температура спекания, для исследуемой серии образцов. В качестве базового состава был выбран Ni 0,3 Zn 0,7 Fe 2 O 4 , такое исходное соотношение Ni и Zn перспективно с точки зрения магнитных свойств.
Исследование микроструктуры и количественного анализа образцов выполнили на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM 7001F с энергодисперсионным анализатором (Oxford Instruments). Исследование морфологии показало, что все образцы имеют кубическую структуру. При изучении химического состава были получены данные, представленные в табл. 2.
Фазовый состав был исследован на порошковом дифрактометре Rigаku Ultimа IV. Съемка была проведена в диапазоне углов 2θ от 15° до 65° со скоростью съемки 2°/мин. В исследовании применяли излучение медной трубки CuKα (λ = 1,541 Å) при ускоряющем напряжении 40 кВ. Дифрактограммы исследуемых образцов представлены на рис. 1, на котором видно, что в состав каждого из образцов входит только одна фаза. Фазовому составу исследуемых образцов соответствует дифрактограмма CoFe 2 O 4 [15].
Рентгенофазовый анализ позволяет определить величину параметров кристаллической решетки, которые представлены в табл. 3.
Соответствующие зависимости параметра и объема кристаллической решетки от степени замещения Co представлены на рис. 2.
В целом наблюдается тенденция, в которой по мере увеличения содержания кобальта параметры решетки уменьшаются. Это связано с различием ионного радиуса цинка и кобальта, r (Zn2+) = 0,74 Å и r (Co2+) = 0,58 Å [16].
Таблица 1
Исходный состав образцов
|
№ |
Брутто формула |
Масс. % |
|||
|
NiO |
ZnO |
CoO |
Fe 2 O 3 |
||
|
1 |
Ni 0,3 Zn 0,7 Fe 2 O 4 |
0,0937 |
0,2383 |
0 |
0,6680 |
|
2 |
Ni 0,3 Zn 0,5 Co 0,2 Fe 2 O 4 |
0,0942 |
0,1711 |
0,0630 |
0,6716 |
|
3 |
Ni 0,3 Zn 0,3 Co 0,4 Fe 2 O 4 |
0,0948 |
0,1032 |
0,1267 |
0,6753 |
|
4 |
Ni 0,3 Zn 0,1 Co 0,6 Fe 2 O 4 |
0,0953 |
0,0346 |
0,1912 |
0,6790 |
Таблица 2
Усредненный химический состав образцов Ni–Zn–Co феррита
|
Номер образца |
Химический состав, ат. % |
Рассчитанная формула |
||||
|
O |
Fe |
Co |
Ni |
Zn |
||
|
1 |
47,36 |
36,56 |
0 |
4,79 |
11,29 |
Ni 0,30 Zn 0,70 Fe 2 O 4 |
|
2 |
45,01 |
38,40 |
3,98 |
4,77 |
7,84 |
Ni 0,29 Zn 0,58 Co 0,24 Fe 2 O 4 |
|
3 |
44,90 |
37,81 |
7,75 |
4,92 |
4,64 |
Ni 0,28 Zn 0,27 Co 0,45 Fe 2 O 4 |
|
4 |
43,99 |
37,89 |
11,67 |
4,89 |
1,56 |
Ni 0,27 Zn 0,09 Co 0,64 Fe 2 O 4 |
Таблица 3
|
Номер образца |
Брутто формула |
a, Å |
V, Å3 |
|
1 |
Ni 0,30 Zn 0,70 Fe 2 O 4 |
8,4085(6) |
594,51(7) |
|
2 |
Ni 0,29 Zn 0,58 Co 0,24 Fe 2 O 4 |
8,3994(9) |
592,57(11) |
|
3 |
Ni 0,28 Zn 0,27 Co 0,45 Fe 2 O 4 |
8,3876(3) |
590,07(4) |
|
4 |
Ni 0,27 Zn 0,09 Co 0,64 Fe 2 O 4 |
8,3743(7) |
587,27(9) |
Параметры решетки образов Ni–Zn–Co феррита
2 Тета, град.
Рис. 1. Дифрактограммы образцов: где 1 – Ni 0,3 Zn 0,7 Fe 2 O 4 , 2 – Ni 0,29 Zn 0,58 Co 0,24 Fe 2 O 4 , 3 – Ni 0,28 Zn 0,27 Co 0,45 Fe 2 O 4 , 4 – Ni0,27Zn0,09Co0,64Fe2O4
Рис. 2. Зависимость параметра a и объема V кристаллической кубической решетки от степени замещения кобальта x(Co)
Ферриты, полученные методом твердофазного синтеза, по своей структуре можно отнести к дисперсным системам, состоящим как минимум из двух фаз: ферритовой фазы, образующей сплошную среду, и раздробленной газообразной или дисперсной фазы, представленной порами. На основе анализа ранее проведенных исследований выяснилось, что механические и электромагнитные свойства зависят от плотности (пористости) и параметров микроструктуры. В табл. 4 представлены результаты исследования плотности образцов. Кажущаяся плотность ρ была исследована на гелиевом пикнометре AccuPyc 1340, Micromeritics. Рентгеновская плотность была рассчитана по формуле:
ρ X = 8M/Na3, (1) где M – молекулярная масса, N – постоянная Авогадро, a – параметр решетки. Величина пористости представляет собой соотношение:
P = (1–(ρ/ρ X ))∙100%. (2)
Видно, что по мере увеличения степени замещения кобальтом плотность образцов увеличивается, а пористость соответственно уменьшается (рис. 3).
Заключение
Методом твердофазного синтеза были получены монофазные образцы никельцинкового феррита, частично замещенные кобальтом. Стадия ферритизации прошла при температуре спекания T = 1150 °C в трубчатой печи. Исследована морфология, химический и фазовый составы. Проведено исследование плотности (пористости) образцов. Плотность была определена на гелиевом пикнометре AccuPyc 1340, вследствие была рассчитана пористость образцов. Удалось синтезировать материал с низким уровнем пористости (не более 2 %). Зависимость показала, что по мере увеличения содержания кобальта в образцах, пористость уменьшается.
Таблица 4
Плотность и пористость образцов
|
Образец Свойства |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
ρ, г/см3 |
5,232 |
5,230 |
5,231 |
5,254 |
|
ρ X , г/см3 |
5,342 |
5,326 |
5,320 |
5,319 |
|
P, % |
2,063 |
1,801 |
1,677 |
1,222 |
2,2 “I
-
1,2 - ■
"H—1—।—1—।—1—।—1—।—1—।—1—।—1—।
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
x(Co)
Рис. 3. Зависимость пористости от степени замещения кобальтом
2,0 -
Список литературы Изучение влияния замещения кобальтом на структуру никель-цинкового феррита
- Celozzi S., Araneo R., Lovat G. Electromagnetic Shielding, New Jersey, 2008, pp. 21-38.
- Neues S.F., van den Berg M.W.E., Grunert W., Khodeir L. Journal of the American Chemical Society, 2005, v. 127, pp. 12028-12034.
- Sharma S., Verma K., Chaubey U. et al. Influence of Zn substitution on structural, microstructural and dielectric properties of nanocrystalline nickel ferrites. Mat. Sci. Eng. B-Adv.,2010, v. 167, pp. 187-192.
- Virden A.E., O'Grady K. Structure and Magnetic Properties of Ni-Zn Ferrite Nanoparti-cles. J. Magn. Magn. Mater, 2005, 290, pp. 868870. OI: 10.1016/j.jmmm.2004.11.398
- Sugimoto T., Shimotsuma Y., Itoh H. Synthesis of uniform cobalt ferrite particles from a highly condensed suspension of b-FeOOH and b-Co(OH)2 particles Powder Technol, 1998, v. 96, pp. 85-89.
- Pannaparayil T., Marande R., Koma-rneni S. Magnetic properties of high-density Mn-Zn ferrites. J. Appl. Phys, 1991, 69, p. 5349. DOI: 10.1063/1.351405
- Perez J.A.L., Quintela M.A.L., J. Mira et al. Advances in the preparation of magnetic nanoparticles by the microemulsion method. Phys. Chem. B, 1997, 101, p. 8045. DOI: 10.1021/jp972046t
- Shafi K.V.P.M., Gedanken A., Prozorov R. et al. Sonochemical preparation and size-dependent properties of nanostructured CoFe2O4 particles. Chem. Mater, 1998, v. 10, p. 3445. DOI: 10.1021/cm980182k
- Fatemi, D.J., Harris V.G., Browning V.M. et al. Processing and cation redistribution of MnZn ferrites via high-energy ball milling. J. Appl. Phys, 1998, v. 83, p. 6867. DOI: 10.1063/1.367766.
- Ghodakea J.S., Kambaleb R.C., Salvic S.V. et al. Electric properties of Co substituted Ni-Zn ferrites. J. Alloy Compd, 2009, v. 486, pp. 830-834. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.07.075
- Ghodakea J.S., Shinde T.J., Patil R.P. et al. Initial permeability of Zn-Ni-Co ferrite. J. Magn. Magn. Mater, 2015, v. 378, pp. 436439. OI: 10.1016/j.jmmm.2014.11.041
- Ramesh S., Dhanalakshmi B., Chandra Sekha B. et al. Effect of Mn. Co substitutions on the resistivity and dielectric properties of nickel-zinc ferrites. Ceram. Int, 2016, v. 42, pp. 95919598. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.043
- Ghodake J.S., Kambale C., Shinde T.J. et al. Magnetic and microwave absorbing properties of Co2+ substituted nickel-zinc ferrites with the emphasis on initial permeability studies. J. Magn. Magn. Mater, 2016, v. 401, pp. 938942. OI: 10.1016/j.jmmm.2015.11.009
- Knyazev A.V., Zakharchuk I., Lâh-deranta E. et al. Structural and magnetic properties of Ni-Zn and Ni-Zn-Co ferrites. J. Magn. Magn. Mater, 2017, v. 435, pp. 9-14. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.03.074
- Shin H.S., Lee J.H., Kwon S.-J. Yoop Hakhoechi, 1994, v. 31, p. 62.
- Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Scta Cryst, 1976,pp.751-767.
