Изучение вольт-омических характеристик композитов на основе гексаферрита бария

Автор: Стариков Андрей Юрьевич, Живулин Владимир Евгеньевич, Прокудин Александр Владимирович, Сандер Елена Евгеньевна, Шерстюк Дарья Петровна, Винник Денис Александрович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy

Рубрика: Физическая химия и физика металлургических систем

Статья в выпуске: 1 т.19, 2019 года.

Бесплатный доступ

К настоящему времени задача создания новых, ранее неизвестных материалов, которые будут обладать востребованными на практике характеристиками, остается актуальной. В данной статье представлены результаты исследования магнитных материалов, которые пользуются большим спросом в современных технологиях. Одна из важных характеристик магнитных материалов - электрическое сопротивление. Так как удельное электрическое сопротивление магнитных материалов, главным образом, зависит от их химического состава, структуры и способа получения, цель представленного исследования состоит в том, чтобы создать и исследовать концентрационный ряд композитов, отобрать предпочтительные составы материалов на основе гексаферрита бария для дальнейшего изучения. В данной работе представлены результаты получения и исследования композиционных материалов на основе гексаферрита бария BaFe12O19, который известен разнообразием своих функциональных характеристик. Важная среди них - высокое значение удельного электрического сопротивления. Для исследования свойств таких материалов была подготовлена серия образцов, полученных методом двухстадийного твердофазного синтеза гексаферрита бария с добавлением оксида алюминия Al2O3 и оксида бора B2O3. Первая стадия - синтез гексаферрита бария BaFe12O19 из карбоната бария BaCO3 и оксида железа Fe2O3 (гомогенизация, компактирование, спекание, измельчение, классификация порошка). Вторая стадия - получение композиционных материалов из порошков гексаферрита бария BaFe12O19, оксидов бора B2O3 или алюминия Al2O3 (гомогенизация, компактирование, спекание). Добавление оксидов алюминия Al2O3 и бора B2O3, по мнению авторов, способно обеспечить варьирование в широких пределах свойств композита за счет разницы магнитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости его компонентов. Для измерения электрического сопротивления синтезированных образцов использовали устройство MIC-2500 в диапазоне напряжений постоянного тока 50-2500 В. В работе построены зависимости удельного сопротивления от концентрации оксидов. Определены оптимальные составы с лучшими значениями удельного сопротивления для исследуемых композитов.

Еще

Феррит бария, магнитные материалы, композиционные материалы, сопротивление

Короткий адрес: https://sciup.org/147232524

IDR: 147232524 | DOI: 10.14529/met190103

Текст научной статьи Изучение вольт-омических характеристик композитов на основе гексаферрита бария

Актуальной проблемой современной химии твердого тела является создание новых материалов. Один из методов получения материалов с уникальными свойствами – изменение химического состава и/или структуры [1].

Особое внимания исследователи уделяют задаче получения новых материалов для использования в излучателях и поглотителях электромагнитного излучения, которые находят применение для защиты биологических объектов, магнитах, элементах памяти, компонентах электроники, элементах микродвигателей, изготовлении магнитных композитов с регулируемым набором свойств (например, эластомеры) [2, 3].

Среди магнитных материалов особое место занимают гексагональные ферриты М-типа. В частности, гексаферрит бария и его производные привлекают внимание многих исследователей своими универсальными свойствами, такими как анизотропия свойств, высокая коэрцитивная сила, высокая частота ферромагнитного резонанса, низкие потери на вихревые токи, высокая температура Кюри, высокая химическая стабильность, устойчивость к коррозии и т. д. [4]. Функциональные характеристики ферритов традиционно модифицируют путем легирования, что позволяет, в частности, регулировать их электропроводность и потери на вихревые токи, а также создает необходимую микроструктуру [5].

Из-за постоянно растущего спроса на материалы, обладающие поглощающей способностью, предпринимались попытки модифицировать функциональные свойства гексаферритов бария путем замещения ионов железа как магнитными, так и немагнитными катионами. Кроме того, изменение свойств зависит также от способа получения и условий обработки материалов [6–8]. Замещение ионов Fe³⁺ приводит к изменению магнитных свойств гексаферрита бария, например, намагниченности насыщения, коэрцитивной силы и анизотропии. Магнитные свойства также могут быть изменены путем изменения микроструктуры. Известно, что легирование BaFe 12 O 19 ионами Zn–Zr, Co–Ti, La–Pr, Co, Ni–Zr, Co–Zr, Zn–Ti и Mg–Ti приводит к изменению их электрических и магнитных свойств [9–14].

В представленной работе приведены результаты создания и исследования композитов на основе ферритов, что, по мнению авторов, способно в более широких пределах модифицировать свойства материала.

Экспериментальная часть

Для создания композитов шихту готовили методом двухстадийного твердофазного синтеза. Первая стадия – синтез гексаферрита бария BaFe 12 O 19 из BaCO 3 и Fe 2 O 3 (гомогенизация, компактирование, спекание при 1350 °С [15], измельчение, классификация порошка). Вторая стадия – получение композиционных материалов из порошка гексаферрита бария BaFe 12 O 19 , оксидов бора B 2 O 3 или алюминия Al 2 O 3 , смешанных в соотношениях, приведенных в табл. 1 (гомогенизация, компактирова-ние, спекание при Т = 500 °С и Т = 1400 °С для BaFe 12 O 19 –B 2 O 3 и BaFe 12 O 19 –Al 2 O 3 соответственно).

Для определения функциональных характеристик полученных композитов проводили измерение электрического сопротивления при различных напряжениях постоянного тока (вольт-омические характеристики) прибором MIC-2500 (измеритель сопротивления, увлажненности и степени старения электроизоляции). Данные измерений приведены в табл. 1. Условия проведения измерений в помещении: температура T = 17,8 °С и влажность воздуха 80 %.

Таблица 1

Результаты измерений сопротивления образцов

№	Образец	Сопротивление, МОм
№	Образец	50 В	100 В	500 В	1000 В	1500 В	2500 В^*
1 **	Эпоксидная смола + BaFe₁₂O₁₉	–	–	236 000	222 000	208 000	138 000/166 000/1,2
2	20 % Al 2 O 3 + 80 % BaFe 12 O 19	32,1	30,32	24,74	22,08	20,27	12,2/16,4/1,32
3	40 % Al 2 O 3 + 60 % BaFe 12 O 19	491	440,8	341,6	292,3	261,5	162,4/223,1/1,37
4	60 % Al 2 O 3 + 40 % BaFe 12 O 19	131,5	115,3	88,1	75,08	62,63	22,68/47,17/2,08
5	80 % Al 2 O 3 + 20 % BaFe 12 O 19	114,4	117,5	135,3	144,2	128,6	34,88/68,06/1,95
6	2 % B 2 O 3 + 98 % BaFe 12 O 19	44,25	38,75	21,52	13,28	9,14	9,97/3,07/0,3
7	4 % B 2 O 3 + 96 % BaFe 12 O 19	206	174,6	94,35	59,78	43,28	43,71/26,79/0,61
8	6 % B 2 O 3 + 94 % BaFe 12 O 19	484,3	403,1	184,4	103,6	68,84	54,52/38,29/0,7
9	8 % B 2 O 3 + 92 % BaFe 12 O 19	1735	1432	627,4	333,6	210	113,7/103,4/0,9
10	10 % B 2 O 3 + 90 % BaFe 12 O 19	6183	5098	2162	1090	658	336,6/302/0,89
11	12 % B 2 O 3 + 88 % BaFe 12 O 19	756,7	643,5	259,5	120	67,9	29,22/27,19/0,93
12	14 % B 2 O 3 + 86 % BaFe 12 O 19	725,4	632,7	301,3	159,2	98,15	46,26/44,71/0,96
13	16 % B 2 O 3 + 84 % BaFe 12 O 19	891,2	733,4	334,2	181,8	115,4	56,54/53,86/0,95
14	18 % B 2 O 3 + 82 % BaFe 12 O 19	28,17	22,32	9,306	4,744	2,734	–
15	20 % B 2 O 3 + 80 % BaFe 12 O 19	1545	1284	507,1	236,6	133,7	55,33/54,70/0,98
16	40 % B 2 O 3 + 60 % BaFe 12 O 19	–	134 600	18 820	7599	4189	2318/1569/0,67
17	60 % B 2 O 3 + 40 % BaFe 12 O 19	–	–	655 100	485 800	397 200	280 200/306 900/1,09

^* В данном столбце результаты представлены в виде R T 1 / R T 2 / Ab 1 , где R T 1 и R T 2 – значения сопротивления, полученные за время T 1 = 15 с и T 2 = 60 с с момента подачи напряжения на образец соответственно; Ab 1 – коэффициент абсорбции, характеризующий изменение сопротивления образца по времени ( Ab 1 = R T 2 / R T 1 ).

** Образец № 1 (эпоксидная смола + BaFe12O19) приведен для сравнения.

В та б л. 2 пре дста вле ны зна че ния уд е л ьн о г о соп р отивле ния компо з ит н ых м ате риа лов г е к с а фе ррит а ба рия с р азной концент ра цией а люмини я. Э к сп е рим е нт проводили в диа пазоне напряжений 50–2500 В.

Для на г ляднос т и на рис . 1 приведен а завис им ос ть удел ь ного со прот и в ления к омп озитов BaFe 12 O 19 с Al 2 O 3 от на пря жения.

Из графиков рис. 1 видно, что с увеличением напряжения значения удельного электросопротивления падают. Кроме того, сопротивление зависит от добавляемого количества Al 2 O 3 [16].

Результаты измерений второй серии композитов (BaFe 12 O 19 c B 2 O 3 ) представлены в табл. 3.

Таблица 2

№	Образец	D , мм	h , мм	Удельное сопротивление, МОм∙м
№	Образец	D , мм	h , мм	50 В	100 В	500 В	1000 В	1500 В	2500 В
2	20 % Al 2 O 3 + 80 % BaFe 12 O 1 9	20	5,15	1,957	1,849	1,508	1,346	1,236	0,744
3	40 % Al 2 O 3 + 60 % BaFe 12 O 1 9	20	6,15	25,069	22,506	17,441	14,924	13,351	8,292
4	60 % Al 2 O 3 + 40 % BaFe 12 O 1 9	20	7,00	5,899	5,172	3,952	3,368	2,809	1,017
5	80 % Al 2 O 3 + 20 % BaFe 12 O 1 9	20	8,60	4,177	4,290	4,940	5,265	4,695	1,274

Значения удельного сопротивления композитов оксида алюминия с гексаферритом бария при разном напряжении

Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления композитов оксида алюминия с гексаферритом бария от напряжения: 2 – 20 % Al 2 O 3 + 80 % BaFe 12 O 19 ; 3 – 40 % Al 2 O 3 + 60 % BaFe 12 O 19 ; 4 – 60 % Al 2 O 3 + 40 % BaFe 12 O 19 ; 5 – 80 % Al 2 O 3 + 20 % BaFe 12 O 19

Таблица 3

№	Образец	D , м м	h, мм	Удельное сопротивление, МОм∙м
№	Образец	D , м м	h, мм	50 В	100 В	500 В	1000 В	1500 В	2500 В
6	2 % B 2 O 3 + 98 % BaFe 12 O 19	20	4,40	3,158	2,765	1,536	0,948	0,652	0,711
7	4 % B 2 O 3 + 96 % BaFe 12 O 19	20	4,95	13,067	11,076	5,985	3,792	2,745	2,773
8	6 % B 2 O 3 + 94 % BaFe 12 O 19	20	4,95	30,721	25,570	11,697	6,572	4,367	3,458
9	8 % B 2 O 3 + 92 % BaFe 12 O 19	20	4,65	117,159	96,698	42,366	22,527	14,181	7,678
10	10 % B 2 O 3 + 90 % BaFe 12 O 19	20	5,00	388,292	320,154	135,774	68,452	41,322	21,138
11	12 % B 2 O 3 + 88 % BaFe 12 O 19	20	4,50	52,801	44,902	18,107	8,373	4,738	2,039
12	14 % B 2 O 3 + 86 % BaFe 12 O 19	20	6,10	37,340	32,568	15,510	8,195	5,052	2,381
13	16 % B 2 O 3 + 84 % BaFe 12 O 19	20	5,00	55,967	46,058	20,988	11,417	7,247	3,551
14	18 % B 2 O 3 + 82 % BaFe 12 O 19	20	5,10	1,734	1,374	0,573	0,292	0,168	–
15	20 % B 2 O 3 + 80 % BaFe 12 O 19	20	5,80	83,643	69,513	27,453	12,809	7,238	2,995
16	40 % B 2 O 3 + 60 % BaFe 12 O 19	20	6,90	–	6125,275	856,446	345,810	190,630	105,486
17	60 % B 2 O 3 + 40 % BaFe 12 O 19	20	8,70	–	–	23 643,839	17 533,47 1	14 335,724	10 112,966

Значения удельного сопротивления композитов оксида бора с гексаферритом бария при разном напряжении

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления от концентрации Al 2 O 3 (масс. %) в композите BaFe 12 O 19 –Al 2 O 3

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Концентрация В2О3, %

Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления от концентрации B 2 O 3 (масс. %) в композите BaFe 12 O 19 –B 2 O 3

В ли яни е к он це нтра ци и оксида а л юм ини я или ок с ида бора н а ве л ич ину удель н ого с опротивления представлены на рис. 2 и 3 соо тветственно.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что с точки зрения достижения максимального значения удельного сопротивления оптимальными составами данных композитов в некотором диапазоне являются: образцы № 3 (40 % Al2O3 + 60 % BaFe12O19) в диапазоне концентраций Al2O3 от 20 до 80 % и № 10 (10 % B2O3 + 90 % BaFe12O19) в диапазоне концентраций B2O3 от 2 до 20 %. Компо- зиты № 16 (40 % B2O3 + 60 % BaFe12O19) и № 17 (60 % B2O3 + 40 % BaFe12O19) не отражены на графике исходя из сверхвысоких значений удельного сопротивления, но являются наилучшими из всей линейки образцов BaFe12O19–B2O3.

Заключение

В ходе эксперимента апробирована методика получения композитов на основе гексаферрита бария BaFe12O19 с добавлением оксидов алюминия Al2O3 и бора B2O3. Измерено сопротивление образцов при различных на- пряжениях постоянного тока прибором MIC-2500, построены зависимости удельного сопротивления от концентрации оксидов. Определены оптимальные составы с лучшими значениями удельного сопротивления для исследуемых композитов.

Список литературы Изучение вольт-омических характеристик композитов на основе гексаферрита бария

Паньков, В.В. Физико-химические процессы синтеза многокомпонентных оксидов для создания новых функциональных магнитных и проводящих материалов / В.В. Паньков // Вестник БГУ. Серия 2: Химия. Биология. География. - 2011. - № 3. - С. 30-34.
Qiu, J. Crystal structure and magnetic properties of barium ferrite synthesized using GSPC and HEBM / J. Qiu, M. Gu // Journal of Alloys and Copounds. - 2005. - Vol. 415. - P. 209-212. DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.03.125
Effect of stoichiometry on the phase formation and magnetic properties BaFe12O19 nanoparticles by reverse micelletecnique / P. Xu, X. Han, H. Zhao et al. // Materials Letters. - 2008. - Vol. 62, iss. 8-9. - P. 1305-1308. DOI: 10.1016/j.matlet.2007.08.039
Ozgur, U. Microwave ferrites, part 1: fundamental properties / U. Ozgur, Y. Alivov, H. Morkoc // J. Mater. Sci. Mater. Electron. - 2009. - Vol. 20, iss. 9. - P. 789-834. DOI: 10.1007/s10854-009-9923-2
The influence of the microstructure parameters on the magnetic losses in soft magnetic ferrites for television engineering / A. Gonchar, S. Katynkina, L. Letyuk, I. Ryabov // J. Magn. Magn. Mater. - 2000. - Vol. 215-216. - P. 224-226. DOI: 10.1016/S0304-8853(00)00122-0
Townes, W.D. The Crystal Structure and Refinement of Ferromagnetic Barium Ferrite, BaFe12O19 / W.D. Townes, J.H. Fang, A.J. Perrotta // Zeitschrift fur Kristallographie. - 1967. - Vol. 125. - P. 437-449.
DOI: 10.1524/zkri.1967.125.125.437
Rashad, M.M. Improvement of the magnetic properties of barium hexaferrite nanopowders using modified co-precipitation method / M.M. Rashad, I.A. Ibrahim // J. Magn. Magn. Mater. -2011. - Vol. 323, iss. 16. - P. 2158-2164.
DOI: 10.1016/j.jmmm.2011.03.023
Teh, G.B. Effect of annealing temperature on the structural, photoluminescence and magnetic properties of sol-gel derived Magnetoplumbite-type (M-type) hexagonal strontium ferrite / G.B. Teh, Y.C. Wong, R.D. Tilley // J. Magn. Magn. Mater. - 2011. - Vol. 323, iss. 17. - P. 2318-2322.
DOI: 10.1016/j.jmmm.2011.04.014
Site preference and magnetic properties for a perpendicular recording material: BaFe12-xZnx/2Zrx/2O19 nanoparticles / Z.W. Li, C.K. Ong, Z. Yang et. al. // Phy. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, no. 10. - P. 6530-6537.
DOI: 10.1103/PhysRevB.62.6530
Bsoul, I. Preparation of Nanocrystalline BaFe12-2xCoxTixO19 by Ball Milling Method and Their Magnetic Properties / J. Ibrahim Bsoul // J. J. Phys. - 2009. - Vol. 2, no. 2. - P. 95-102.
Suriya, O. Improving magnetic properties of barium hexaferrites by La or Pr substitution / O. Suriya // Solid State Commun. - 2006. - Vol. 138, iss. 9. - P. 472-475.
DOI: 10.1016/j.ssc.2006.03.020
Mallick, K.K. Magnetic properties of cobalt substituted M-type barium hexaferrite prepared by co-precipitation / K.K. Mallick, P. Shepherd, R.J. Green // J. Magn. Magn. Mater. - 2007. - Vol. 312, iss. 2. - P. 418-429.
DOI: 10.1016/j.jmmm.2006.11.130
Magnetic properties of NiZr substituted barium ferrite / M.V. Rane, D. Bahadur, S.D. Kulkarni, S.K. Date. // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 195, iss. 2. - P. L256-L260.
DOI: 10.1016/S0304-8853(99)00041-4
Shams, M.H. Electromagnetic wave absorption characteristics of Mg-Ti substituted Ba-hexaferrite / M.H. Shams, S.M.A. Salehi, A. Ghasemi // Mater. Lett. - 2008. - Vol. 62, iss. 10-11. - P. 1731-1733.
DOI: 10.1016/j.matlet.2007.09.073
Винник, Д.А. Твердофазный синтез частично замещенного титаном гексаферрита бария BaFe12-xTixO19 / Д.А. Винник, Д.С. Клыгач, А.С. Чернуха и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2017. - Т. 17, № 3. - С. 28-33.
DOI: 10.14529/met170304
Влияние базового состава и легирующих добавок на свойства гексаферритов / В.Г. Костишин, В.Г. Андреев, Д.Н. Читанов и др. // Журнал неорганической химии. - 2016. - Т. 61, № 3. - С. 294-299.
DOI: 10.7868/S0044457X16030119

Еще

Статья научная