Технология получения Ni-Zn-Co ферритов со структурой шпинели
Автор: Шерстюк Дарья Петровна, Стариков Андрей Юрьевич, Живулин Владимир Евгеньевич, Жеребцов Дмитрий Анатольевич, Винник Денис Александрович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Металловедение и термическая обработка
Статья в выпуске: 1 т.21, 2021 года.
Бесплатный доступ
Создание новых функциональных оксидных материалов на сегодняшний день является актуальной задачей современной науки. Анализ научной литературы показал, что интересным функциональным оксидным материалом для применения в электронике является класс ферритов, имеющих структуру шпинели A(1-x-y)BxCyFe2O4, где в качестве компонент A, B и С могут выступать такие элементы как Ni, Zn, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Al, Nd и др. Варьирование концентрации каждого из элементов A, B и С такой системы приведет к изменению ее физико-химических свойств. Таким образом, мы можем получить материал, состоящий из одних и тех же элементов различной концентрации, свойствами которого можно плавно управлять в широком интервале значений. Целью настоящей работы является определение комплекса физико-химических параметров синтеза ферритов с общей формулой Co0,3Ni0,7-xZnxFe2O4, где x принимает значения от 0 до 0,7 с шагом 0,1, а также характеризация их структурных свойств. В качестве метода синтеза Ni-Zn-Co феррита был выбран способ твердофазной реакции. Спекание исследуемых образцов производили при температуре 1150 °C в течение 5 часов. Рентгенофазовый анализ показал, что все полученные образцы являются монофазными и имеют структуру шпинели. Рентгеноструктурный анализ выявил, что замещение атомов цинка на атомы никеля приводит к монотонному увеличению параметров (a и V) элементарной кристаллической решетки. Контроль элементного состава синтезированных образцов осуществляли при помощи энергодисперсионного анализатора, установленного на электронном сканирующем микроскопе Jeol JSM 7001F.
Никель-цинк-кобальтовый феррит, Ni-Zn-Co феррит, оксидные материалы, РЭМ, РФА, плотность
Короткий адрес: https://sciup.org/147233974
IDR: 147233974 | DOI: 10.14529/met210104
Текст научной статьи Технология получения Ni-Zn-Co ферритов со структурой шпинели
Ферриты являются важным классом магнитных материалов, имеющих широкой спектр технического применения. Такие материалы используют в магнитных сердечниках для высокочастотных трансформаторов, а также во многих компонентах высокочастотной электроники. Достоинствами ферритов, выгодно отличающихся от других материалов, являются магнитостойкость и дешевизна производства [1–3].
Исследуемые ферриты имеют высокое удельное электросопротивление, низкие потери на вихревые токи, высокую магнитную проницаемость, относительно высокую температуру Кюри и высокое значение намагниченности насыщения [4, 5].
Никель-цинковые ферриты нашли давно свое применение в производстве. Сейчас же стоит задача получения новых материалов со
структурой шпинели с превосходящими показателями свойств. Для этого исследователи путем модифицирования структуры легирующими элементами добиваются определенных изменений тех или иных свойств. Наиболее часто для доппирования исходной матрицы в научной литературе используют элементы: Al [6, 7], Cu [8, 9], Mn [10, 11], Co [12–14] и др.
Количество публикаций по изучению ферритов различного химического состава, имеющих структуру шпинели, с каждым годом монотонно возрастает. Так, например, авторам публикации [12] удалось получить моно-фазный образец никель-цинк-кобальтового феррита Ni 0,3 Zn 0,4 Co 0,3 Fe 2 O 4 методом соосаж-дения. Изменяя температуру отжига, авторам удалось регулировать размер частиц. Авторы работы установили, что при увеличении концентрации Co анизотропия увеличивается.
Таблица 1
Результаты расчета массового процента компонентов исходной шихты
|
№ |
Образец |
Масс. % |
|||
|
NiO |
ZnO |
CoO |
Fe 2 O 3 |
||
|
1 |
Co 0,3 Ni 0,7 Fe 2 O 4 |
22,30 |
– |
9,59 |
68,11 |
|
2 |
Co 0,3 Ni 0,6 Zn 0,1 Fe 2 O 4 |
19,06 |
3,46 |
9,56 |
67,92 |
|
3 |
Co 0,3 Ni 0,5 Zn 0,2 Fe 2 O 4 |
15,84 |
6,90 |
9,53 |
67,72 |
|
4 |
Co 0,3 Ni 0,4 Zn 0,3 Fe 2 O 4 |
12,64 |
10,32 |
9,51 |
67,53 |
|
5 |
Co 0,3 Ni 0,3 Zn 0,4 Fe 2 O 4 |
9,45 |
13,73 |
9,48 |
67,34 |
|
6 |
Co 0,3 Ni 0,2 Zn 0,5 Fe 2 O 4 |
6,28 |
17,11 |
9,45 |
67,15 |
|
7 |
Co 0,3 Ni 0,1 Zn 0,6 Fe 2 O 4 |
3,13 |
20,48 |
9,43 |
66,97 |
|
8 |
Co 0,3 Zn 0,7 Fe 2 O 4 |
– |
23,82 |
9,4 |
66,78 |
Таблица 2
Усредненный химический состав по трем спектрам
|
№ |
Хим. состав, ат. % |
Фактическая формула |
||||
|
O |
Fe |
Co |
Ni |
Zn |
||
|
1 |
45,36 |
37,89 |
5,74 |
11,02 |
– |
Co 0,34 Ni 0,66 Fe 2 O 4 |
|
2 |
45,23 |
38,27 |
5,71 |
9,23 |
1,56 |
Co 0,35 Ni 0,56 Zn 0,09 Fe 2 O 4 |
|
3 |
45,23 |
38,15 |
5,83 |
7,74 |
3,04 |
Co 0,35 Ni 0,47 Zn 0,18 Fe 2 O 4 |
|
4 |
45,28 |
38,15 |
5,78 |
6,18 |
4,61 |
Co 0,35 Ni 0,37 Zn 0,28 Fe 2 O 4 |
|
5 |
45,70 |
37,73 |
5,61 |
4,81 |
6,14 |
Co 0,34 Ni 0,29 Zn 0,37 Fe 2 O 4 |
|
6 |
45,23 |
37,90 |
5,80 |
3,37 |
7,71 |
Co 0,34 Ni 0,20 Zn 0,46 Fe 2 O 4 |
|
7 |
46,20 |
36,96 |
5,61 |
1,86 |
9,37 |
Co 0,33 Ni 0,11 Zn 0,56 Fe 2 O 4 |
|
8 |
45,52 |
37,49 |
5,80 |
– |
11,19 |
Co 0,34 Zn 0,66 Fe 2 O 4 |
Рис. 1. Спектры рентгеновской дифракции образцов Co 0,3 Ni 0,7– x Zn x Fe 2 O 4 .
Цифрами 1–8 обозначены рентгенограммы образцов со степенями замещения x = 0…0,7 соответственно
Рис. 2. Зависимость a , V от степени замещения цинком
5,36
^ 5,35
н U н 5,34
о
|=: с
к в 5,33
СО О Я ID
К 5,32 и рц
5,31
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
x(Zn)
Рис. 3. Зависимость плотности образца от степени замещения цинком
Из рис. 2 видно, что при увеличении степени замещения цинка в интервале 0–0,7 происходит искажение кристаллической решетки, в результате которого наблюдается увеличение параметра a и V ячейки. Изменение параметров элементарной ячейки при увеличении степени замещения Zn происходит из-за различия ионных радиусов замещаемого элемента никеля ( r (Ni) = 0,49 Å [17]) и замещающего элемента цинка ( r (Zn) = 0,6 Å [17]).
На рис. 3 представлена зависимость рентгеновской плотности на основе определенных ранее параметров элементарной кристаллической решетки синтезированной керамики Co 0,3 Ni 0,7– x Zn x Fe 2 O 4 от степени замещения цинком. Из рис. 3 видно, что при увеличении степени замещения цинка происходит уменьшение плотности керамического образца. Вероятнее всего, это происходит в результате того, что размер кристаллитов в керамике различного состава отличается, что приводит к образованию микропор. Увеличение пористости образца приводит к уменьшению рентгеновской плотности.
Заключение
В результате проведенной работы были выявлены оптимальные физико-химические параметры для синтеза никель-цинк-кобальтовых ферритов с общей формулой Co 0,3 Ni 0,7– x Zn x Fe 2 O 4 ( x = 0…0,7). Оптимальная температура для протекания твердофазной реакции составляет 1150 °С в течение 5 часов. Для получения ферритов с заданными значениям необходимо проводить твердофазную реакцию с небольшим избытком оксида цинка, так как при высокой температуре он подвержен сильному испарению.
Установили, что частичное замещение атомов никеля на атомы цинка приводит к увеличению параметров кристаллической решетки от 8,3478(8) Å до 8,4210(4) Å, при этом происходит уменьшение рентгеновской плотности образцов керамики. По нашим предположениям, это связано с тем, что варьирование химического состава приводит к изменению размеров кристаллитов в керамике.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-70057.
Список литературы Технология получения Ni-Zn-Co ферритов со структурой шпинели
- Rady K.E., Elsad R.A. Improvement the physical properties of nanocrystalline Ni-Zn ferrite using the substitution by (Mg-Ti) ions. J. Magn. Magn. Mater., 2020, vol. 498, p. 166195. DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.166195
- Shanmugavel T., Gokul Raj S., Rajarajan G., Ramesh Kumar G. Tailoring the Structural and Magnetic Properties and of Nickel Ferrite by Auto Combustion Method. Procedia Mater. Sci., 2014, vol. 6, pp. 1725–1730. DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.158
- Verma R., Mazaleyrat F., Deshpande U.P. et al. Ni addition induced modification of structural, magnetic properties and bandgap of Ni-Zn nano ferrites. Materials Today: Proceedings, 2020. Article in press. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.489
- Wang H., Li J., Huo X. et al. Magnetic Ni-Zn spinel ferrite nanopowder from toxic Zn-bearing electric arc furnace dust: A promising treatment process. Minerals Engineering, 2020, vol. 157, p. 106540. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106540
- Hu J., Ma Y., Kan X. et al. Investigations of Co substitution on the structural and magnetic properties of Ni-Zn spinel ferrite. J. Magn. Magn. Mater., 2020, vol. 513, p. 167200. DOI: 10.1016/j.jmmm.2020.167200
- Prajyoti P. Gauns Dessai, Sher Singh Meena, V.M.S. Verenkar. Influence of addition of Al3+ on the structural and solid state properties of nanosized Ni-Zn ferrites synthesized using malic acid as a novel fuel. J. Alloys Compd., 2020, vol. 842, p. 155855. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155855
- Ega C.S., Babu B.R., Ramesh K.V. et al. Correlation Between Structural, Magnetic and Dielectric Properties of Microwave Sintered Ni-Zn-Al Nanoferrites. J. Supercond. Nov. Magn., 2020, vol. 32, pp. 3525–3534. DOI: 10.1007/s10948-019-5097-1
- Barba A., Clausell C., Jarque J.C. et al. Magnetic complex permeability (imaginary part) dependence on the microstructure of a Cu-doped Ni–Zn-polycrystalline sintered ferrite. Ceram. Int., 2020, vol. 45, pp. 14558–14566. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.02.255
- Kuru T.Ş., Kuru M. Structural, optical, and dielectric properties of Cu, Ni-doped Zn ferrites. J. Aust. Ceram. Soc., 2019, vol. 55, pp. 781–788. DOI: 10.1007/s41779-018-00290-7
- George L., Viji C., Maheen M. et al. Synthesis, characterization of Mg/Mn substituted Ni-Zn ferrites and mechanism of their visible light photo catalysis of Methylene Blue and Rhodamine B dyes under magnetic influence. Mater. Res. Express, 2019, vol. 7, p. 015014. DOI:10.1088/2053-1591/ab5d26
- Maria K.H., Akther U.S., Esha I.N. et al. Estimation of Structural, Electrical, and Magnetic Variations of Mn-Ni- Zn Ferrites by Substituting Rare Earth Y3+ for High-Frequency Applications. J. Supercond. Nov. Magn., 2020, vol. 33, pp. 2133–2142. DOI: 10.1007/s10948-020-05471-9
- Dalal M., Das A., Das D. et al. Studies of magnetic, Mössbauer spectroscopy, microwave absorption and hyperthermia behavior of Ni-Zn-Co-ferrite nanoparticles encapsulated in multiwalled carbon nanotubes. J. Magn. Magn. Mater., 2018, vol. 460, pp. 12–27. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.03.048
- B.B.V.S. Vara Prasad, K.V. Ramesh, Adiraj Srinivas. Physical, structural, morphological, magnetic and electrical properties of Co0.5–xNixZn0.5Fe2O4 nanocrystalline ferrites. Ceram. Int., 2019, vol. 45, pp. 4549–4563. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.11.141
- Omri A., Dhahri E., Costa B.F.O. Structural, electric and dielectric properties of Ni0.5Zn0.5FeCoO4 ferrite prepared by sol-gel. J. Magn. Magn. Mater., 2020, vol. 499, p. 166243. DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.166243
- Шерстюк Д.П., Стариков А.Ю., Живулин В.Е., Жеребцов Д.А., Михайлов Г.Г., Винник Д.А. Изучение влияния замещения кобальтом на стру-ктуру никель-цинкового феррита. Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2020. Т. 20, № 2. С. 51–56. [Sherstyuk D.P., Syarikov A.Y., Zhivulin V.E., Zherebtsov D.A., Mikhailov G.G., Vinnik D.A. Study of the Influence of Cobalt Substitution on the Nickel-Zinc Ferrite. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2020, vol. 20, no. 2, pp. 51–56. (in Russ.)] DOI: 10.14529/met200205
- Kedesky, Katz. Ceramic Age, 1953, vol. 62 (29), p. 62.
- Shannon R.D., Prewitt C.T. Effective Ionic Radii in Oxides and Fluorides. Acta Cryst. Sect. B, 1969, vol. 25, pp. 925–946.
