Твердофазный синтез частично замещенного титаном гексаферрита бария BaFe12-xTixO19

Благодаря своей кристаллической структуре гексаферрит бария выступает в качестве универсальной матрицы для создания материалов путем контролируемого замещения железа ионами других элементов с отличным магнитным моментом. Этот прием расширяет возможности для создания материалов с новыми заданными свойствами в современной технике и промышленности.

Применение полученного таким образом материала зависит от его свойств, которые обусловлены отличиями электронных структур и магнитных моментов замещающих элементов и Fe3+. Большинство публикуемых в настоящее время статей направлено на исследование влияния моно- и полиионного замещения на характеристики полученного материала [1–8].

Одно из перспективных направлений применения гексаферрита бария с модифицированной структурой – это его применение в качестве радиопоглощающего покрытия. Широкий круг статей описывает электромагнитные свойства, зависимость диэлектрической и магнитной проницаемости от частоты и магнитные свойства гексаферрита с применением различных допантов [9–15]. Значительное увеличение диэлектрической и магнитной проницаемости и их нелинейной зависимости от частоты объясняют увеличением ионной поляризации, возникающей при внедрении ионов другого материала в кристалл.

В ряде работ рассмотрены электромагнитные параметры – диэлектрическая и магнитная проницаемость, тангенс угла потерь, коэффициент отражения электромагнитных волн – частично замещенного титаном гексаферрита бария. При добавлении титана в кристалл BaFe 12- x Ti x O 19 и изменении степени замещения от 0 до 2 наблюдается минимум коэффициента отражения на частоте 15,7 ГГц, равный –43 дБ [16], что позволяет применять полученный материал в качестве радиопоглощающего покрытия.

Опубликовано лишь незначительное количество работ, в которых изучено влияние монозамещения ионами титана на свойства гексаферрита. Кроме того, достигнуты лишь невысокие уровни замещения. Как правило, титан применяют в совокупности с другими элементами, например, магнием [17].

В последнее время наблюдается значительный рост количества публикаций с результатами исследований гексагональных ферритов и твердых растворов на их основе в миллиметровых диапазонах частот. В работах [18–19] исследована частотная зависимость диэлектрической и магнитной проницаемости гексаферрита бария в миллиметровом диапазоне частот. В [20–23] представлены результаты исследования частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитных волн и магнитной проницаемости для порошков.

Экспериментальная часть

Исходные элементы шихты – порошки Fe 2 O 3 , BaCО 3 и TiO 2 смешивали в необходимых пропорциях и перетирали в течение 2 ч при помощи шаровой мельницы. Перемолотые до визуально однородной массы порошки прессовали в таблетки. Прессование производили при помощи металлической пресс-формы и гидравлического пресса. Внутренний диаметр пресс-формы составлял 28 мм, усилие прессования составляло 10 т.

Спекание производили при помощи труб- чатой печи с карбидкремниевыми нагревателями. Внутренний диаметр печи составлял 50 мм, длина изотермической зоны – 80 мм. Печь оборудована высокоточным регулятором температуры. Спекаемые образцы помещали в платиновый тигель. При этом между двумя соседними образцами прокладывали платиновую фольгу, что исключает возможность взаимодействия соседних образцов.

Синтез производили при температуре 1350 °С в течение 3 ч. После чего производили повторное перетирание, прессование и спекание образцов при температуре 1350 °С в течение 3 ч.

Исследование синтезированных образцов проводили методом рентгеновского фазового анализа на дифрактометре Rigaku Ultima IV. Образцы предварительно тщательно перетирали. В работе использовали излучение медной трубки Cu K α (λ = 1,541 Å) при ускоряющем напряжении 40 кВ. Рентгенограммы регистрировали в диапазоне углов 2θ от 5 до 90 град. с шагом 0,02 град. и скоростью съёмки 5 град./мин. Обработку полученных рентгенограмм и идентификацию кристаллических фаз проводили в программном комплексе STOE WinXPow V1.22. Полученные рентгенограммы представлены на рисунке.

Рентгенограммы BaFe 12 O 19 (1) и BaFe 12– x Ti x O 19 ( x = 0,25 (2); 0,75 (3); 1,25 (4); 1,75 (5)); вертикальные линии – рефлексы гексаферрита бария согласно базе данных ICDD PDF-2 [24]

Физическая химия и физика металлургических систем

При сопоставлении полученных рентгенограмм со справочными данными видно, что в образцах присутствует только фаза гексагонального феррита. Это дает основания заключить, что синтез образцов проведён успешно – получены гомогенные образцы BaFe 12– x Ti x O 19 .

Исследование химического состава образцов проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM7001F, оснащенного энергодисперсионным рентген-флуоресцентным анализатором INCA X-max 80 (Oxford Instruments). Концентрации элементов и рассчитанные уровни замещения представлены в таблице. Химический анализ проводили при сканировании электронным пучком (ускоряющее напряжение 20 кВ) трех полей зрения поверхности слоя порошка при увеличении х 50.

Заключение

В результате проведенного исследования разработана методика получения замещенного титаном гексаферрита бария BaFe 12– x Ti x O 19 . С помощью энергодисперсионного рентгенфлуорес-центного анализатора INCA X-max 80 определен химический состав образцов. Методом рентгеновского фазового анализа (Rigaku Ultima IV) установлено, что полученные образцы являются монофазными. Согласно экспериментальным данным полученные образцы имеют степени замещения BaFe 1,75 Ti 0,25 O 19 , BaFe 11,21 Ti 0,79 O 19 , BaFe 10,71 Ti 1,29 O 19 , BaFe 10,1 Ti 1,99 O 19 .

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 16-08-01043_А), а также правительства Российской Федерации (постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.

Химический состав спека BaFe (12– x ) Ti x O 19