CC BY
8
УДК 544.032.53
Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В.
ХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МАГНИТОТВЕРДЫХ НАНОПОРОШКОВ Nd2Fei4B
Алисултанов Марат Эхсанович - студент 4 курса бакалавриата кафедры наноматериалов и нанотехнологии; e-mail: alisultanov.marat@mail.ru;
Абдурахмонов Одилжон Эшмухаммад угли - аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Юртов Евгений Васильевич - д.х.н., профессор, чл.-корр. РАН.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Рассмотрен химический синтез нанопорошков Nd2FeuB. Первоначально методом осаждения из растворов солей были получены полупродукты Nd2O3, Fe2O3, Fe3BO6. Далее смешивали полученные порошки и проводили двухступенчатое восстановление, сначала при температуре 800 °C в течение 2 ч в постоянном потоке Ar+5%H2. Для полного восстановления и образования сплава Nd2Fe14B полученные порошки смешивали с гидридом кальция и восстанавливали в атмосфере аргона при температуре 900 °C.
Ключевые слова: наночастицы Nd2Fe14B, наночастицы Nd-Fe-B, неодимовые магниты, магнитные наночастицы
CHEMICAL SYNTHESIS OF MAGNETICALLY HARD NANOPOWDERS Nd2FeMB
Alisultanov M.E., Abdurakhmonov O.E., Yurtov E.V. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
Chemical synthesis of Nd2Fe14B nanopowder was considered. Initially, the intermediate products Nd2O3, Fe2O3, Fe3BO6 were prepared by precipitation from saline solutions. Then the resulting powders were mixed. A two-stage reduction was carried out, first at 800 °C for 2 h in a constantflow of Ar + 5% H2. For complete reduction and formation of the Nd2Fe14B alloy, the resulting powders were mixed with calcium hydride and reduced in an argon atmosphere at a temperature of900 °C.
Key words: Nd2Fe14B nanoparticles, Nd-Fe-B nanoparticles, neodymium magnets, magnetic nanoparticles
В настоящее время вырос интерес к магнитомягким и магнитотвердым материалам, их количество соответственно увеличилось и расширился диапазон коэрцитивной силы, характерной для таких материалов. Развитие постоянных магнитов исторически было обусловлено появлением новых технологий, а для их масштабной реализации были необходимы магнитные материалы, имеющие большую магнитную энергию и небольшой размер. Магниты выступают в качестве основных компонентов: электродвигателей, громкоговорителей, компьютеров, аппаратов МРТ и ЯМР, микроволновых печей и различных контрольно-измерительных приборов [1].
Спрос на магниты с лучшими характеристиками привел к открытию магнитов, состоящих из железа, кобальта и редкоземельных элементов, таких как Nd, Pr и Sm. В редкоземельных магнитах компоненты из переходных металлов обеспечивают высокую намагниченность, а компоненты из редкоземельных элементов вносят вклад в очень большую магнитокристаллическую анизотропию, которая обеспечивает высокую коэрцитивную силу [2].
В 60-х годах 20 века были получены магниты состава БтСо5 и Sm2Col7. Стоимость производства самарий-кобальтовых магнитов была довольно велика [3]. В 1982 году было получено новое интерметаллическое соединение Nd-Fe-B, ставшее альтернативой дорогим Sm-Co магнитам.
Неодимовые магниты Nd2Fe14B на сегодняшний день обладают самой большой коэрцитивной силой (рис.1)
[3].
Методы получения сплава Nd-Fe-B разделяют на физические и химические. Физические методы нашли широкое применение в производстве, но они не позволяют получать частицы с однородной морфологией и узким распределением по размерам. Для достижения максимального значения магнитной энергии и коэрцитивной силы размеры получаемых частиц должны составлять 110-250 нм, такой размер имеют однодоменные частицы [4, 5]. Химические методы позволяют получать частицы с контролируемым размером и однородной морфологией. К их достоинствам можно отнести: низкую стоимость исходных материалов, меньшее потребление энергии и более короткое время синтеза.
В данной работе представлен химический синтез наночастиц, состоящих магнитотвердого сплава системы Nd2Fel4B.
В качестве прекурсоров были использованы следующие реагенты: гексагидрат нитрата неодима Ш(Ы0з)з*6Н20 (99.9%), гексагидрат хлорида железа (III) FeClз*6H20 (99.9%), борогидрид натрия ШВЩ (99.8%), гидроксид аммония КЩ0Н (24%, 0.91 г/см3), гидроксид натрия №0Н*Ш0 (52.05%), гидрид кальция СаН2 (95%), аргон Лг (99,9%).
Рис. 1. Исторический прогресс развития магнитных материалов с возрастающей коэрцитивной силой [3]
Для синтеза оксида неодима приготовили два раствора Nd(NO3)3 и NaOH. При постоянном перемешивании и температуре 80 °C раствор гидроксида натрия добавили к раствору нитрата ниодима. Осадок центрифугировали при скорости 3000 об/мин и промывали бидистиллированной водой. Полученный осадок прокаливали в течение 2 ч при температуре 300 °C для получения оксида.
Оксид железа получали добавлением раствора гидроксида аммония к раствору хлорида железа (III) при постоянном перемешивании. Осадок центрифугировали при скорости 3000 об/мин промывли бидистиллированной водой и сушили в вакуумной камере в течение 4 ч. Для получения оксида железа осадок прокаливали при 600 °C в течение 2 ч.
Для синтеза бората железа раствор хлорида железа (III) перемешивали и нагревали до 50 °С в течение 15 мин. Далее при постоянном перемешивании добавляли раствора борогидрида натрия к раствору хлорида железа (III). Полученный осадок отделяли с помощью магнита и несколько раз промывали бидистиллированной водой. Осадок сушили в вакуумной камере, а затем прокаливали при 800 °С в течение 2 ч.
Полученные порошки Nd2Ü3, Fe2Ü3, РезБОб смешали в стехиометрическом соотношении для получения соотношения компонентов,
соответствующих Nd2Fe14B. Чтобы добиться однородного перемешивания смесь порошков поместили в фреон и воздействовали ультразвуком. Далее смесь порошков прокаливали до полного испарения фреона. Предварительный
восстановительно-диффузионный процесс смеси порошков проводили при температуре 800 °С в течение 2 ч в постоянном потоке Лг + 5%Н2. Полученный порошок из смеси оксидов и гидридов Fe и В смешивали с порошком СаН (>95%) в соотношении 1:1.4 мас. % и прессовали в компактные таблетки, а затем помешали в вакуумную трубчатую печь. Печь вакуумировали до остаточного давления <5*10-3Па, заполняли ее аргоном высокой чистоты и нагревали до 900 °С в течение 60 мин, после чего естественным образом охлаждали до комнатной температуры [4]. Восстановленный до Ш2ремВ порошок промывали раствором хлорида аммония и этанола ^ЩС1 и С2Н5ОН) для удаления побочного продукта СаО. Уравнения реакции возможного механизма восстановления ^2Оз, Ре2О3, Ре3ВОб гидридом кальция приведены ниже [5]:
Ре2О3+3СаШ=2Ре+3СаО+3Ш (1) В2О3+З СаН2=2В+3 СаО+3Н2 (2) Ш2Оз+3СаН2=2ШШ+3СаО+Н2 (3) ШРеО3+3СаШ=ШШ+Ре+3СаО+2Н2 (4) РеВО3+3СаН2=Ре+В+3СаО+3Н2 (5) 2ШН2+^е+В^Ш2ремВ+2Н2 (б)
Полученный сплав ^2ремВ (рис. 2 а) состоял из частиц однородной морфологии. Средний размер частиц составлял 90-100 нм (рис. 2 б). Для определения состава полученного порошка был проведен EDS-анализ. Результаты показали, что состав порошка стехиометрически соответствует Ш2ремВ (рис. 2 в).
Рис. 2. а - СЭМ-микрофотография сплава Nd2Fel4B; б - распределение частиц сплава Ш2ЕвиВ по размерам, в - ЕББ-спектр и элементный состав смеси сплава Nd2Fel4B
Таким образом, с помощью химического синтеза были получены нанопорошки сплава Nd2Fe14B, состоящие из наночастиц со средним размером 90100 нм.
Список литературы
1. Motovilova Е.А., Huang S.Y. Magnetic Materials for Nuclear Magnetic Resonance and Magnetic Resonance Imaging, from «Advances in Magnetic Materials» edited by S. Zhang, Z. Dongliang. Boca Raton: CRC Press, 2017.
2. Lewis L.H., Jimenez-Villacorta F. Perspectives on Permanent Magnetic Materials for Energy Conversion and Power Generation // Metall Mater Trans A, 2013, Vol. 44, р. 2-20.
3. Coey J.M.D. Magnetism and magnetic materials. Cambridge University Press, 2009, P. 633.
4. Мурадова А.Г., Шарапаев А.И., Майер Т.Ю.,
Юртов Е.В. Магнитные наноматериалы на основе оксидов железа. Лабораторный практикум: учеб. пособие / РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2019, с.-108.
5. Liu J. P. Ferromagnetic nanoparticles: Synthesis, processing, and characterization. // JOM, 2010, Vol. 62(4), р. 56-61.
6. Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В., Савченко А.Г., Савченко Е.С. Механохимический синтез и исследование магнитных нанопорошков Nd2Fe14B. Том XXXIV, № 8 (231). - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева 2020. с. 60-62.
7. Abdurakhmonov O.E., Yurtov E.V., Savchenko E.S., Savchenko A.G. Chemical synthesis and research nanopowder of magnetic hard alloy Nd15Fe78B7 // Journal of Physics: Conference Series. VII All-Russian Conference on Nanomaterials (NANO), 2020, Vol.1688.
