CC BY
35
УДК 544.032.53
Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В., Савченко А.Г., Еремеева Ж.В. ХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТВЕРДЫХ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ Nd2Fеl4B
Абдурахмонов Одилжон Эшмухаммад угли, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: [email protected]
Юртов Евгений Васильевич, д.х.н., профессор, чл.-корр. РАН, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Еремеева Жанна Владимировна, д.т.н., доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий; Савченко Александр Григорьевич, к.ф.-м.н заведующий кафедрой физического материаловедения, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия
Сплав Nd2Fe14B был синтезирован химическим зол-гель методом с последующим процессом восстановления и диффузии. В качестве исходных реагентов использовали неодим (III) азотнокислый 6-водный, железо (III) азотнокислый 9-водный и борная кислота, лимонную кислоту и этеленгликоль использовали в качестве хелатообразующего лиганда ионов металлов. Для процесса восстановления и диффузии использовали водород в качестве восстановителя. Составы изучали методом рентгенофлуоресцентного анализа. Различия общей морфологии и магнитных свойств измеряли с помощью СЭМ, ПЭМ. Магнитные свойства восстановленных образцов виды порошка и гранул измерено магнитометрии с вибрирующим образцом при 298 К. Коэрцитивная сила и намагниченность порошка 404,5 Э и 74,8 А2/кг, для гранулы 392,7 Э и 58,72 А2/кг.
Ключевые слова: наноконцтруированные магниты Nd2Fe14B, зол-гель метод, коэрцитивная сила, намагнеченность.
CHEMICAL SYNTHESIS OF SOLID MAGNETIC NANOPARTICLES Nd2Fe14B
Abdurahmonov O.E., Eremeeva Zh.V.*, Savchenko A.G.*, Yurtov E.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia
The Nd2Fe14B alloy synthesized by a chemical sol-gel method followed by a reduction and diffusion process. Neodymium (III) nitrate, iron acid (III) nitrate and boric acid was used as starting reagents, citric acid and ethylene glycol were used as chelating ligand of metal ions. Hydrogen used as a reducing agent for the reduction and diffusion process. The compositions studied by the method of x-ray fluorescence analysis. Differences in general morphology and magnetic properties were measured using SEM, TEM. The magnetic properties of the reconstructed samples of the types of powder and granules are measured by magnetometer with a vibrating sample at 298 K. The coercive force and magnetization of the powder are 404.5 Oe and 74.8 A2 / kg, for the granule 392.7 Oe and 58.72 A2 / kg.
Keywords: magnets Nd2Fe14B, sol-gel method, coercive force, magnetization.
В последние годы высокопроизводительные магнитные хлопья, полученные из прядения из
постоянные магниты привлекают большое внимание расплава или слитков, измельчают, измельчают или
в области исследования магнитных материалов. подвергают гидрированию, диспропорциональной
Среди них магниты неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) десорбции и рекомбинационной обработке для
демонстрируют самое высокое магнитное получения порошков микрометрового размера [5,6].
произведение максимальной энергии в категории Магниты Nd Fe-B, синтезированные по методу
постоянных магнитов [1]. Магнитные материалы механического измельчения, демонстрируют
используются в самых разных областях, таких как относительно высокие магнитные свойства, но
автомобильное производство и кораблестроение, в контроль размера зерна затруднен в нанометровом
двигателях, электронных и электрических диапазоне. По этой же причине различные виды
устройствах, смартфонах, а также на компьютерных процессов - механически активируемое
дисках и т. д. диспропорционирование и десорбция-рекомбинация
Большинство исследований по синтезу в сочетании с процессом пластической деформации
постоянных магнитов сфокусировано на методах широко используются в промышленности для
порошковой металлургии, методах быстрого очистки зерна размером [6,7]. Химические методы
охлаждения [2] и процессе прядения из горячего синтеза Nd-Fe-B мало изучены. Химическими
расплава [3,4]. Эти методы являются энергоемкими методами трудно синтезировать
и требуют использования элементов высокой высокоэффективный материал Nd2Fei4B с высокими
чистоты в качестве исходных материалов. Для магнитными свойствами.
приготовления связанных магнитов на основе Экспериментальная часть
Nd2Fe14B, спеченных магнитов или магнитных Материалы и обрудование. Использованные
эластомеров для технических применений реагенты: наногидрат нитрата железа (III)
необходимы магнитные порошки. Как правило, Fe(NO3)3*9H2O классификация х.ч., гексагидрат
материалов Nd2Fe14B использованием солей Nd(NO3)3*6H2O, H3BO3 отношениях Nd:Fe:B
нитрата неодима (III) Nd(NO3)3*6H2O классификация х.ч., H3BO3 классификация ч.д.а., лимонная кислота и аммиак классификация ч.д.а. Исследование морфологии поверхности образцов проводили сканирующим электронным
микроскопом JEOL 1610LV SSD X-Max Inca Energy Hitachi (СЭМ) и просвечивающим электронным микроскопом (TEM, JEOL JEM-2010). Измерение магнитных свойств проводилось при комнатной температуре с использованием магнитометра с вибрирующим образцом ( Lake Shore 7400).
Синтез. Синтез магнитных наночастиц золь-гель методом, с металлов Fe(NO3^*9H2O, были взяты в молярных - 2:14:1. 0,002 моль гексагидрата неодима, 0,014 моль наногидрата и 0,001 моль борной кислоты растворяли в 50 мл дистилированной водой и перемешивали в течение 1 часа. В молярных соотношениях к солям металлов 2:2:1 растворяли лимонную кислоту в 50 мл дистиллированой воды и добавляли этиленгликоль. Затем раствор лимонной кислоты и этиленгликоля медленно добавляли по каплям к вышеуказанному раствору. Для получения стабильного золя раствор доводили до значения рН, равного 7, путем добавления аммиака при перемешивании в течение 2 часов. Воду удаляли нагреванием раствора при 90°С при постоянном магнитном перемешивании до получения вязкого геля. Вязкий гель отжигали при 800°С в течение 2 ч. После отжига восстановленные образцы тщательно промывали дистиллированной водой. Смешанные твердые оксиды были размолоты. Взвешивали половину количества порошка для приготовления компактного образца с 35 кгс.см-2 в течение 40 с. Желаемый Nd2Fe14B затем синтезировали с помощью процесса восстановления и диффузии. Для восстановления оксидов железа порошки твердых оксидов восстанавливали с помощью Ar + 5% H2 при 500 °C в течение 2 часов вакуумной печке.
Результаты и обсуждение
СЭМ изображение на рис. 1 показывает микрофотографию поверхности образца
порошкового типа. Элементы распределены
однородно, как это видно из изображений с оксидами Nd - Fe - В. _
rV
50 nm
* i.
ЯШ
SEI 15kV WD12mm SS15 *15,OOC 1мт ——
MUCTR 7356 10 Apr 2019
Рис.1. СЭМ-изображение порошков после отжига геля при 800 оС в течение 2 часа.
Отображения спектров
рентгенофлуоресцентного анализа показаны на рис. 2. Из-за ограничений сканирующего электронного микроскопа или малого количества аморфного бора в спектрах на рисунке не обнаружен бор. Атомное соотношение между элементами Nd и Fe аналогично исходному соотношению реагентов
предшественников Nd и Fe.
lr...................... : 1 2 3' 4 5 6 7 Í i 9 10
Полная шкала 518 имп¿Кужспт П ГЮГ [ЭР
Рис. 2. Спектры рентгенофлуоресцентного анализа.
Результаты ПЭМ порошков после отжига при 800 оС показаны на рис. 3. Изображение ПЭМ показывает, что размер частиц находится в диапазоне от 80 до 200 нм.
100 120 140 160 и» 200
size, nm
а) б)
Рис. 3 а) ПЭМ-изображение порошков после отжига геля, б) гистограмма распределения по размерам .
Магнитные характеристики Nd — Бе - В виде порошка и гранул после восстановительного -диффузионного процесса представлены рисунки 4.
Коэрцитивная сила и намагниченность порошка составили 404,5 Э и 74,8 А2/кг, для гранулы 392,7 Э и 58,72 А2/кг.
Нс(Ое) Нс{Ое)
а) б)
Рис. 4. Петли магнитного гистерезиса продукта восстановления сплава М - Ее - B в полном диапазоне магнитного поля при 298 К; продукт восстановления образца типа гранул (а); продукт восстановления образца случайного типа порошка после стирки (б). На вставке показан увеличенный вид петель магнитного гистерезиса при слабом магнитном поле.
Выводы: химические методы получения наночастиц Nd2Fe14B довольно успешны для получения частиц одродной размерности, но надо доработать характеристики восстановително-дифуззионных процессов для улучшения магнитных харкатеристик.
Список литературы
1. Coey J.M.D. Permanent magnetism // Solid State Communications. 1997 Vol. 102, №. 2-3, P. 101105.
2. Strnat K.J., Strnat R.M.V. Rare earth-cobalt permanent magnets // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1991. Vol. 100, Iss. 1-3, P. 3856.
3. Croat J.J., Herbst J.F., Lee R. W., Pinkerton F.E. Pr-Fe and Nd-Fe-based materials: A new class of high-performance permanent magnets // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 55. P. 2078-2082.
4. Koon N. C., Das B. N. Crystallization of FeB alloys with rare earths to produce hard magnetic materials // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 55, P. 2063-2066.
5. Swaminathan V., Deheri P. K., Bhame S. D., Ramanujan R. V. Novel microwave assisted chemical synthesis of Nd2Fe14B hard magnetic nanoparticles // J. Nanoscale, 2013. Vol. 5, P 27182725.
6. Zhong Y., Chaudhary V., Tan X., Parmar H., Ramanujan R. V. Mechanochemical synthesis of high coercivity Nd2(Fe,Co)i4B magnetic particles // J. Nanoscale. 2017. Vol. 9, P. 18651-18660.
7. Zeng H., Liu Z., Li W., Zhang J., Zhao L., Zhong X., Yu H. Significantly enhancing the coercivity of NdFeB magnets by ternary Pr-Al-Cu alloys diffusion and understanding the elements diffusion behavior // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 471 (2019) 97-104
