Изучение влияния замещения титаном на электрические свойства гексаферрита бария Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 542.06+542.86 ББК 24.5

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАМЕЩЕНИЯ ТИТАНОМ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ГЕКСАФЕРРИТА БАРИЯ

СТАРИКОВ А.Ю., ШЕРСТЮКД.П., САНДЕР Е.Е., ЖИВУЛИНВ.Е., ВИННИКД.А. ФГАОУВО ЮУрГУ (НИУ), Челябинск, Россия e-mail: starikov-andrey@mail.ru

Аннотация

В данной статье представлены результаты синтеза и исследования свойств образцов гексаферрита бария, частично замещенного титаном BaFe12-xTixO19, полученного, методом твердофазного синтеза. Целью эксперимента являлось выявление зависимости электросопротивления образцов от степени замещения титаном, а также отбор оптимальных составов шихты для получения материалов с высокой изоляционной способностью.

Проведено исследование химического состава образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM7001F, оснащенного энергодисперсионным рентгенфлуоресцентным анализатором INCA X-max 80 (Oxford Instruments).

На основании измерения электросопротивления установлено, что даже небольшая концентрация титана резко снижает значение величины сопротивления получаемого материала. Дальнейший рост степени замещения приводит к незначительным колебаниям значения сопротивления при данном режиме измерений.

Ключевые слова: феррит бария, замещение титаном, магнитные материалы.

Актуальность. Впервые гексаферриты бария в промышленности были использованы в 1952 году. После проведенных исследований их магнитных свойств голландской фирмы Philips они начали широко использоваться во многих отраслях промышленности [14]. К ним в первую очередь следует отнести совмещенные в одном материале свойства ферромагнетиков, диэлектрика и полупроводника, выгодно отличающие ферриты от ферромагнетиков. Это обстоятельство позволило использовать ферриты в устройствах, работающих в импульсном режиме и на сверхвысоких частотах, где применение металлических ферромагнетиков невозможно из-за больших потерь на вихревые токи [2]. Ферриты бария со структурой магнетоплюмбита характеризуют сравнительно низкими (0,19^0,42 Тл) величинами остаточной магнитной индукции Br и весьма высокими значениями (3^18 кДж/мз) максимальной магнитной энергии (BH)max [4, 5]. Такой материал обладает рядом достоинств -большое электрическое удельное

сопротивление, доступность и относительно малая стоимость компонентов данных ферритов обуславливают рост их производства и широкое применение в различных областях техники, так

как они являются столь перспективными электро- и радиотехническими материалами [3].

Ширина запрещенной зоны в ферритах обычно больше 4,8- 10-19Дж, т.е. больше, чем в полупроводниках. Следовательно, в области комнатных температур в материале проводимость должна быть ничтожно мала. Однако в образце имеются примеси, вакансии, междоузельные атомы, что приводит к образованию донорных или акцепторных центров. Поэтому в области не слишком высоких температур проводимость

определяется примесными носителями. Из-за не стехиометрии электропроводность ферритов может меняться в довольно широких пределах. Отжиг в воздухе обычно к уменьшению числа кислородных вакансий и, как следствие, к увеличению удельного сопротивления [5].

Часто для практических применений требуются образцы ферритов с высоким сопротивлением. Такие образцы ферритов стехиометрического состава не должны содержать двухвалентные ионы железа, так как низкое электросопротивление обусловлено одновременным присутствием двухвалентных и трехвалентных ионов железа в эквивалентных узлах решетки стехиометрических оксидов.

Одним из важнейших свойств BaFe12O19 является их высокая изоляционная способность. Благодаря своим структурным особенностям гексаферрит бария позволяет создавать новые материалы путем контролируемого замещения железа ионами других элементов с отличным магнитным моментом. Известно, что электросопротивление зависит от химического состава и кристаллической структуры оксида [4]. Добавление титана в гексаферрит бария и изменения его степени замещения позволяет получить материал, используемый в качестве изоляционного материала. Большинство публикуемых в настоящее время статей направлено на исследование влияния моно- и полиионного замещения на характеристики полученного материала [6-13].

Экспериментальная часть. Частично замещенный титаном гексаферрит бария BaFe12-xTixO19 был получен методом твердофазного синтеза из шихты, содержащей Fe2O3, BaCO3, TiO2. Шихту перетирали, а затем смесь компактировали в таблетки. После, полученные образцы спекали при помощи трубчатой печи с карбидкремниевыми нагревателями. При температуре 1400°С, в течение 3 часов [1]. Далее было проведено исследование химического состава образцов при помощи сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM7001F, оснащенного энергодисперсионным

рентгенфлуоресцентным анализатором INCA X-max 80 (Oxford Instruments). Химический состав полученных образцов указан в таблице 1.

Выводы. В результате проведенной серии предварительных экспериментов по изучению влияния замещения железа титаном в кристаллической решетке гексаферрита бария BaFe12-xTixO19 при х от 0 до 1,25 установлено, что даже небольшая концентрация титана резко

снижает значение величины сопротивления получаемого материала. Дальнейший рост степени замещения приводит к незначительным колебаниям значения сопротивления при данном режиме измерений. Среднее значение составило 0,107 кОм • м. Среднее квадратическое отклонение Д = 0,0264.

Дальнейшее изучение свойств материала будет направлено на измерение электродинамических характеристик материала с целью определения возможности его использования для создания

радиопоглощающих покрытий.

Таблица 1

Химический состав замещенного титаном гексаферрита бария_

№ x(Ti) Хим. отстав, ат. %

Fe Ba Ti

1 0 43,66 4,07 -

2 0,25 38,51 3,59 1,06

3 0,5 37,33 3,43 1,67

4 0,75 36,66 3,39 2,35

5 1,0 34,54 3,33 3,18

6 1,25 32,53 3,33 3,94

Измерения сопротивления проводили с использованием мультиметра (напряжение 3В). Полученные измерения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Электросопротивление образцов частично замещенного титаном гексаферрита бария_

№ x(Ti) R, кОм h • 10-3 м p, кОм • м

1 0 2640 14,1 132,281

2 0,25 1,64 15,2 0,076

3 0,5 3,45 14,7 0,166

4 0,75 2,75 15,3 0,127

5 1,0 1,89 15,6 0,086

6 1,25 1,67 14,5 0,081

Список литературы

1. Винник Д.А. Твердофазный синтез частично замещенного титаном гексаферрита бария BaFei2-xTixOi9/ДА. Винник, Д.С. Клыгач, А.С. Чернуха и др. //ВестникЮУрГУ. Серия "Металлургия". - 2017. - Т. 17, № 3. - С. 28-33.

2. Ситидзе Ю. Ферриты /Ю. Ситидзе, X. Сато. - М.: Мир, 1964. - 408 с.

3. Смит Я. Ферриты /Я. Смит, X. Вейн; пер. с англ. Т.А. Елкина, А.В. Залесский, П.Н. Стеценко. - М.: Издательство иностранной литературы, 1962. - 504 с.

4. Чернякова К.В. Структура и магнитные свойства гексагонального феррита бария / К.В. Чернякова, В.В. Паньков, М.И. Ивановская и др. //Вестник БГУ. Серия 2: Химия. Биология. География. - 2008. - № 1. - С. 9-13.

5. Яковлев Ю.М. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике /Ю.М. Яковлев, С.Ш. Генделев. - М.: Советское радио, 1975. - 360 с.

6. Arora A. Structural and Dielectric Properties of Co-Substituted M-Type Barium Hexaferrite /A. Arora, S.B. Narang // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. - 2016. - V. 27, № 10. - P. 10157-10162. DOI: 10.1007/s10854-016-5092-2

7. Behera P. Influence of Al Substitution on Structural, Dielectric and Magnetic Properties of M-Type Barium Hexaferrite / P. Behera, S. Ravi // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. - 2016. - V. 30, №6. - P. 1453-1461. DOI: 10.1007/s10948-016-3924-1

8. Boyajian T. Magnetic Behavior of Barium Hexaferrite Nanoparticles / T. Boyajian, D. Vincent, M. Le Berre et al. //Advanced Materials Research. - 2011. - V. 324. - P. 286-289. D01:10.4028/www.scientific.net/AMR.324.286

9. Guerrero-Serrano A.L. Effect of Barium on the Properties of Lead Hexaferrite / A.L. Guerrero-Serrano, T.J. Perez-Juache, M. Mirabal-Garcia et al. // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. - 2011. - V. 24, № 8. - P. 2307-2312. DOI: 10.1007/s10948-011-1181-x

10. Nejad E.H. Enhancement of Soft Magnetic Properties of La-Zn Co-Doped Nanocrystalline Ni2Y Hexaferrite / E. Hosseinkhan Nejad, Y.A. Farzin, M.A. Heydari // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2017. - V. 423. - P. 226-231. DOI: 10.1016/j.jmmm. 2016.09.09 7

11. Novizal S. Analysis of the Magnetic Properties Nanoscale Barium Hexaferrite (BHF) Prepared by Milling and Ultrasonic Method / Novizal, S. Edie, M. T.E. Manawan // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - V. 776, № 1. - P. 1-6 (012017). DOI: 10.1088/1742-6596/776/1/012017

12. Ridgway L.M. High Frequency Dielectric Properties of Bismuth Substituted Barium Hexaferrite. Electrical Power Systems and Computers /L.M. Ridgway, I. Harrison //LNEE. - 2011. - V. 99. - P. 995-1000. DOI: 10.1007/978-3-642-21747-0 129

13. Trukhanov A.V. Evolution of Structure and Magnetic Properties for BaFe11.9Al0.1O19 Hexaferrite in a Wide Temperature Range /A.V. Trukhanov, S. V. Trukhanov, L.V. Panina et al // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2017. - V. 426. - P. 487-496. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.10.140

14. Went J.J. Ferroxdure, a class of new permanent magnet materials / J.J. Went, G.W. Ratheau, E.W. Gorter et al. // Philips techn. Rev. - 1952. - V. 13, № 7. - P. 424-425.

STUDY OF THE EFFECT OF TI-SUBSTITUTION ON PROPERTIES OF BARIUM

HEXAFERRITE

STARIKOVA.Yu., SHERSTYUKD.P., SANDERE.E., ZHIVULIN V.E., VINNIKD.A. FSAEIHE SUSU (NRU), Chelyabinsk, Russia e-mail: starikov-andrey@mail.ru

Abstract

In this article, the properties of barium hexaferrite samples partially substituted by titanium BaFe12-xTixO19, obtained by the method of solid-phase synthesis, are investigated. The purpose of the experiment was to identify the dependence of the electrical resistance of the samples on the degree of substitution by titanium, as well as the selection of the optimal mixture to obtain materials with high insulating ability. The chemical composition of the samples was studied using a scanning electron microscope JEOL JSM7001F equipped with an energy dispersive X-ray fluorescence analyzer INCA X-max 80 (Oxford Instruments).

Based on the measurement of the electrical resistance, it was found that even a small concentration of titanium sharply reduces the resistance value of the obtained material. A further increase in the degree of substitution leads to insignificant fluctuations of the resistance value in this measurement mode.

Keywords: barium ferrite, titanium substitution, magnetic materials.