CC BY
7
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
ОСОБЕННОСТИ ИХ СИНТЕЗА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
NANOSTRUCTURED MATERIALS, PECULIARITIES OF THEIR SYNTHESIS,
FIELDS OF APPLICATION
05.02.02 МАШИНОВЕДЕНИЕ,
СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН
MACHINE SCIENCE, DRIVE SYSTEMS AND MACHINE PARTS
DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-1-30-34
Магнитные материалы,
« i
синтезированные на солнечной печи
М.-С. Пайзуллаханов ©
Институт материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан
E-mail: fayz@bk.ru
Аннотация. Изучен процесс синтеза материалов на солнечной печи на примере оксида железистого бария. Показано, что при воздействии на смеси ВаСО3 + Fe2O3 концентрированного солнечного излучения высокой (300 Вт/см2) плотности образуется оксид железистого бария гексагональный 4(Fe2O3)4(FeO)BaFeO3 _ , кубический Ba3Fe2O6 _ = 2(Ba0)Fe0ВаFe03 _ , тетрагональный Ba0Fe0BaFe03 _ модификаций
Ключевые слова: магнитные материалы, коэрцитивная сила, солнечная печь, структура, намагничивание
f -
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Пайзуллаханов М.-С. Магнитные материалы, синтезированные на солнечной печи // Computational nanotechnology. 2020. Т. 7. № 1. С. 30-34. DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-1-30-34
V
1 Работа выполнена в рамках проекта Министерства инновационного развития Республики Узбекистан № ФИ ФА-Ф-3-02.
Пайзуллаханов М.-С.
DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-1-30-34
Magnetic materials synthesized in the solar furnace
M.-S. Payzullakhanov ©
Institute of Material Sciences, SPA "Physics-Sun", Uzbekistan Academy of Sciences, Tashkent, Republic of Uzbekistan
E-mail fayz@bk.ru
Abstract. The process of synthesis of materials in a solar furnace was studied using the example of ferrous barium oxide. It is shown that when BaCO3 + Fe2O3 is exposed to concentrated solar radiation of high (300 W/cm2) density, hexagonal ferrous barium oxide 4(Fe2O3)4(FeO)BaFeO3 _ x, cubic Ba3Fe2O6 _ x = 2(BaO)FeOBaFeO3 _ x, tetragonal BaOFeOBaFeO3 _ x modifications
Key words: magnetic materials, coercive force, solar furnace, structure, magnetization
FOR CITATION: Payzullakhanov M.-S. Magnetic materials synthesized in the solar furnace. Computational nanotechnology. 2020. Vol. 7. No. 1. Pp. 30-34. (In Russ.) DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-1-30-34
В зависимости от микроструктуры ферриты стронция и бария проявляют высокие значения удельного электрического сопротивления (не менее 108 Ом • м) и коэрцитивной силы (не менее 180 кА/м)). Поэтому таковые широко при-мененятся для получения постоянных магнитов, имеющих высокую магнитную энергию (34 кДж/м3) равную сплавов альнико, но со стоимостью низкой на порядок. Такие особенности обуславливают возрастающий интерес к ферритам бария и стронция [1].
Для получения ферритов бария стронция используют вы-сокортемпературную (1350 °С) керамическую технологию. С целью повышения уровня свойств применяют различные технологические режимы, например, активация порошков при измельчении. [2]. Поэтому вопрос модификации состава и микроструктуры феритов бария и стронция применением различных методов воздействия на сырье при синтезе материалов представляется актуальным.
Целью данной работы являлась исследование процессов синтеза феррита бария в потоке концентрированного солнечного излучения высокой плотности.
Для получения оксида железистого бария использовали исходные реактивы карбонат бария ВаСО3 ОСЧ 9-3 ТУ 6-09351-76, карбонат стронция ВаСО3 ОСЧ 7-2 ТУ 6-09-01-659-91, двуокись железа Fe2O3 ОСЧ 2-4 ТУ 6-09-1418-78. Порошки смешивались в необходимой пропорции и брикетировались.
Плавление смеси оксида железа и карбоната бария на фокальной плоскости солнечной печи при воздействии концентрированного светового потока плотностью 350 Вт/см2 с выдержкой в состоянии плавки в течение 15 минут. Расплавы охлаждали на воздухе (102 град/с) и в проточной воде (103 град/с).
Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы исследуемых образцов проводились на дифрактометрах «ДРОН-3М» (СиКа-излучение). Длина волны излучения Л = 0,193728 нм. При регистрации спектров образцов использовался фильтр из Мп. Фокусировка осуществлялась по методу Брэгга-Бретано с двумя щелями Соллера. Измерения проводились при комнатной температуре.
Удельное сопротивление измерялось методом воль-тамперных характеристик и двузондовым методом [3]. При проведении электрофизических измерений использовались медные контакты нанесенные напылением на установке ВУП = 3.
Магнитодиэлектрический эффект (МД-эффект, магнито-емкость) регистрировался путем изменений диэлектрической проницаемости при внесении образца в магнитное поле
Д(Н) е(н)-е(0)
i(0 )
з(0)
где е(Н) и е(0) - диэлектрическая проницаемость в магнитном поле и при его отсутствии, соответственно[4-6].
Регистрация магнитодиэлектрического эффекта проводилась в постоянном магнитном поле напряженностью Н = 3,0 кОе.
На рис. 1 показаны микроскопические снимки расплавов ВаСО3 + Fe2O3, охлажденных на воздухе (102 град/с) в проточной воде (103 град/с).
Анализ микроскопических снимков показал, что расплавы состоят из частиц различного размера и формы. В случае охлаждения на воздухе морфология расплава соответствует мелкозернистому строению с размерами частиц 1-5 мкм, а в случае охлаждения в воде - 10-20 мкм.
На рис. 2 показаны рентгенограммы расплавов ВаСО3 + Fe2O3, охлажденных на воздухе (102 град/с), в проточной воде (103 град/с) и обожженных при температуре Т = 1300 °С.
Из анализа рентгенограмм расплавов ВаСО3 + Fe2O3, охлажденных на воздухе (102 град/с) и в проточной воде (103 град/с) следует, что в зависимости от скорости охлаждения можно получить материал в различной степени аморфности. Закалка в воде позволяет фиксировать аморфное состояние вещества. В то время как охлаждение в воздухе на поверхности водоохлаждаемой подложки приводит к смеси аморфной и кристаллической фаз - стеклокристал-лический материал
Т. VII. № 1. 2020
Computational nanotechnology
31
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОСОБЕННОСТИ ИХ СИНТЕЗА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН
05.02.02
¿/•Ч-.Ч - j
V 'fA «*
/>Ф.V У, J,
« ^ ^ У • V^ • * *
^ А Л ■
1 ,
100 мкм Л
б
Рис. 1. Микроскопические снимки расплавов ВаСО3 + Fe203, охлажденных: а - на воздухе (102 град/с); б - в проточной воде (103 град/с)
20
30
40 26 а
50
60
20
30
40 26 б
50
60
а
JL
ЫУУии^
15 20
25
30
35
40
45
26 в
Рис. 2. Рентгенограммы расплавов ВаСО3 + Fe203, охлажденных: а - на воздухе (102 град/с); б - в проточной воде (103 град/с); в - обожженных температуре Т = 1300 °С
Рентгенодифракционные исследования показали (см. рис. 2), что образцы обожженные температуре Т = 1300 °С являлись поликристаллическими и представляли собой смесь фаз железистого бария различной модификации - гексагональный оксид железистого бария 4(Fe2O3)4(FeO)BaFeO3 - х с параметрами решетки а = 5,86 А, с = 23,2 А, кубический Ва^е206 - х = 2(Ba0)Fe0ВаFe03 - х с параметром а = 16,79 А, тетрагональный Ba0Fe0BaFe03 - х с параметрами а = 5,98 А, с = 13,93 А [4; 5].
На рис. 3 приведена зависимость диэлектрической проницаемости расплавленых на солнечной печи образцов, обожженных при различных температурах.
Видно, что с ростом температуры обжига диэлектрическая проницаемость уменьшается по сравнению с плавленым образцом.
В табл. 1 приведены результаты LCR измерений феррита бария, полученного при различных технологических условиях.
32
Computational nanotechnology
Vol. VII. № 1. 2020
Пайзуллаханов М.-С.
£ 22000
и
о
| 21000 пз
s 20000 ш
tL 19000 с
! 18000 и
:г 17000
S CL
£ 16000
О)
55 15000
14000
0 200 400 600 800 1000 1200
Температура обжига, °С
Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости образцов, обожженных при различных температурах
Таблица 1
Результаты LCR измерений феррита бария
где/- натяг на весах, Н; m - масса образца, кг; х/ц0 - удельная магнитная восприимчивость; Н - напряженность магнитного поля, А/м; В - магнитная индукция, Тл; ц0 - магнитная постоянная ц0 = 4п • 10-7 Гн/м.
1 -
В при вводе D при выводе
20 40 60 80 100 120
Расстояние от оси магнита до дна ампулы, мм
140
9
8
7
6
S 5
4
3
2
0
Образцы £ С, мкФ
Закалка в воде 22 340 920
Медленное охлаждение на воздухе 19 210 790
Спеченные после закалки 14 600 600
Твердофазный синтез в электрической печи 7450 540
Из табл. 1 видно, высокие значения диэлектрической проницаемости наблюдаются в случае закаливания в воду расплава материала. Это связано с тем, что при плавлении на солнечной печи под воздействием концентрированного солнечного излучения высокой плотности образуются большое количество дефектов структуры типа вакансии по кислороду преимущественно в приграничных областях, что обуславливают повышение диэлектрической проницаемости [6-9]. Эти дефекты обжигаются при термических обжигах в воздушной среде, и наблюдается уменьшение диэлектрической проницаемости материала.
На втором этапе экспериментов проводили измерения магнитных параметров образцов методом магнита Вейса (весы Фарадея) при индукции магнитного поля 3 кЭ.
На рис. 4 приведена зависимость натяга на весах от расстояния от центра постоянного магнита. При вводе образца в магнитное поле по мере сближения образца к центру магнита растет натяг на весах. Кривая намагничивания носит характер насыщения.
При выводе образца из поля действия магнита на кривой наблюдается не совпадение значений. Имеет место некий гистерезис. Имеет место эффект намагничивание - появляется остаточный магнетизм. При последующих вводах и выводах образца из магнитного поля такая разница исчезает.
Весы Фарадея позволяют оценить намагниченность материала, вводимого в магнитное поле
f = т%Н—. с1х
Отсюда можно получить выражение для магнитной индукции
Х= ^
тВ СВ' с1х
Рис. 4. Зависимость натяга на весах от расстояния от центра постоянного магнита
В табл. 2 приведены значения удельной намагниченности в зависимости от технологических условий получения.
Таблица 2
Значения удельной намагниченности в зависимости от технологических условий получения
Материал Х^о
Феррит бария, синтезированный на установке радиационного нагрева без магнитного поля 350
Феррит бария, синтезированный на установке радиационного нагрева в магнитном поле (3 кЭр) 360
Феррит стронция, синтезированный на установке радиационного нагрева в магнитном поле (3 кЭр) 360
Феррит висмута, синтезированный на установке радиационного нагрева в магнитном поле (3 кЭр) 260
Феррит бария марки 2БА2 240
Из табл. 2 видно, что для ферритов бария, стронция и висмута синтезированных из расплва в потоке концентрированного светового излучения характерно повышение значения намагниченности на 1,4 раза по сравнению с материалами полученными по твердофазному синтезу, связанное с особенностями микроструктуры материала, синтезированного из расплава на солнечной печи.
На основе полученных результатов можно предположить, что при нагреве материала под воздействием концентрированного светового излучения вследствие интенсивного поглощения энергии концентрирован-ного солнечного излучения на дефектах структуры на границах зерен в смеси оксидных материалов инициируются химические реакции Fe2O3 + ВаСО3 = FeBaO3 +СО2. Однако такие процессы протекают привысоких скоростя и термодинамические условия при этом довольно далеки оптимальных условий, характерных для твердофазного синтеза. Высокая степень дефектности как макроскопического (разблокировка, дислокации и т.д.), так и микроскопического (вакансии и другие точечные
Т. VII. № 1. 2020
Computational nanotechnology
33
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОСОБЕННОСТИ ИХ СИНТЕЗА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН 05.02.02
дефекты) характера способствует процессу деструкции материала. С ростом плотности потока ускоряются процессы дефектообразования на молекулярном уровне из-за разрыва химических связей, потерей дальнего порядка ведущей к плавлению.
Согласно кластерной модели расплав состоит из кластеров - кристаллоподобных группировок и аморфной зоны. Между кластерами и разупорядоченной зонами протекает обмен атомами. Такой обмен становится равновесным при постоянной температуре - относительное количество кластеров и неупорядоченной зоны не меняется. С ростом температуры доля кластеров уменьшается, а доля разупорядоченной зоны растет.
Процесс кристаллизации при спекании порошка стекла, полученного из расплава, сопровождается коагуляцией
кластеров, приводящей к образованию кристаллических зародышей и коагуляцией зародышей, приводящей к образованию кристаллических зерен. Диффузионные процессы атомов на границах зерен, направленные движения точечных и протяженных дефектов к поверхности зерна, способствуют срастанию кристаллитов в области контактов. Разупорядоченная зона в межзереном пространстве за счет сил поверхностного натяжения ограничивает рост зерен при спекании.
Эти особенности микроструктуры обусловливают высокие значения диэлектрической проницаемости и намагни-чености материалов на основе стекла полученного при воздействии концентрированного светового излучения. Такие материалы могут быть использованы в электронных устройствах.
Литература
1. Permanent magnets: A Reference guide. Under the editorship of Yu.M. Pyatina. Moscow: Energy, 1980. P. 488.
2. Obtaining and properties of BaFe12O19 and BaFe12 _ xMexO19 hexagonal ferrites for permanent magnets and substrates of microwave electronics devices. Dis. Moscow, 2016. 210 p.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnetoelectric materials and multifer-roics. UFN. 2012. Vol. 186. No. 2. Pp. 593-620.
4. Amirov A.A., Batdalov A.B., Kallaev S.N. et al. Features of thermal, magnetic and dielectric properties of multiferroics BiFeO3 and Bi0. 95La0.05Fe03. FTT. 2009. Vol. 51. No. 6. Pp. 1123-1126.
5. Wang J., Neaton J.B., Zheng H. et al. Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures. Science. 2003. Vol. 299. P. 1719-1722.
6. Abdurakhmanov A.A., Faiziev S.A., Akbarov R.Y. et al. Properties of pyroxene glass ceramics, heat treated in the Big Solar Furnace. Applied Solar Energy. No. 45 (1). Pp. 45-47.
7. Paizullakhanov M.S., Faiziev S.A., Nurmatov S.R. ZZ synthesis features of barium titan ate in the field of concentrated light energy. Applied Solar Energy. No. 49 (4). Pp. 248-250.
8. Abdurakhmanov A.A., Paizullakhanov M.S., Akhadov Z. Synthesis of calcium aluminates on the big solar furnace. Applied Solar Energy. No. 48 (2). Pp. 129-131.
9. Akbarov R.Y., Paizullakhanov M.S. Characteristic features of the energy modes of a Large Solar Furnace with a capacity of 1000 kW. Applied Solar Energy. No. 54 (2). Pp. 99-109.
References
1. Permanent magnets: A Reference guide. Under the editorship of Yu.M. Pyatina. Moscow: Energy, 1980. P. 488.
2. Obtaining and properties of BaFe12O19 and BaFe12 _ xMexO19 hexagonal ferrites for permanent magnets and substrates of microwave electronics devices. Dis. Moscow, 2016. 210 p.
3. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnetoelectric materials and multiferroics. UFN. 2012. Vol. 186. No. 2. Pp. 593-620.
4. Amirov A.A., Batdalov A.B., Kallaev S.N. et al. Features of thermal, magnetic and dielectric properties of multiferroics BiFeO3 and Bi0. 95La0.05FeO3. FTT. 2009. Vol. 51. No. 6. Pp. 1123-1126.
5. Wang J., Neaton J.B., Zheng H. et al. Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures. Science. 2003. Vol. 299. P. 1719-1722.
6. Abdurakhmanov A.A., Faiziev S.A., Akbarov R.Y. et al. Properties of pyroxene glass ceramics, heat treated in the Big Solar Furnace. Applied Solar Energy. No. 45 (1). Pp. 45-47.
7. Paizullakhanov M.S., Faiziev S.A., Nurmatov S.R. ZZ synthesis features of barium titan ate in the field of concentrated light energy. Applied Solar Energy. No. 49 (4). Pp. 248-250.
8. Abdurakhmanov A.A., Paizullakhanov M.S., Akhadov Z. Synthesis of calcium aluminates on the big solar furnace. Applied Solar Energy. No. 48 (2). Pp. 129-131.
9. Akbarov R.Y., Paizullakhanov M.S. Characteristic features of the energy modes of a Large Solar Furnace with a capacity of 1000 kW. Applied Solar Energy. No. 54 (2). Pp. 99-109.
Статья поступила в редакцию 10.03.2020, принята к публикации 25.03.2020 The article was received on 10.03.2020, accepted for publication 25.03.2020
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Пайзуллаханов Мухаммад-Султан, доктор наук (DSc); заведующий лабораторией Института материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Республика Узбекистан. E-mail: fayz@bk.ru. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8242-1471
ABOUT THE AUTHOR
Mukhammad-Sultan Payzullakhanov, Doctor of Sciences (DSc); head of the laboratory of the Institute of Materials Science of the Scientific-Production Association "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Republic of Uzbekistan. E-mail fayz@bk.ru. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8242-1471
34
Computational nanotechnology
Vol. VII. № 1. 2020
