CC BY
24
УДК 544.032.53
Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В., Савченко Е.С., Савченко А.Г.
МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ НАНОПОРОШКОВ Nd2Fe14B
Алисултанов Марат Эхсанович, студент 3 курса бакалавриата кафедры наноматериалов и нанотехнологии, email: alisultanov.marat@mail.ru;
Абдурахмонов Одилжон Эшмухаммад угли, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии;
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.
Савченко Елена Сергеевна, к.ф.-м.н., доцент кафедры физического материаловедения, ^Национальный
исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия.
Савченко Александр Григорьевич, к.ф.-м.н., заведующий кафедрой физического материаловедения, 2Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия.
Нанопорошки сплава номинального состава Nd2Fe14B получали методом механохимического синтеза и последующего калицие-термического восстановления в атмосфере водороде. В качестве исходных реагентов использовали оксид неодим (III), оксид железо (III), оксид бора и гранулы металлического Са. Смешивание и механоактивацию порошков проводили в среде толуола. Состав синтезированных порошков изучали методом рентгенофлуоресцентного анализа. Морфологию и распределение частиц порошка по размерам определяли с помощью СЭМ.
Ключевые слова: механохимический синтез, нанопорошки Nd2Fe14B, магниты.
MECHANOCHEMICAL SYNTHESIS AND RESEARCH OF Nd2Fe14B MAGNETIC NANOPOWDERS
Alisultanov Marat Ehsanovich1, Abdurakhmonov Odilzhon Eshmukhammad ugli1, Yurtov Evgeny Vasilievich.1, Savchenko Alexander Grigorievich2, Savchenko Elena Sergeevna 2
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 2National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia
Nanopowders of an alloy of a nominal composition Nd2Fe14B obtained by the method of mechanochemical synthesis and subsequent calcium-thermal reduction in an atmosphere of hydrogen. Neodymium (III) oxide, iron (III) oxide, boron oxide, and Ca metal granules used as starting reagents. Mixing and mechanical activation of the powders carried out in toluene. The composition of the synthesized powders studied by x-ray fluorescence analysis. The morphology and particle size distribution of the powder was determined using SEM. Keywords: mechanochemical synthesis, Nd2Fe14B nanopowders, magnets.
Параметры магнита изменялись с помощью изменения состава и методики получения. В 1982 году была разработаны альтернативные дорогим самарий-кобальтовым (SmCo5, Sm2Co17)) магнитам магниты на основе сплавов системы неодим-железо-бор (Nd2Fel4B) [1-3].
Магниты №^14В, благодаря превосходному сочетанию высокой коэрцитивной силы и магнитной энергии, широко применяются в различных областях. На сегодняшний день существуют различные конденсационные и диспергационные методы получения наноразмерных и наноструктурированных материалов. В их ряду одним из основных методов получения нанокомпозиционных порошков сплавов Nd2Fe14B является механохимический. Механохимический синтез нанокомпозитов в металлических системах известен и достаточно хорошо изучен. Наиболее высокой эффективностью и экологической чистотой обладают "сухие" технологии, не требующие
вообще (или минимизирующие использование) растворителей для проведения химических реакций. Механохимические процессы отвечают этим требованиям. Эти процессы основаны на механической активации твердофазных реакций, протекающих в ходе помола в шаровых или планетарных мельницах.
Экспериментальная часть
В качестве прекурсоров в нашем исследовании были использованы (х.ч.), Fe2O3 (ч.д.а), В203
(х.ч.), гранулы Са (ч.д.а) и толуол (ч.д.а). Содержание каждого из прекурсоров в смеси определяли по приведенному ниже уравнению;
Nd2Oз+7Fe2Oз+0,5B2Oз+24,5Ca ^
Nd2Fel4B+24,5CaO
Избыток 50 мас.% добавляли для
компенсации потенциальных потерь, также добавляли 100 мас.% избыточного количества гранул Са сверх стехиометрического количества для обеспечения полного восстановления.
Порошки смешивали, загружали для измельчения в чашу из карбида вольфрама и добавляли толуол для мокрого помола. Процесс измельчения проводили в планетарной шаровой мельнице Friteh Pulverisette-7 с отношением веса шаров к весу порошка 14:1. Порошки измельчали при скорости 600 об/мин в течение 6 часов. При этом размольный стакан и опорный диск вращаются в противоположных направлениях таким образом, что центробежные силы поочередно действуют в прямом и обратном направлениях. В результате происходит перекатывание мелющих шаров по внутренней кромке стакана, т.е. эффект трения, а также их ударное воздействие на порошки, когда шары ударяются о стенку размольного стакана (Рис. 2).
После измельчения порошки сушили для удаления остатков толуола. Процесс восстановления проводили при 800 0С в течение 120 мин с последующим охлаждением в печи.
Рис. 1. Принцип работы планетарной мельницы для механохимических реакций. Действие сил: а -перекатывание мелющих шаров; Ь - центробежная сила; е - вращение опорного диска
Восстановление оксидов железа (потенциал восстановления составляет -0,44 эВ для Fe2+/Fe0) обычно происходит до восстановления оксида неодима (потенциал восстановления составляет -2,43
эВ для Ш3+/Ш°) из-за большой разницы окислительно-восстановительных потенциалов у переходного и редкоземельного металлов. Ссылаясь на процесс восстановления оксидов металлов во время синтеза Nd-Fe-B посредством золь-гель процесса [4], последовательность реакций во время процесса диффузии-восстановления может быть описан следующей последовательностью реакций: Шаг 1:
Ее203+3СаИ2-Б203+3СаИ2-
Же+3СаО+3Н2 >2В+3СаО+3Н2
Шаг 2:
Ш203+3СаИ2-2ШН2+3Са0+3И2
ШГе0з+3Сат—ШН7+Ге+3Са0+2И7
Шаг 3:
2ШИ2+14Ге+В-Ш2Ге!В+2И2
Спёк порошков после восстановления промывали сначала водой, затем уксусной кислотой и этиловым спиртом.
Характеристические линии металлического Ca наблюдались на спектрах рентгенофлюоресцентного анализа (РФлА) у образцов после механохимической обработки и восстановительных процессов, (рис. 3а). После промывки эти линии исчезают (рис. 3б) и на спектрах присутствуют только линии Nd и Fe, что подтверждает эффективность процесса промывки для удаления побочных продуктов (линии Si, O и C относятся к материалу держателя образца).
Полученные порошки исследовали с использованием санирующей электронной микроскопии (СЭМ), а также методом динамического светорассеяния (ZetaSizer). Установлено, что большинство частиц порошка являются поликристаллами, размер частиц изменяется в диапазоне 50-140 нм. Типичное изображение СЭМ и гистограмма распределения частиц порошка по размерамприведены на рис. 3 (а)
и (б) соответственно.
Рис.2. Спектры РФлА образцов после механохимических и восстановительных процессов а, после промывки б.
Рис.3. а) СЭМ-изображение порошков после восстановительных процессов, б) гистограмма распределения частиц
образцов.
В настоящее время проводятся исследования магнитных гистерезисных свойств синтезированных порошков.
Пластическая деформация играет важную роль в усилении текстурной и магнитной анизотропии магнитов Nd2Fe14B, что значительно усиливает магнитные свойства нанопорошков магнита Nd2Fe14B, полученного методом мехонохимического измельчения.
Список литературы
1. Coey J.M.D. Magnetism and magnetic materials. Cambridge University Press, 2009. P. 633.
2. Lukashova N.V., Savchenko A.G., Yagodkin Yu.D., Muradova A.G., Yurtov E.V. INVESTIGATION OF STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES
OF NANOCRYSTALLINE IRON OXIDE POWDERS FOR USE IN MAGNETIC FLUIDS // Journal of Alloys and Compounds. 2014. T. 586. Vol. 1. P. 298-300.
3. Muradova A.G., Zaytseva M.P., Sharapaev A.I., Yurtov E.V. INFLUENCE OF TEMPERATURE AND SYNTHESIS TIME ON SHAPE AND SIZE DISTRIBUTION OF FE3O4 NANOP ARTICLES OBTAINED BY AGEING METHOD // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2016. Vol. 509. P. 229-234.
4. Deheri P. K., Swaminathan V., Bhame S. D., Liu R Z.. Ramanujan V. Sol-Gel Based Chemical Synthesis of Nd2Fe14B Hard Magnetic Nanoparticles. Chemistry of Materials. 2010, Vol. 22, P. 6509-6517.
