CC BY
4УДК 669.112.228.1
ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ В _______________________________СОЛНЕЧНОЙ ПЕЧИ____________________________________
Ж.З.Шерматов, О.Т.Ражаматов, М.С.Пайзуллаханов, М.Х.Арипова*
Ключевые слова: ферриты, синтез, расплав, Большая Солнечная печь, оксид железа (Fe2O3), оксид никеля (NiO) и фосфат кальция (Саз(РО4)2), смешивали, влияние, структурные и магнитные свойства, шпинели, образец, остаточная намагниченность, намагниченность насыщения, коэрцитивная сила и плотность.
Введение. Создание новых материалов на основе фосфат калция (Саз(РО4)2) в последние десятилетия претерпело серьёзные изменения в связи с техническим прогрессом и развитием вычислительных методов.
NiX-ферриты представляют интерес для исследователей, поскольку они широко используются во многих электронных приложениях, таких как; СВЧ поглотители, антенны, катушки индуктивности, устройствах записи и воспроизведения звука, в устройствах накопления информации, а также в электронных и электроизмерительных приборах и др. [12]. Магнитные и физические свойства феррита зависят от методологии, принятой для его изготовления [3]. Обычно ферриты производятся путем спекания керамики, включающего высокотемпературные реакции между составляющими их оксидами или карбонатами [4]. Используют также химические методы, такие как золь-гель [5], метод цитрат-нитратного прекурсора [6], микроволновое спекание [7], метод химического соосаждения [8] и т.д. На магнитные свойства также влияет стехиометрический состав никель-цинкового феррита Ni1-xZnxFe2O4 [9]. Цзюнь Ху и Ми Ян [10] отметили, что добавление CuO и V2O5 при приготовлении феррита NiZn уменьшает зернистость сырья и улучшает магнитные свойства феррита, полученного при низкой температуре спекания в интервале температу 930-1200 °C. Также сообщалось о влиянии добавок Cu [11], Mn [10] и др. на магнитные свойства NiX феррита.
В настоящей работе изучены магнитный материал состава Ni1-
x[Саз(РО4)2]xFe2O4 с x=0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5,
0,6, 0,7, синтезированный на солнечной печи плотностью потока 200 Вт/см2 с целью выявления влияния состава на магнитные свойства полученных материалов [12-13].
Методология. Солнечные технологии, в отличие от традиционных, характеризуются высокой скоростью нагрева, позволяют
‘Ж.З.Шерматов - старший научный сотрудник, д.т.н. (PhD) Института материаловедения АН РУз. О.Т.Ражаматов - младший научный сотрудник Института материаловедения АН РУз. М.С.Пайзуллаханов -старший научный сотрудник, д.т.н.(DSc), Института материаловедения АН РУз. М.Х.Арипова - д.т.н, профессор Ташкентского химико-технологического института.
получить мелкодисперсный однородный материал высокой химической чистоты. В то же время в ферритовых материалах одновременно происходит процесс ферритизации. Такие особенности обуславливают возможности создания усовершенствованной керамики, композитов интерметаллических составов, функционально-градиентных материалов.
Стехиометрические количества сырья, рассчитанные в мольных процентах, сначала смешивали и измелчали мокрым способом на шаровой мельнице с корундовыми шарами в течение 8 часов. На базе готовой смеси формовались (50кН) образцы стержни диаметром 5 мм и длиной 140 мм, которые устанавливались на фокальную плоскость солнечной печи и расплавлялись под воздействием концентрированного солнечного излучения при плотности потока 200Вт/см2. Расплавы охлаждались методом слива в воду, при которой скорость охлаждения составляла порядка 1000 град/с. Затем, материал измельчают мокрым способом до размера 45 мкм, смешивают с ПВС, формуют в машине МС100 при давлении 50 кН, получают образцы формы таблетки диаметром 20 мм. В завершение образцы подвергались спеканию при температуре 1150-1350 0С в течение 3 часов [14].
На полученных образцах состава №1-х[Саз(РО4)2]хРе204 с x=0-0,7 проводили магнитные измерения.
Результаты и их обсуждение. В результате измерений мы определили значения
намагниченности насыщения (Ms), остаточной намагниченности (Mr) и коэрцитивной силы (HcJ). На рис.1 показаны петли гистерезиса феррита Nii-х[Саз(РО4)2]хРе204 в зависимости от
изменения состава с x=0-0,7. Кривая гистерезиса показывает, что изменение состава сильно влияет на магнитные свойства: каждый состав имеет свою
кривую гистерезиса. Кривые показывают изменение намагниченности насыщения (Ms), остаточной намагниченности (Mr) и коэрцитивной силы (HcJ).
Отметим, что Ms и Mr образца при x=0,1 низкие, причем оба магнитных свойства увеличиваются при x=0,2-0,3 и начинают снижаться при x=0,4. Тогда как значение коэрцитивной силы (HcJ) изначально уменьшается при значениях x больше 0,2. Разница в кривых гистерезиса обусловлена чувствительными магнитными свойствами ферритов, которые сильно зависят от химического состава и структуры, но влияние также оказывают дефекты, размер кристаллитов, внутренняя деформация и распределение катионов.
Сводная информация о магнитных свойствах, полученных в ходе этого исследования, а также плотности, приведены в таблице 1.
Образец состава с x=0,3 с плотностью 4.87 г/см3 проявляет высокие значения остаточной намагниченности (Mr)=39,4652 эрг/г, намагниченности насыщения (Ms)=31,1568 эрг/г, коэрцитивной силы (HcJ)=0,3040 кА/м. При x=0,2 наблюдались наибольшее значение коэрцитивной силы (HcJ)=0,4050 кА/м.
"аблица 1. Магнитные свойства и плотность феррита №1-х[Саз(РО4)2~ xFe2O4
х Намагниченность насыщения, М«(эрг/г) Остаточная намагниченность, Мг(эрг/г) Коэффициент остаточной намагниченности, R = Mr/Ms Принудительное поле, Hc (кА/м) Плотность, (г/см3)
0 20.3468 11.5398 0.56 0.2350 4.81
0,1 22.4658 13.3422 0.59 0.2900 4.90
0,2 24.8520 15.6672 0.63 0.4050 4.85
0,3 39.4652 31.1568 0.79 0.3040 4.87
0,4 36.3584 25.8503 0.71 0.2440 4.93
0,5 33.9774 21.9364 0.64 0.1510 4.88
0,6 30.7354 16.2778 0.53 0.0950 4.95
0,7 28.7853 11.7387 0.41 0.0387 4.78
На рис.2 представлена зависимость намагниченности насыщения и остаточной намагниченности №1-х[Саз(РО4)2]хРе204.
Видно, что Ms и Mr увеличивались при x=0, 0,1, 0,2 и 0,3 и уменьшались при x=0,4, 0,5, 0,6 и 0,7. Коэффициент остаточной намагниченности R=Mr/Ms является характерным параметром материала, указывающим на изотропные свойства материала [15]. Чем ниже значение R, тем образец более изотропен; чем выше значение R, тем более анизотропен. Величина отношения R показывает легкость переориентации направления намагничивания на ближайшую легкую ось намагничивания после снятия магнитного поля.
Таким образом, анализ петли гистерезиса показывает, что магнитные свойства образцов состава №1-х[Саз(РО4)2]хРе204 (х=0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6 и 0,7) сильно зависят от количества вводимого фосфата кальция в матричную решетку феррита никеля. Причем такая зависимость не является линейной. Максимальное увеличение намагниченности насыщения и остаточной намагниченности наблюдается при значении х=0,3. Дальнейшее увеличение количества фосфата кальция не вызывает увеличение параметров Mr и Ms. А наооборот наблюдается некоторое уменьшение значений Mr и Ms. Такое обстоятельство может быть связано с перестройками в кристаллической решетке и магнитной подрешетке феррита никеля, легированного фосфатом кальция. Эти явления будут изучены в дальнейших рабботах [16].
Заключение. Исследовано влияние состава на структурные и магнитные свойства ферритов. Магнитные свойства, охарактеризованы при комнатной температуре. Результаты кривой гистерезиса показывают, что изменение состава влияет на магнитные свойства. Образец состава с x=0,3 с плотностью 4.87 г/см3 проявляет высокие значения остаточной намагниченности (Mr)=39,4652 эрг/г, намагниченности насыщения (Ms)=31,1568 эрг/г, коэрцитивной силы (HcJ)=0,3040 кА/м. При x=0,2 наблюдались наибольшее значение коэрцитивной силы (HcJ)=0,4050 кА/м.
Литература:
1. P.I.Slick In: Wolfforth EP (ed) 1980 Ferromagnetic materials vol 2 North hollond Amsterdam p 196.
2. Delta Magnet Group https://www.magdev.co.uk/soft-ferrites
3. H.T.Hahn 1991 the variation of permeability with ferrite tile density, Journal of Applied Physics p 6195.
4. S.J.Azhagushanmugama, N. Suriyanarayanan and R. Jayaprakash 2013 Synthesis and characterization of nanocrystalline Ni(0.6)Zn(0.4)Fe2O4 spinel ferrite magnetic material Physics Procedia p 44-48.
5. J. Azadmanjiri 2008 Structural and electromagnetic properties of Ni-Zn ferrites prepared by sol-gel combustion method Materials Chemistry and Physics 109 p 109-112.
6. R. Alexandre, L.G.Maria, C.S. Maria 2007 Effect of Mn substitution on the microstructure and magnetic properties of Ni0.50-xZn0.50-xMn2xFe2O4 ferrite prepared by the citrate-nitrate precursor method Materials Chemistry and Physics 105 p 229-223.
7. S. Monica, L. Diamandescua, R. Peelamedub and R. Royb 2004 Structural and magnetic properties of NiZn ferrites prepared by microwave sintering Journal of Magnetism and Magnetic Materials p 195-201.
8. S.J. Azhagushanmugama, N.Suriyanarayanan and R. Jayaprakash 2013 Synthesis and characterization of nanocrystalline Ni(0.6)Zn(0.4)Fe2O4 spinel ferrite magnetic material Physics Procedia 49 p 44-48.
9. S.Hua, Z.Huaiwu, T.Xiaoli, J.Yulan and L.Yingli 2007 Effects of composition and sintering temperature on properties of NiZn and NiCuZn ferrites Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310 p 17-21.
10. H. Jun and Y. Mi 2005 Preparation of high-permeability NiCuZn ferrite Journal of Zhejiang University Science 6 p 580-583.
11. G.K. Jae 2004 Studies of the Magnetic Properties of Ni-Zn-Cu Ferrite and its Synthesis by Using Metal Nitrate Salts Journal of the Korean Physical Society 44 p 1504-1508
12. M.S. Paizullakhanov, Zh.Z. Shermatov, E.Z. Nodirmatov, O.T. Rajamatov, F.N. Ernazarov, M.T. Sulaimanov, Sh. Nurmatov, Nikolai N Cherenda, Synthesis of materials by concentrated solar radiation, Journal of High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes, 2021, 25(2).
13. I.G. Atabaev, Sh.A. Faiziev, M. Paizullakhanov, Zh.Z. Shermatov, O. Razhamatov, High-strength glass-ceramic materials synthesized in a large solar furnace, Journal of Applied Solar Energy, 2015.07, 51, 202-205.
14. M.S.Paizullakhanov, E.Z.Nodirmatova, O.T.Rajamatov, A.A. Kholmatov, N.H. Karshiyeva and A.F.Turayevd, Features of Barium and Strontium Titanates and Ferrites Synthesized from a Melt in a Solar Furnace, Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2022 15(5): 553-560.
15. P.I.Slick 1980 Ferromagnetic Materials vol.2 North-Holland Publishing Company p 224 (Chapter 3).
16. N Idayanti, Dedi, T Kristiantoro, N Sudrajat, D Mulyadi and A Gustinova, Effects of varying chemical composition with x=0.1-0.7 on magnetic properties of soft ferrite Ni1-xZnxFe2O4, Sriwijaya international Conference on Science, Engineering and Technology, Materials Science and Engineering 620 (2019) 012105.
QUYOSHPECHIDA SINTEZ QILINGANMAGNIT MA TERIALLARNING XUSUSIYA TLARI
Har xil tarkibdagi NiCa ferritlari Katta Quyosh pechida (BSP) eritmadan sintez qilish yo'li bilan olingan. Namunalarni olish uchun dastlabki komponentlar temir oksidi (Fe2O3), nikel oksidi (NiO) va kaltsiy fosfat (Ca3 (PO4)2) yetti kompozitsiyali Ni1-x[Ca3(PO4)2]xFe2O4 bilan x=0-0,7gacha aralashtiriladi. Ferritlarning strukturaviy va magnit xususiyatlariga tarkibining ta'siri o'rganildi. Magnit xususiyatlari xona haroratida xarakterlangan. Gisterezis egri chizig'i natijalari kompozitsiyaning o'zgarishi magnit xususiyatlarga ta'sir qilishini ko'rsatadi. Zichligi 4,87 g/sm3 bo'lgan x=0,3 bo'lgan kompozitsiya namunasi qoldiq magnitlanishning yuqori qiymatlarini (Mr)=39,4652 erg/g, to'yingan magnitlanish (Ms)=31,1568 erg/g, majburlash kuchi (HcJ)=0,3040 kA/m ko'rsatadi. x=0,2 da majburiy kuchning eng yuqori qiymati (HcJ)=0,4050 kA/m kuzatildi.
ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ МА ТЕРИАЛОВ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ В СОЛНЕЧНОЙ ПЕЧИ
NiCa-ферриты различного состава получены методом синтеза из расплава на Большой Солнечной Печи(БСП). Для получения образцов исходные компоненты оксид железа (Fe2O3), оксид никеля (NiO) и фосфат калция (Са3(РО4)2) смешивали со семью составами Ni1-x[Саз(РО4)2]xFe2O4 с x=0—0,7. Исследовано влияние состава на структурные и магнитные свойства ферритов. Магнитные свойства, охарактеризованны при комнатной температуре. Результаты кривой гистерезиса показывают, что изменение состава влияет на магнитные свойства. Образец состава с x=0,3 с плотностью 4.87 г/см3 проявляет высокие значения остаточной намагниченности (Mr)=39,4652 эрг/г, намагниченности насыщения
51
(Ms)=31,1568 эрг/г, коэрцитивной силы (HcJ)=0,3040 кА/м. При x=0,2 наблюдались наибольшее значение коэрцитивной силы (HcJ)=0,4050 кА/м.
FEATURES OF MAGNETIC MATERIALS SYNTHESIZED IN A SOLAR FURNACE
NiCa-ferrites of different compositions were obtained by melt synthesis at the Large Solar Furnace(LSP). The initial components iron oxide (Fe2O3), nickel oxide (NiO) and calcium phosphate (Ca3(FO4)2) were mixed with seven compositions Ni1-x[Ca3(PO4)2]xFe2O4 with x=0-0.7 to obtain the samples. The effect of the compositions on the structural and magnetic properties of the ferrites was investigated. The magnetic properties, are characterized at room temperature. The results of hysteresis curve show that the change in composition affects the magnetic properties. The composition sample with x=0.3 with a density of 4.87 g/cm3 exhibits high values of residual magnetization (Mr)=39.4652 erg/g, saturation magnetization (Ms)=31.1568 erg/g, coercivity (HcJ)=0.3040 kA/m. At x=0.2, the highest value of coercivity (HcJ)=0.4050 kA/m was observed.
