CC BY
74ISSN 1606-867Х (Print) ISSN 2687-0711 (Online)
Конденсированные среды и межфазные границы
https://journals.vsu.ru/kcmf/
Оригинальные статьи
Научная статья
УДК 532.135, 537.622, 546.05
https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9051
Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка для магнитореологических материалов
Ю. С. Гайдукш, Е. В. Коробко2, Д. А. Котиков1, И. А. Свито1, А. Е. Усенко1, В. В. Паньков1
1Белорусский государственный университет,
пр. Независимости, 4, Минск 220030, Республика Беларусь
2Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Национальной Академии Наук Беларуси, ул. П. Бровки, 15, Минск 220072, Республика Беларусь
Аннотация
Целью работы являлось получение образцов и определение структурных, морфологических, магнитных и магнитореологических свойств порошков феррита кобальта и феррита кобальта-цинка с целью использования их в качестве функционального компонента магнитореологических жидкостей.
Ферриты кобальта CoFe2O4 и кобальта-цинка Co0 65Zn0 35Fe2O4 получены методом соосаждения водных растворов солей с последующей термической обработкой осадков и исследованы методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии и магнитометрии.
Синтезированные ферриты являются полидисперсными порошками с размером первичных частиц 300-400 нм, размером областей когерентного рассеяния 22-33 нм и обладают высоким напряжением сдвига в магнитореологических суспензиях, в 2.5 раз превышающим соответствующую величину для наноразмерных частиц. Высокотемпературный отжиг приводит к существенному росту удельной намагниченности порошков, а также напряжения сдвига в суспензиях, приготовленных на их основе. Легирование цинком феррита кобальта приводит к увеличению удельной намагниченности и реологических характеристик.
Исследованные материалы обладают высоким напряжением сдвига в суспензиях (~ 2.5 кПа при 650 мТл), и могут быть использованы в качестве функционального наполнителя магнитореологических материалов. Ключевые слова: феррит кобальта, феррит кобальта-цинка, магнитореологические материалы Для цитирования: Гайдук Ю. С., Коробко Е. В., Котиков Д. А., Свито И. А., Усенко А. Е., Паньков В. В. Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка для магнитореологических материалов Конденсированные среды и межфазные границы. 2022;24(1): 19-28. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9051
For citation: Haiduk Yu. S., Korobko E. V., Kotikov D. A., Svito I. A., Usenka A. E., Pankov V. V. Preparation and characterization of cobalt and cobalt-zinc ferrites for magnetorheological materials. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2022;24(1): 19-28. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9051
И Гайдук Юлиан Станиславович, e-mail: [email protected]
© Гайдук Ю. С., Коробко Е. В., Котиков Д. А., Свито И. А., Усенко А. Е., Паньков В. В., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
Ю. С. Гайдук и др. Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка...
1. Введение
Магнитные жидкости (МЖ) и магнитореоло-гические жидкости (МРЖ) относятся к материалам, управляемым магнитным полем. Различие между ними связывается с величиной магнито-реологического эффекта, который в случае МРЖ значительно превышает таковой в МЖ. Как правило, МЖ содержат наноразмерные магнитные частицы, а их концентрация в композиции не превышает нескольких объемных процентов. В МРЖ содержание магнитных частиц может достигать 50 об. %, а размер этих частиц обычно больше 0.1 мкм [1]. МРЖ находят практическое применение в качестве активной среды демпфирующих устройств, предназначенных для защиты транспортных средств, промышленного оборудования, зданий и сооружений от вибраций и других механических воздействий, герметизации валов, для изготовления протезов, устройств отката и наката артиллерийских орудий и др. [2].
Главным способом увеличения магниторео-логического отклика суспензий является увеличение намагниченности микро- и наноразмер-ных магнитных частиц с одновременным снижением коэрцитивной силы, а также получение анизометричных частиц (например, игольчатой формы). Для решения указанной задачи необходимо совершенствование методик синтеза магнитных материалов. Перспективно использование не только отдельно микрочастиц или нано-частиц, но и их комбинирование. Известно, что микронные частицы проявляют более выраженный магнитореологический эффект, а добавка к ним наночастиц оказывает стабилизирующее влияние на суспензию, предотвращая или замедляя процессы агрегации и седиментации. При совокупном действии ряда факторов (морфология частиц, намагниченность, коэрцитивная сила, массовая доля в суспензии) возможно проявление синергического эффекта, в результате которого происходит сверхсуммарное увеличение вязкости.
В качестве перспективных ферримагнит-ных материалов активно исследуются феррит кобальта и ферриты кобальта-цинка, которые получают обычно методами соосаждения [3-6], золь-гель методом [7], методом электростатического распыления [8] и другими способами. Феррит цинка имеет решетку кубической шпинели с нормальным типом распределения катионов по подрешеткам, а феррит кобальта обладает обратным распределением катионов. Структурные отклонения вызывают неравновесное
распределение катионов в решетке, что является причиной изменения магнитных свойств [9-11]. Кроме того, изменяя распределение катионов в решетке феррита, за счет образования твердых растворов между отдельными составами ферритов можно в известных пределах менять магнитные свойства материала. Например, введение немагнитного иона Zn2+ в решетку феррита кобальта, занимающего преимущественно тетраэдрические позиции, приведет к миграции ионов Fe3+ в октаэдрические позиции, что вызовет увеличение магнитного момента.
В предыдущей работе [12] нами был разработан метод управления магнитными свойствами кобальт-цинкового феррита путем замещения ионов кобальта в структуре Со^п-шпинели немагнитным двухвалентным катионом, в данном случае цинком. Было обнаружено, что увеличение намагниченности и снижение коэрцитивной силы происходит вплоть до содержания цинка х = 0.35 (Со06^п03^е2О4) Полученный методом распылительной сушки с последующим отжигом в матрице инертного компонента №С1 феррит указанного состава представлял собой однородные по размеру (~ 50 нм) частицы, часть из которых находилась в суперпарамагнитном состоянии. Порошок имел удельную намагниченность около ~ 45 А-м2 кг-1 и в суспензии индустриального масла показывал напряжение сдвига ~ 1 кПа при индукции магнитного поля 600 мТл [12].
Целью настоящей работы являлось изучение структуры, морфологии, магнитных и маг-нитореологических свойств порошков феррита кобальта и феррита кобальта-цинка с целью использования их в качестве функционального компонента магнитореологических материалов, в частности, магнитореологических жидкостей. Для увеличения среднего размера частиц, удельной намагниченности и, как следствие, напряжения сдвига в суспензиях ферритов, была использована методика осаждения из растворов с последующей высокотемпературной обработкой осадков на воздухе.
2. Экспериментальная часть
Порошок феррита CoFe2O4 получали из растворов исходных солей с последующим высокотемпературным отжигом. Навески CoSO4x7H2O массой 36.54 г, Fe(NO3)3• 9Н20 массой 52.54 г растворяли в 1 л дистиллированной воды, при интенсивном перемешивании быстро вливали раствор аммиака. Проводили контроль значения кислотности образовавшейся суспензии
(рН = 11.0). Суспензию нагревали до 90 °С. Выпавший осадок отмывали методом магнитной декантации, после чего прокаливали при 740 °С в течение 8 ч на воздухе и перетирали в агатовой ступке.
Для получения Со06^п03^е2О4 навески 7Н20 массой 16.25 г, ZnCl2 массой 4.26 г, Fe(NO3)3 массой 49.81 г растворяли в 1.5 л дистиллированной воды. Раствор выдерживали в магнитной мешалке 5 минут для достижения полной гомогенизации. В полученный раствор солей при интенсивном перемешивании вливали раствор аммиака и при помощи индикаторной бумаги проводили контроль значения кислотности образовавшейся суспензии (рН = 11.0). Суспензию нагревали до 90 °С. Выпавший осадок отмывали методом магнитной декантации [12], после чего прокаливали при 740 °С в течение 8 ч и перетирали в агатовой ступке.
Рентгенографические исследования проводили с использованием дифрактометра ДРОН-3 (СоКа-излучение, 1 = 0.1790 нм) в интервале углов 20 = 6 - 90°. Размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) определяли по уширению дфракционных отражений (метод Шеррера).
Рентгеновская плотность рассчитывалась по формуле:
dx =
_8M_ a3 Nл
(1)
где М - формальная молекулярная масса; а -параметр кристаллической решетки, А; ЫА - чи -сло Авогадро.
Для оценки степени кристалличности образ -цов пользовались соотношением:
4
1 _ фон
I311
х 100%,
(2)
где I311 - интенсивность рефлекса шпинели, соответствующего кристаллографическому направлению 311; 1фон- интенсивность фоновой линии рентгенограммы.
Плотность дислокаций 8 (число линий на 1 м2) оценивали по формуле:
8 = (3)
D
ИК-спектры записывали на спектрометре AVATAR FTIR-330 (Thermo Nicolet) в области волновых чисел (v) 400-700 см -1с разрешением ±1 см-1. Запись производили методом диффузионного рассеяния при помощи приставки Smart Diffuse Reflectance.
Метод сканирующей электронной микроскопии применяли для изучения структуры поверхности поликристаллических и плёночных образцов на приборе LEO 1420. Одновременно методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX-анализ) определяли соотношение концентрации атомов металлов в порошках ферритов и особенности их распределения на поверхности частиц.
Исследования магнитных характеристик проводилось на установке Cryogen Free Measurement System Cryogenic Ltd, где были записаны петли гистерезиса при температурах 10 и 300 К и индукции магнитного поля Bmax = 8 Тл. Масса образцов без капсулы составляла 0.04134 г для CoFe2O4 и 0.0685 г для Co0 65Zn0 35Fe2O4.
Зависимость напряжения сдвига (t) суспензий от величины магнитной индукции приложенного магнитного поля измеряли на ротационном вискозиметре Physica MCR 301 Anton Paar в режиме постоянной скорости сдвига (связующее Mobil 22, скорость сдвига g = 200 с-1, Т = 20 °С). Суспензии порошков в связующем были приготовлены при помощи ультразвукового диспер-гатора UZDM-2 с частотой 44 кГц.
3. Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены спектры РФА ферритов CoFe2O4 и Co0 65Zn0 35Fe2O4, полученных методом соосаждения с последующей термической обработкой на воздухе (740 °С, 8 ч), и, для сравнения, спектр РФА феррита Co065Zn0 35Fe2O4, полученного ранее [12] методом распылительной сушки с последующей термической обработкой на воздухе (740 °С, 8 ч).
Исходя из анализа спектров РФА, можно сделать вывод о том, что во всех трех случаях в выбранных условиях термообработки полностью завершается образование шпинельной структуры феррита (пространственная группа Fd3m). При этом дифракционные рефлексы отличаются высокой интенсивностью и малым уширением, что свидетельствует о формировании высокоу-порядоченной кристаллической решетки. Позиции рефлексов и их относительные интенсивности указывают на наличие лишь одной фазы со структурой шпинели. Структурные параметры кристаллической решетки приведены в табл. 1.
Размер областей когерентного рассеяния, соответствующий физическим размерам кристаллитов, составляет для Co0 65Zn0 35Fe2O4, полученного методом соосаждения, 33 нм, что значительно больше, чем для образца, полученно-
liiOOfl uooo 1JO0O юом sooo
60W 4000 ¿ООО
о
J^J
jli
10 >0
JCh
2Thcta,
a
50 60 о
SO №
40 50 60
2Theta,0
б
л н о о в
СО S о В о н в S
18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 о
Л
w^aJ
Jl-
10 20 30 40 50 60 70 80 90
2ТЬе1а, °
в
Рис. 1. Спектры РФА: а) Со06^п0 35Ре204 (распылительная сушка); б) СоРе204 (соосаждение); в) Соа6^па35Ре204 (соосаждение)
Таблица 1. Структурные параметры кристаллической решётки: постоянная решётки а, объём элементарной ячейки V, размер ОКР Б, плотность дислокаций 5, рентгеновская плотность йх, степень кристалличности йс для порошков Со06^п0 35Ре204 (распылительная сушка) (1), СоРе204 (соосаждение) (2), Со06^п0 35Ре204 (соосаждение) (3)
Образец а, А V, нм3 D, нм 5Х102 нм-2 dx, г/см3 d, %
1 8,3998 592,626 20 0,2500 5,310 85
2 8,3898 590,554 22 0,2066 5,279 88
3 8,4037 593,488 33 0,0918 5,293 94
го методом распылительной сушки (20 нм). Это объясняется тем, что отжиг феррита в инертной среде хлорида натрия затрудняет рост кристаллитов. Также образцы, полученные методом с -осаждения, отличаются бот ее высокой степенью кристалличности и знач ительно меньшей плотностью дислокаций.
На рис. 2. представлены фрагменты СЭМ микрофотографий исследованных порошков СоРе204 и Со06^п0 35Ре204 которые показывают высокую степень агломерации частиц порош-
ков. Агломераты размером более 1 мкм возникают либо за счет свойств поверхности частиц, либо за счет того, что при данных условиях термообработки начался первый этап спекания частиц с образованием н ебольших перешейков между ними. Первичны е частицы имеют размеры 300-400 нм и характерную форму с выраженной огранкой. Более закристаллизованными выглядят частицы Со06^п0 35Ре204, так как температура синтеза и спекания феррита цинка гораздо ниже, чем феррита кобальта.
а б
Рис. 2. СЭМ-микрофотографии: а) CoFe2O4 (соосаждение); б) Co0 65Zn0 35Fe2O4 (соосаждение)
Сравнение размеров кристаллитов (областей когерентного рассеяния), рассчитанных по методу рентгеновской порошковой дифракции (табл. 1), с размерами частиц показывает, что отдельные частицы включают в себя несколько кристаллитов и являются многодоменными после проведенной термообработки при 740 °С. Известно, что критический размер перехода однодоменной частицы в область мно-годоменности при 300 К находится в области 40 нм, например, для феррита кобальта [13]. В области перехода к ферримагнитному состоянию с ростом размера частиц кристаллит самопроизвольно распадается на несколько доменов, чтобы уменьшить большую энергию намагничивания, которой обладает частица с одним доменом.
На рис. 3. представлены ИК-спектры поглощения порошков CoFe2O4 и Со06^п03^е2О4.
В области характеристических частот в обоих спектрах CoFe2O4 и Со0 6^п0 3^е2О4 хорошо выражены комбинированные полосы колебаний валентных связей Ме-0 (при 414 и 567 см1). Полосу при 414 см-1 принято относить к октаэдри-ческим колебаниям металла Ме ^ О, а поло-
окта '
су при 567 см-1 - к внутренним валентным колебаниям металла в узле Ме ^ О [5]. Указан' тетра 1
ные полосы поглощения имеются и на спектре Со06^п0 3^е2О4, полученном методом распылительной сушки [12]. Во всех случаях полосы имеют высокую степень разрешения, что может быть связано с высокой степенью упорядоченности кристаллической структуры.
Широкая полоса поглощения при 1600 см1 [12], связанная с колебаниями адсорбированной воды [11], выражена значительно слабее в образце CoFe2O4 (рис. 3а) и почти отсутствует в образце Со06^п03^е2О4 (рис. 3б). Также в спект-
55 50 45
хО
С^ 40
S 35 В
ез 30 &S
£25 С
О 20 С 15 10
5
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 -1
0 500 1000
Волновое число, см а
55
50
45
. ©
40
аГ 35
S
X 05 30
5Й
25
>.
С о 20
в.
С 15
10
5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Волновое число, см" б
Рис. 3. ИК-спектр поглощения: а) CoFe2O4; б) Co Zn Fe2O
Ю. С. Гайдук и др.
Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка...
ре Со06^п0 3^е204, полученном методом распылительной сушки, наблюдалось поглощение при 2100-2300 см1, 1500-1600 см1, вблизи 1000 см1 (предположительно связанные с адсорбированными молекулами СО2 и ионами N0^). Соответствующие полосы поглощения значительно слабее выражены в спектре образца CoFe204 (рис. 3а) и отсутствуют в спектре образца Со0 6^п0 3^е204, полученного методом соосаждения (рис. 3б).
На рис. 5 показано изменение намагниченности CoFe204 и Со0 6^п0 3^е204, полученных методом соосаждения, в зависимости от индукции магнитного поля. Оба порошка демонстрируют ферримагнитное поведение. При этом значения удельной намагниченности порошка для Со06^п0 3^е204 в нашем случае превышают значения удельной намагниченности кобальт-цинковых ферритов того же состава, полученных с помощью других подходов, например, золь-гель методом (60^80 А-м2 кг-1) [14, 15], методом соосаждения из водных растворов неорганических солей (40^70 А-м2 кг-1) [16], 60^90 А-м2 кг-1) [17].
В предыдущей работе было показано, что с увеличением содержания цинка в составе кобальт-цинкового феррита отмечается рост намагниченности насыщения. Так для порошка Со06^п03^е204 намагниченность составила М === 42.6 А-м2 кг-1, а для ^е204 М5 = 25.026.0 А-м2 кг-1. При увеличении концентрации ионов Zn2+ от 0 до 0.35 общая намагниченность (ММ ) для Со, Zn Fe„0. также повышается из-
4 окт тет' ^ 1-х х 2 4
за вытеснения ионами цинка части ионов железа в октаэдрические позиции шпинели. При этом происходит увеличение межподрешеточ-ного АВ сверхобменного взаимодействия с ростом намагниченности феррита [12]. Когда же количество замещающих ионов Zn2+ становится достаточно велико (х > 0.35) начинается антиферромагнитное взаимодействие ионов Fe3+, находящихся в соседних положениях в октаэдри-ческой подрешетке, то есть ВВ взаимодействие,
что приводит к уменьшению общего магнитного момента [12].
Также ранее было установлено, что легирование ионами цинка феррита кобальта приводит к снижению коэрцитивной силы при одинаковых размерах частиц [7, 12], что связывается с уменьшением магнитной анизотропии легированных порошков. Максимальным значением коэрцитивной силы обладают частицы критического размера, то есть на границе перехода в ферри-магнитное состояние. В случае феррита кобальта этот размер составляет ~ 40 нм, с дальнейшим увеличением размера частиц коэрцитивная сила начинает снижаться. Такую зависимость можно объяснить на основе доменной структуры, критического размера частиц, а также на основании величины анизотропии поверхности и межкри-сталлитных границ. Полученное нами значение коэрцитивной силы при 300 К равное 0.27 кЭ, гораздо меньше теоретически рассчитанного для феррита кобальта 5.3 кЭ [13], что свидетельствует о ферримагнитном состоянии частиц.
Магнитные параметры порошков, рассчитанные из петель магнитного гистерезиса CoFe204 и Со06^п03^е204, приведены в табл. 2.
Форма кривых намагниченности, представленных на рис. 4, близка к форме, известной из литературных данных, и характеризуется значительной прямоугольностью [18]. Как следует из данных табл. 2, величина М5 с увеличением температуры снижается незначительно, в то время как значения приведенной остаточной намагниченности МуМ и коэрцитивной силы Я снижаются очень заметно. Такая зависимость связывается с тепловыми флуктуациями намагниченности индивидуальных частиц [18 - 20]. Для CoFe204 при низких температурах МуМ = 0.83, что в соответствии с моделью Стоунера-Воль-фарта (Stonerand-Wohlfarth) указывает на проявление кубической анизотропии, в то время как для Со06^п03^е204 она отсутствует (М/М < 0.5)
Таблица 2. Параметры кривых намагничивания порошков СоБе204 и Со0 6^п0 35Ре204 (намагниченность насыщения М8, приведенная остаточная намагниченность М/М, коэрцитивная сила Я)
CoFe2O4 C00.65Zn0.35Fe2O4
Т, К м, s7 A-м2 кг-1 м/м H, кЭ с1 M, A-м2 кг-1 м/м H, кЭ c
10 83.3 0.77 12.5 123.6 0.44 1.35
100 83.5 0.74 8.0 122.4 0.39 1.1
200 80.7 0.60 3.1 112.5 0.23 0.5
300 73.2 0.37 0.27 97.9 0.12 0.1
Рис. 4. Кривые зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля при различных температурах 1 - 10 К, 2 - 300 К: а) СоБе2О4; б) СО0 65Zno 35ре2О4
2500
2000
1500
1000
500
скорость сдвига 2 с скорость сдвига 8 с1 скорость сдвига 33 с"
100
200 300 400 Н, мТл а
500 600
700
Рис. 5. Зависимость напряжения сдвига МРЖ, содержащей 20 масс. % порошка феррита, в Mobil 22, от индукции магнитного поля при скоростях сдвига 2, 8, 33 с-1: а) CoFe2O4; б) Co0 ^п0 35Fe2O4
[12]. Необычные перегибы на кривых намагничивания (рис. 4а) могут быть обусловлены взаимодействием между жестким и мягким режимами анизотропии, полидисперсностью порошка, формой частиц и их взаимодействием между собой [12].
Как следует из данных табл. 2, коэрцитивная сила цинксодержащего феррита значительно ниже, чем для СоБе^. Это, прежде всего, связано с характеристической константой анизотропии материала и напрямую связано с введением в структуру феррита ионов цинка [12]. Кроме того, наличие в образцах неоднородностей, примесей, дефектов кристаллической решётки, препятствующих перемагничиванию образца, также приводит к росту #. Эти факторы связаны с методикой синтеза образца. Порошок Со0 65Zn0 35Бе2О4 полученный в данной работе, при 300 К обладает Я = 0.1 кЭ, в то время как полу-
ченный методом распылительной сушки в среде хлорида натрия - 0.4 кЭ [12]. В случае МРЖ желательно использовать ферриты с меньшей коэрцитивной силой, чтобы повысить магнитоу-правляемость композиции.
Сравнение значений Мз для Со0 65Zn0 35ре2О4, полученного методом распылительной сушки, с последующим отжигом в среде ЫаС1, приведенных в работе [12] и полученного методом соо-саждения с последующим обжигом на воздухе в тех же условиях, приведенные в табл. 2, показывает заметный рост удельной намагниченности для метода соосаждения. Высокотемпературный отжиг порошка Co0 65Zn0з5Fe2O4 на воздухе по сравнению с отжигом в матрице ЫаС1 приводит к формированию частиц большего размера и более высокими значениями степени кристалличности. Приповерхностный слой в таких частицах с неупорядоченной ориента-
Ю. С. Гайдук и др. Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка...
цией спинов оказывает заметно меньшее влияние на магнитные свойства частиц, чем в первом случае, поэтому значения удельной намагниченности оказываются существенно выше. Таким образом, найденный режим термообработки оказался оптимальным для получения высоких значений намагниченности для состава Co0 65Zn0 35Fe2O4. В этом случае была сведена к минимуму негативная роль немагнитного поверхностного слоя частиц, и сами они сохранили свою индивидуальность на наноуровне без спекания друг с другом.
Полученные методом соосаждения порошки CoFe2O4 и Co0 65Zn0 35Fe2O4 обладали большой маслоемкостью и формировали устойчивые суспензии в индустриальном масле Mobil 22, что делает возможным их применение в качестве функционального наполнителя различных маг-нитореологических материалов, включая маг-нитореологические суспензии на основе карбонильного железа в синтетическом масле. В последнем случае добавки ферритов выполняли бы модифицирующую и стабилизирующую функции. На рис. 5 представлены зависимости напряжения сдвига от индукции магнитного поля при различных скоростях сдвига для МРЖ, содержащей 20 масс. % порошка феррита, в индустриальном масле Mobil 22.
Высокие значения напряжения сдвига (2500 Па и более) при 650 мТ позволяют рассматривать исследованные порошки как перспективные материалы для указанных выше целей. Для сравнения интересно отметить, что исследованный ранее порошок Co0 65Zn0 35Fe2O4, полученный методом распылительной сушки при 650 мТ, показывал напряжение сдвига ~ 1000 Па [12]. Такое существенное, более чем в 2 раза, увеличение напряжения сдвига в полученных образцах следует связывать с условиями синтеза порошков, в особенности с высокотемпературным отжигом. Отжиг ведет не только к некоторому увеличению размера частиц и степени кристалличности (от 85 до 97 %), но и к изменению формы частиц от округлой к гранеобразной при сравнении порошков Co0 65Zn0 35Fe2O4, полученных методом распылительной сушки [12] и методом соосаждения. Такие морфологические изменения влияют на реологическое поведение порошков в суспензии, приводя к увеличению значений величины напряжения сдвига. При этом может увеличиваться плотность и масло-емкость частиц.
4. Выводы
Предложен способ получения феррита кобальта и феррита кобальта-цинка, основанный на методе соосаждения из водных растворов соответствующих солей, включающий высокотемпературную обработку осадков на воздухе, позволяющий получить высококристалличные полидисперсные порошки, обладающие высокой удельной намагниченностью насыщения (97.9 А-м2-кг-1 при 300 К).
Синтезированные ферриты являются полидисперсными порошками с размером первичных частиц 300-400 нм, размером областей когерентного рассеяния 22-33 нм и обладают высоким напряжением сдвига в магнитореологи-ческих суспензиях, в 2.5 раз превышающим соответствующую величину для наноразмерных частиц.
Получены суспензии порошков ферритов с индустриальным маслом Mobil 22 (20 масс. %) для исследования зависимостей напряжения сдвига от индукции магнитного поля. Высокое значение напряжения сдвига (2.5 кПа) при сравнительно невысокой индукции магнитного поля (от 600 мТл и выше) позволяют считать полученные материалы перспективным для использования в качестве функционального наполнителя различных магнитореологических материалов, в том числе для магнитореологических суспензий демпферных устройств.
Заявленный вклад авторов
Гайдук Ю. С. - написание статьи, синтез материалов, проведение исследования, интерпретация результатов. Коробко Е. В. - проведение исследования (магнитореологические измерения), участие в интерпретации результатов, научное редактирование. Котиков Д. А. - проведение исследования (ИК-спектроскопия), научное редактирование. Свито И. А. - проведение исследования (магнитометрия), участие в интерпретации результатов. Усенко А. Е. - научное руководство, участие в интерпретации результатов. Паньков В. В. - научное руководство, концепция исследования, участие в интерпретации результатов, итоговые выводы.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет известных финансовых конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.
Ю. С. Гайдук и др.
Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка...
Список литературы
1. Vekas L. Ferrofluids and magnetorheological fluids. Advances in Science and Technology. 2008;54(1):127-136. https://doi.org/10.4028/www. scientific.net/AST.54.127
2. Беляев Е. С., Ермолаев А. И., Титов Е. Ю., Тумаков С. Ф. Магнитореологическиежидкости: технологии создания и применение. Н. Новгород; Ниже-город. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. 2017. 94 с. http://www.vntr.ru/lib/vntr18-VOL7.pdf
3. Mayekar J., Dhar V., Radha S. Synthesis, Characterization and magnetic study of zinc ferrite nanoparticles. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2016;5(5): 83678371. https://doi.org/10.15 680/IJIR-SET.2016.0505268
4. Rani B. J., Ravina M., Saravanakumar B., Ravi G., Ganesh V., Ravichandran S., Yuvakkumar R. Ferrimag-netism in cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles. Na-no-Structures &Nano-Objects. 2018;14: 84-91. https:// doi.org/10.1016/j.nanoso.2018.01.012
5. Manouchehri S., Ghasemian Z., Shahba-zi-Gahrouei D., Abdolah M. Synthesis and characterization of cobalt-zinc ferrite nanoparticles coated with DMSA. Chem Xpress. 2013;2(3):147-152. https://www. tsijournals.com/articles/synthesis-and-characterization-of-cobaltzinc-ferritenanoparticles-coated-with-dmsa.pdf
6. Lopez. P. P. J., Gonzalez-Bahamon L. F., Prado J., Caicedo J. C., Zambrano G., Gomez M. E., Esteve J. Study of magnetic and structural properties of ferro-fluids based on cobalt-zinc ferrite nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2012;324(4): 394-402. https://doi.org/10.10Wj. jmmm.2011.07.040
7. Singhal S., Namgyal T., Bansal S., Chandra K. Effect of Zn substitution on the magnetic properties of cobalt ferrite nano particles prepared via sol-gel route. Journal of Electromagnetic Analysis and Applications. 2010;2(6): 376-381. http://dx.doi.org/10.4236/ jemaa.2010.26049
8. Gaikwad R. S., Chae S.-Y., Mane R. S., Han S.-H., Joo O.-S. Cobalt ferrite nanocrystallites for sustainable hydrogen production application. International Journal of Electrochemistry. 2011: 1-6. https://doi. org/10.4061/2011/729141
9. Ladole С. A. Preparation and characterization of spinel zinc ferrite ZnFe2O4. International Journal of Chemical Science. 2012;10(3): 12301234. Режим доступа: https ://www.tsij ournals.com/articles/prepa-ration-and-characterization-of-spinel-zinc-fer-rite-znfe2o4.pdf
10. Raghuvanshi S., Kane S. N., Tatarchuk T. R., Mazaleyrat F. Effect of Zn addition on structural, magnetic properties, antistructural modeling of Co1-xZnFe2O4 nano ferrite. AIP Conference Proceedings
1953. 2018: 030055. https://doi.org/10.1063/1.5032390
11. Sawadzky G. A., Van der Woude F., Morrish A. H. Cation distributions in octahedral and tetrahedral sites of the ferrimagnetic spinel CoFe2O4. Journal of Applied Physics. 1968;39(2): 1204-1206. https://doi. org/10.1063/1.1656224
12. Гайдук Ю. С., Коробко Е. В., Шевцова К. А., Котиков Д. А., Свито И. А., Усенко А. Е., Ивашенко Д. В., Фахми А., Паньков В. В. Синтез, структура и магнитные свойства кобальт-цинкового наноферрита для магнитореологических жидкостей. Конденсированные среды и межфазные границы. 2020;22(1): 28-38. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2526
13. Chinnasamy C. N., Jeyadevan B., Shinoda K., Tohji K., Djayaprawira D. J., Takahashi M., Joseyphus R. J., Narayanasamy A. Unusually high coercivity and critical single-domain size of nearly monodispersed CoFe2O4 nanoparticles. Applied Physics Letters. 2003;83(14): 2862-2864. https://doi. org/10.1063/1.1616655
14. Lin 0., Xu J., Yang F., Lin J., Yang H., He Y. Magnetic and mossbauer spectroscopy studies of zinc-substituted cobalt ferrites prepared by the sol-gel method. Materials. 2018;11(10): 1799. https://doi. org/10.3390/ma11101799
15. Liu Y., Zhu X. G., Zhang L., Min F. F., Zhang M. X. Microstructure and magnetic properties of nanocrystalline Co1-xZnxFe2O4 ferrites. Materials Research Bulletin. 2012;47: 4174-4180. https://doi. org/10.1016/j.materresbull.2012.08.076
16. Ranjani M., Jesurani S., Priyadharshini M., Vennila S. Sol-gel synthesis and characterization of zinc substituted cobalt ferrite magnetic nanoparticles. International Journal of Advanced Research. 2016;5(6): 882886. https://doi.org/10.17577/IJERTV5IS060665
17. Copolla P., da Silva F. G., Gomide G., Paula F. L.O., Campos A. F. C., Perzynski R., Kern C., Depeyrot G., Aquino R. Hydrothermal synthesis of mixed zinc-cobalt ferrite nanoparticles: structural and magnetic properties. Journal of Nanoparticle Research. 2016;18(138): 1 - 15. https://doi.org/10.1007/s11051-016-3430-1
18. Praveena K., Sadhana K. Ferromagnetic properties of Zn substituted spinel ferrites for high frequency Aapplications. International Journal of Scientific and Research Publications. 2015;5(4): 121. http:// www.ijsrp.org/research-paper-0415.php?rp=P403877
19. Комогорцев С. В., Патрушева Т. Н., Балаев Д. А., Денисова Е. А., Пономаренко И. В. Наночастицы кобальтового феррита на основе мезопористого диоксида кремния. Письма в журнал теоретической физики. 2009;35(19): 6-11. https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=20326999
20. Комогорцев С. В., Исхаков Р. С., Балаев А. Д., Кудашов А. Г., Окотруб А. В., Смирнов С.И. Магнитные свойства ферромагнитных наночастиц Fe3C,
Ю. С. Гайдук и др. Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка...
капсулированных в углеродных нанотрубках. Физика твёрдого тела. 2007;49(4): 700-703. Ы^:// elibrary.ru/item.asp?id=20319789
Информация об авторах
Гайдук Юлиан Станиславович, к. х. н., с. н. с., Белорусский государственный университет (Минск, Республика Беларусь).
https://orcid.org/0000-0003-2737-0434 [email protected]
Коробко Евгения Викторовна, д. т. н, профессор, заведующий лабораторией, Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси (Минск, Республика Беларусь).
https://orcid.org/0000-0002-2870-9658 [email protected]
Котиков Дмитрий Анатольевич, к. х. н., доцент, доцент, Белорусский государственный университет (Минск, Республика Беларусь).
https://orcid.org/0000-0002-3318-7620 [email protected]
Свито Иван Антонович, к. ф.-м. н., с. н. с., Белорусский государственный университет (Минск, Республика Беларусь).
https://orcid.org/0000-0002-4510-0190 ivansvito 184@gmail. com
Усенко Александра Евгеньевна, к. х. н., доцент кафедры физической химии, Белорусский государственный университет (Минск, Республика Беларусь).
https://orcid.org/0000-0002-2251-6193 [email protected]
Паньков Владимир Васильевич, д. х. н., профессор, профессор кафедры физической химии Белорусского государственного университета (Минск, Республика Беларусь).
https://orcid.org/0000-0001-5478-0194 [email protected]
Поступила в редакцию 09.09.2021; одобрена после рецензирования 01.10.2021; принята к публикации 15.12.2021; опубликована онлайн 25.03.2022.
