CC BY
105
Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015 53
УДК 548.55
ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕКСАФЕРРИТА БАРИЯ ИЗ РАСТВОРА
Р.Ф. ХИСАМИТДИНОВА, ФГБОУВПО «ЮУрГУ», г. Челябинск, Россия
К.Н. ЕРЕМКИНА, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», г. Челябинск, Россия Т.Ю. АПАРИНА, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», г. Челябинск, Россия А.С. ПРОХОРОВА, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», г. Челябинск, Россия
К.П. ПАВЛОВА, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ», г. Челябинск, Россия
Аннотация
В данной статье представлены результаты эксперимента по методике, предложенной Р. Гамбино и Ф. Леонардо в 1961 году в США, и установлена применимость данной технологии. Были получены монокристаллы гексаферрита бария из раствора. Целью данного исследования является получение раствора с оптимальными условиями получения монокристаллов гексаферрита бария, определение структуры и свойств, а также определения точки Кюри - главной характеристики ферромагнетиков.
Ключевые слова: гексаферрит бария, монокристаллы, выращивание из раствора.
Актуальность. В мире, где развивается техническая и информационная
промышленность, актуальны вещества с ферромагнитными свойствами. Так как оборудования и детали могут находится и работать в различных условиях, то важной характеристикой для ферромагнетика является достаточно высокая точка температуры, при которой ферромагнетик теряет магнитные свойства, то есть точка Кюри). Этим свойством обладают ферриты с гексагональной кристаллической структурой. Наиболее распространены ферриты бария Ва, стронция Sr [1].
Керамические магниты с гексагональной структурой находят широкое применение в различных областях техники, 93 % всех
производимых магнитов в мировом производстве приходится на гексаферриты бария и стронция. Преимуществами керамических магнитов с гексагональной структурой перед традиционными
металлическими магнитами является, прежде всего, высокое удельное электросопротивление (105 ^ 109 Ом-см против 10-5 ^ 10-8 Ом-см у металлических магнитов), высокая
коэрцитивная сила, обеспечивающая стабильность магнитов, низкая стоимость и простота технологии получения [2].
Магнитные свойства гексаферритов существенно зависят от физико-химических свойств порошков: примесного, фазового,
гранулометрического составов; дисперсности,
кристаллической структуры частиц и др., которые в свою очередь во многом определяются технологическими факторами. К числу таких технологических факторов, в первую очередь, следует отнести трудноконтролируемые изменения фазового состава бариевых ферритов, проявляющиеся практически на всех операциях их получения; недостаточная изученность механизмов влияния неосновных фаз на электромагнитные параметры готовых изделий, значительное число равновесных соединений в системе ВаО -Fе2Оз, а также температурная нестабильность ВаFеl2Оl9, природа которой остается дискуссионной [3].
В данной статье представлены результаты получения монокристаллов гексаферрита бария. Так же представлены результаты исследования состава и свойства данного вещества, путем использования различных методик и оборудования. Выявлены основные характеристики гексаферрита бария и приведены области его применения.
Экспериментальная часть.
В экспериментальной работе для получения BaFe12O19 использовали раствор на основе Na2O. Была взята навеска общей массой 10 грамм, содержащая ВаСОз, Fe2O3, Na2CO3. Впервые данная методика была предложена и использована Р. Гамбино и Ф. Леонардо в 1961 в США. В своей работе они проанализировали систему ВаО - Na2O - Fe2O3, определив, что состав раствора обеспечивает приемлемые
54 Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015
условия для кристаллизации феррита бария [4]. Позднее была установлена применимость данной технологии для получения частично замещенных монокристаллов гексаферрита бария [5-7].
Мольное соотношение исходных веществ раствора: BaCO3- 13,897 мол. %;
Fe2O3 - 67,465 мол. %; Na2CO3 - 18,643 мол. % [4].
Вещества предварительно просушены в сушильном шкафу. Далее навеска была перетерта в агатовой ступке и засыпана в тигель. Затем тигель поместили в резистивную печь для гомогенизации и выдерживали при температуре 1300°С.
Для проведения экспериментальной работы по получению монокристаллов гексаферрита бария использовали резистивную печь с прецизионным ПИД-регулятором температуры. Более подробно о конструкции печи - в работе [8].
После выдержки температуру понижали со скоростью 4,5°С/ч до 900 °С. В результате эксперимента были получены чёрные непрозрачные кристаллы с блестящей поверхностью. Далее был отобран образец с более гладкой поверхностью и изучен с помощью:
1) оптического микроскопа Nikon;
2) растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7001F;
3) дифрактометре Rigaku Ultima IV;
4) дифференциальный сканирующий
калориметр DSC NETZSCH STA 449 C.
Рис. 1. Дифференциальный сканирующий калориметр DSC NETZSCH STA 449 C
Результаты и обсуждения.
Снимки поверхности, полученные оптическим микроскопом при разных увеличениях, представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Снимки образца BaFe12O19
С помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7001F были получены изображения поверхности образца в двух режимах работы микроскопа (Рисунок 3). Химический состав получен с помощью энергодисперсионного спектрометра Oxford INCA X-max 80 для элементного анализа (Таблица 1).
а)
1шт JEQL 10/29/2015
20.OkV CCWPO ЗШ TCD Юл» 13:45:31
Рис. 3. Снимки кристалла поверхности гексаферрита бария: а - в режиме сбора истинно вторичных электронов (SEI), б - в режиме обратнорассеяных лучей (COMPO)
Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015 55
Таблица 1
Состав образца BaFei2Oi9
Все результаты в массовых %
Остальные примеси менее 0,2%
Спектр O Al Fe Ba
Спектр 1 65,58 0,73 30,8 2,89
Спектр 2 65,87 1,44 29,89 2,8
Спектр 3 67,09 0,68 29,5 2,73
Среднее значение 66,18 0,95 30,06 2,81
В таблице 1 представлены 3 спектра, так как измерения проводили в трех различных областях на поверхности кристалла. Данные соответствуют формуле феррита бария -BaFei2Oi9. Наличие алюминия объясняется недостаточной чистотой исходных веществ.
Рентгенографическое исследование
проводили в диапазоне углов 20 от 15° до 90°. Полученная дифрактограмма приведен на рисунке 3. По горизонтальной оси отложены значения углов 20, а по вертикальной оси -относительная интенсивность пиков излучения. Распределение интенсивностей и положений пиков соответствуют данным ICSD.
Тсмпераяхура, (°С)
Рис. 5. ДСК образца
Рис. 4. Рентгенограмма BaFei2Oi9
В результате рентгенографического исследования были также получены значения параметров кристаллографической решетки: а = 5,8989 А; с = 23,220 А; V = 699,75 А.
Экспериментальные значения совпадают с литературными данными [9]: а=5,88 А; с = 23,2
А.
Результаты калориметрического анализа представлены на рисунке 5. Значение температуры Кюри находим как среднее арифметическое температур пиков на кривых охлаждения и нагрева.
Калориметрия (от лат. calor - тепло и греч. metreo-измеряю) - совокупность методов измерения тепловых эффектов (количества теплоты), сопровождающих различные
физические, химические и биологические процессы. Калориметрия включает измерения теплоёмкостей тел, теплот фазовых переходов, тепловых эффектов намагничивания, электризации, растворения, сорбции, химических реакций (например, горения), реакций обмена веществ в живых организмах и т.д. Приборы, применяемые в калориметрии называются калориметрами. Результаты, полученные при калориметрии, позволяют заранее, до постановки химических опытов, рассчитывать состав равновесных смесей, которые образуются, когда вещества вступают в обратимые реакции.
Заключение
В результате данного эксперимента были получены кристаллы феррита бария из раствора размером до 3 мм. Изучен химический состав кристаллов. Полученные параметры решетки: а = 5,8989 А; с = 23,220 А. Установили значение температуры Кюри - 449 °С. Данные,
полученные в ходе эксперимента, близки к литературным.
56 Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015
Список литературы
1. Зайцев Д.Д., Трусов Л.А., Казин П.Е., Третьяков Ю.Д. Синтез стеклокерамики, содержащей высокодисперсные частицы гексаферрита стронция М-типа, легированного алюминием // Известия академии наук. Серия химическая. 2005.
2. Костишин, В.Г. О возможности синтеза гексагональной ферритовой керамики BaFe12O19, SrFe12O19 и PbFe12O19 с мультиферроидальными свойствами / В.Г. Костишин, Л.В. Панина, Л.В. Кожитов, А.В. Тимофеев, А.К. Зюзин, А.Н. Ковалев // Журнал технической физики. - 2015. - Том 85. - Вып. 8. - С. 85-90.
3. Влияние режима диффузионного обжига на свойства гексаферрита бария [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://misis.ru/Portals/. Дата посещения: 16.11.2015.
4. R.J. Gambino, F. Leonhard. Growth of Barium Ferrite Single Crystals. // Journal of the American Ceramic Society. 1961. V. 44. № 5. p. 221-224.
5. Vinnik D.A. Growth, structural and magnetic characterization of Al-substituted barium hexaferrite single crystals / D.A. Vinnik, D.A. Zherebtsov, L.S. Mashkovtseva, S. Nemrava, M. Bischoff, N.S. Perov, A.S. Semisalova, I.V. Krivtsov, L. I. Isayenko, G. G. Mikhailov, R. Niewa // Journal of Alloys and Compounds. - 2015. - vol. 615. - P. 1043-1046.
6. Vinnik D.A. Ti-Substituted BaFe12O19 Single Crystal Growth and Characterization. / D.A. Vinnik, D.A. Zherebtsov, L.S. Mashkovtseva, S. Nemrava, N.S. Perov, A.S. Semialova, I.V. Krivtsov, L.I. Isaenko, G.G. Mikhailov, R. Niewa. // Journal of Crystal Growth and Design. - 2014. - Vol. 14(11). - P. 5834 -5839.
7. Vinnik D.A. Structural and Magnetic Characterization of Co- and Ni-substituted Barium Hexaferrite Single Crystals Growth/ D.A. Vinnik, D.A. Zherebtsov, L.S. Mashkovtseva, S. Nemrava, A.S. Semisalova, D.M. Galimov, L.I. Isaenko, R. Niew // Journal of Alloys and Compounds. - 2015. - vol. 628. - P. 480-484.
8. Винник Д.А., Резистивная печь для выращивания монокристаллов /Д.А. Винник // Бутлеровские сообщения. -2014. - Т. 39. - № 9. - С. 153-154.
9. Obradors, X. X-ray analyze of the structural and dynamic properties of BaFe12O19 hexagonal ferrite at room temperature / X. Obradors, A. Collomb, M. Pernet et al. // Journal of Solid State Chemistry. - Febr. 1985. -Vol. 56, iss. 2. - P. 171-181.
PREPARATION OF SINGLE CRYSTALS FROM SOLUTION OF BARIUM HEXAFERRITE
R.F. HISAMITDINOVA, SUSU, Chelyabinsk, Russia
K.N. EREMKINA, SUSU, Chelyabinsk, Russia T.Y. APARINA, SUSU, Chelyabinsk, Russia A.S. PROKHOROVA, SUSU, Chelyabinsk, Russia K.P. PAVLOVA, SUSU, Chelyabinsk, Russia
Abstract
This article presents an experiment on the method proposed by R. Gambino and F. Leonardo in 1961 in the United States and established the applicability of this technology. Were obtained single crystals of barium hexaferrite from solution. The aim of this study is to obtain a solution with optimal conditions for obtaining single crystals of barium hexaferrite, determination of structure and properties, as well as determination of the Curie point - the main characteristics of ferromagnets.
Keywords: barium hexaferrite, single crystal, flux growth.
