Аналитический обзор литературы

Отчет

по курсовой научно – исследовательской работе

Тема: «Влияние режимов получения, термообработки и травления на структуру и магнитные свойства порошков гексаферрита стронция SrFe₁₂O₁₉, полученных методом кристаллизации оксидного стекла».

 

 

 

Студент: Василенко Р.В.

Группа: МФ-12-1

Научный руководитель:

 

Зав.НИЛ ПМ

Менушенков В.П.

 

 

Москва 2015

 

Введение. 3

Аналитический обзор литературы.. 4

Магнитотвердые материалы.. 4

Общая характеристика. 4

Классификация магнитотвердых материалов. 4

Специальные магнитотвердые материалы.. 5

Характеристики магнитотвердых материалов. 7

Структура и свойства постоянных магнитов на основе SrFe2O19. 12

Методы получения дисперсных порошков гексаферритов SrFe12O19. 17

Керамический метод. 17

Метод химического соосаждеиия. 17

Золь-гель метод. 18

Микроэмульсионый метод. 18

Пиролиз аэрозолей (распылительная сушка) 19

Получение гексаферритов разложением металлоорганических комплексов. 20

Получение гексаферритов М-типа методом кристаллизации стекла. 20

Методика эксперимента. 22

Результаты экспериментов и их обсуждение. 25

Выводы.. 28

Список литературы: 29

Введение

Изделия из магнитотвердых сплавов широко используются в электро- и радиотехнической, электронной и приборостроительной отраслях промышленности, в компьютерной и медицинской технике. На сегодняшний день и ближайшие годы основным магнитотвердым материалом, выпускаемым и потребляемым промышленностью, остаются гексаферриты, в частности, порошки гексаферрита стронция SrFe2O19, используемые для изготовления спеченных магнитов или магнитопластов.

Гексаферрит стронция обладает высокой химической стойкостью, при этом он значительно дешевле редкоземельных магнитотвёрдых материалов системы Nd-Fe-B, хотя свойства порошков гексаферрита стронция заметно ниже. Однако свойства порошков SrFe2O19 могут быть заметно увеличены. Одним из возможных путей в этом направлении является разработка способов получения SrFe2O19 в нанокристаллическом состоянии. Cплавы гексаферрита стронция получают разными способами: самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, индуцированной микроволнами реакцией окисления, кристаллизацией аморфной фазы, полученной закалкой из жидкости, золь-гель технологией, химическим осаждением из жидкого раствора, механохимическим методом, методом кристаллизации оксидного стекла и др.

Одним из способов получения мелкодисперсных гексаферритов является кристаллизация стеклообразного оксидного предшественника при его термической обработке. При этом образуются однодоменные магнитные частицы, имеющие размеры в нано- и субмикронном диапазоне и характеризующиеся высокой коэрцитивной силой. Однако, имеющиеся в настоящее время данные по гексаферриту стронция ограничены только несколькими составами в боратной системе. Отсутствуют систематические исследования, которые могли бы позволить выявить закономерности в образовании частиц гексаферрита с определенными геометрическими и магнитными параметрами. Остается проблемой получение частиц с узким распределением по размерам и достаточно большой коэрцитивной силой.

Аналитический обзор литературы

Магнитотвердые материалы

Общая характеристика

К магнитным материалам относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости. Магнитные материалы в основном делятся на две большие группы – магнитотвёрдые и магнитомягкие материалы.

Согласно ГОСТ, магнитотвердый материал – это магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции Н_сВ не менее 4 кА/м, который перемагничивается в очень сильных магнитных полях и служит для изготовления постоянных магнитов.

 

Классификация магнитотвердых материалов

По назначению магнитотвердые материалы делятся на три большие группы:

материалы для постоянных магнитов;

материалы для роторов гистерезисных двигателей;

материалы для магнитной записи.

Сплавы для постоянных магнитов представляют собой наиболее распространенную группу магнитотвердых материалов. Многообразие этих сплавов, протекающих в них структурных и фазовых превращений, позволяет на их примере более наглядно проследить основные закономерности формирования высококоэрцитивного состояния.

Постоянные магниты используются для получения постоянных по величине магнитных полей значительной напряженности в воздушном зазоре. Они входят в число основных элементов электроизмерительных приборов постоянного тока, телефонных аппаратов, электрических счетчиков, громкоговорителей и многих других приборов.

Для изготовления постоянных магнитов используют большое число различных сплавов и соединений, обеспечивающих требуемый уровень магнитных характеристик. К ним относятся сплавы Fe-Ni-Al, Fe-Ni-Al-Co, Fe-Cr-Co, Mn-Al, Fe-Co-V, Fe-Mn и другие.

Для гистерезисных двигателей используются сплавы Fe-Co-V, Fe-Co-Ni-V, Fe-Co-Cr-V, Fe-Cr-V, Fe-Co-V-Mo.

Наибольшее распространение для изготовления носителей магнитной записи получили сплавы системы Fe-Cr-Ni типа 18Х9Н.

По видам анизотропии и механизмам перемагничивания все магнитотвердые материалы можно разделить на:

материалы с одноосной анизотропией полей рассеяния (анизотропией формы), причина магнитного гистерезиса в которых обусловлена необратимым вращением вектора намагниченности в однодоменных частицах. К этой группе следует отнести магниты из однодоменных удлиненных частиц железа или сплавы железо-кобальт (ESD – магниты) и сплавы на основе Fe-Ni-Al-Co и Fe-Co-Cr;

материалы с одноосной кристаллической анизотропией, причина магнитного гистерезиса в которых связана с трудностью необратимого смещения доменных границ или трудностью образования зародыша обратной намагниченности. Сюда следует отнести материалы на основе интерметаллических соединений РЗМ с 3d-переходными металлами и сплавы на основе Fe-Pt, Co-Pt, Mn-Al, Mn-Bi;

материалы с неодноосной кристаллической анизотропией, гистерезис перемагничивания которых происходит в результате затруднения необратимого смещения доменных границ при наличии неферромагнитных включений или внутренних напряжений. К третьей группе относятся сплавы на основе Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Fe-Co-Mo, Fe-Mo-V, Fe-Co-V и углеродистые стали с W, Cr и Co.

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на литые, порошковые и специальные.

 

Методы получения дисперсных порошков гексаферритов SrFe12O19

Керамический метод

Для получения гексаферритов в промышленности наиболее широкое распространение получил керамический метод, в котором итоговый продукт образуется из оксидной смеси в результате твердофазной реакции. В качестве прекурсоров обычно используют оксид железа и соответствующий карбонат ЩЗЭ. После смешивания и измельчения реагентов для синтеза однофазного материала проводят термообработку при температурах 1150-1500°С. Зёрна гексаферрита в получаемых таким образом порошках имеют средний размер несколько микрон и не являются однодоменными, что отрицательно сказывается на их коэрцитивной силе. Поэтому однофазные порошки гексаферрита подвергают помолу для уменьшения размеров частиц до 1 мкм. Однако помол приводит к накоплению дефектов кристаллической структуры, которые снижают магнитные характеристики. Их можно устранить при помощи дополнительного отжига при температурах 900-1000°С. Коэрцитивная сила промышленных магнитов не превосходит 4000 Э. Полученные твердофазным спеканием порошки используют для изготовления керамических образцов и магнитопластов, но они не пригодны для других применений (например, для магнитной записи, покрытий, наноструктур и т.д.), главным образом, из-за широкого распределения частиц по размерам и высокой степени агрегации. Для преодоления этих проблем и получения однодоменных частиц гексаферритов высокого качества применяют различные методы гомогенизации и активации исходных прекурсоров, позволяющие снизить температуры синтеза и контролировать процессы образования и роста частиц.

При получении гексаферрита стронция в промышленности в качестве исходных веществ используется оксид железа и карбонат стронция. Стоит отметить, что лучшие магнитные параметры образцов стронциевых гексаферритов по сравнению с бариевыми достигаются при одинаковой их стоимости. Они также менее токсичны.

 

Золь-гель метод

Требуемое количество растворяли в дистилированной воде и количественно осаждали нитратом аммония. Осадок промывали водой для удаления анионов . Полученный гидроксид железа растворяли в лимонной кислоте и к этому раствору добавляли соль ЩЗЭ - , , , . Далее к раствору добавляли этиленгликоль и медленно нагревали до образования геля. После этого гель подвергался соответствующей термической обработке в печи. Во всех работах авторы брали избыток ЩЗЭ по отношению к железу, чтобы воспрепятствовать образованию в образцах.

R. Martinez Garcia и соавторы подвергали полученный гель термической обработке в токе кислорода в течение нескольких часов. При этом они наблюдали формирование гексаферрита уже при 250 °С. Гексаферрит образовывался в виде частиц размером 7-12 нм. С увеличением температуры отжига размер частиц гексаферрита увеличивался, а в образцах появлялся . Для сравнения авторы проводили также отжиг на воздухе, но при этом формирование гексаферрита при низкой температуре не происходило. Так, образец отожженный на воздухе при 400°С, содержал только и . Авторы полагали, что отжиг в токе кислорода препятствовал образованию , так как все время удалялся из зоны реакции. Таким образом, промежуточный продукт, для разложения которого нужна высокая температура, не образовывался, и фаза формировалась при низкой температуре.

 

 

Микроэмульсионый метод.

Микроэмульсиями называют коллоидные системы из двух несмешивающихся жидкостей, состоящие из микрообластей одной или обеих жидкостей, стабилизированных молекулами поверхностно-активных веществ. Для синтеза гексаферритов используются микроэмульсии типа «вода в масле», в которых капли воды, распределенные в углеводороде, выступают в качестве микрореакторов. Метод интересен, прежде всего тем, что позволяет точно контролировать размеры и форму частиц, а также кинетику их образования, варьируя физико-химические свойства микроэмульсий. Основным преимуществом метода является узкое распределение получаемых частиц по размерам. Размеры частиц определяются размерами водных капель, которые лежат в интервале 5 - 100 нм и зависят от соотношения количеств воды и ПАВ. В типичном эксперименте к микроэмульсии, содержащей микрокапли с растворами солей стронция и железа, добавляют микроэмульсию с микрокаплями осадителя. Далее при столкновениях капель происходит смешение их содержимого и выпадение осадка внутри капель. Скорость процесса определяется природой углеводородной фазы и ПАВ. Если пленка ПАВ на границе капель способна пропускать ОН-групны, то можно применять только одну микроэмульсию, а осадитель добавлять непосредственно в дисперсионную среду. Твердый осадок выделяют из коллоидного раствора центрифугированием и тщательно промывают от углеводорода и ПАВ. Далее полученный порошок подвергают термообработке (обычно при 950°С) для образования гексаферрита, т.к. непосредственно в растворе он не формируется. Конечный продукт сильно агрегирован, но состоит из ультрадисперсных частиц гексаферрита с узким распределением по размерам. Стоит отметить, что использование ПАВ сильно повышает стоимость конечного продукта.

 

Пиролиз аэрозолей (распылительная сушка)

В данном методе раствор солей стронция и железа переводится в состояние аэрозоля при помощи ультразвукового распылителя и пропускается через нагретую печь, где происходит испарение растворителя и разложение солей. Схема устновки для синтеза представлена на рисунке 20.

Рисунок 7. Схема установки для пиролиза.

 

Обычно такого воздействия оказывается недостаточно для формирования гексаферрита, поэтому полученные порошки подвергают дополнительному отжигу. Тем не менее, метод позволяет получать гомогенные рентгеноаморфные прекурсоры, в которых реакция образования частиц гексафсррита протекает уже при относительно низких температурах. Особенность метода состоит в том, что частицы прекурсора представляют собой микросферы диаметром 0.1-5 мкм, получающиеся из капель аэрозоля при быстрой сушке. Таким образом, размер частиц гексаферрита может быть ограничен размерами капли и толщиной оболочки микросферы. В свою очередь, размеры капель можно варьировать путем изменения рабочей частоты и диаметра сопла пульверизатора, а также поверхностного натяжения раствора.

 

Методика эксперимента

 

Общая схема получения порошков гексаферрита стронция приведена на рис. 8:

 

 

Измерение магнитных свойств

 

Схема установки гистерезисграфа (рис.9): 1 - электромагнит типа ФЛ – 1; 2 - образец; 3 - компенсационная катушка; 4 - измерительная катушка; 5 - полевая катушка; 6 - мостовая схема компенсации измерительной и компенсационной катушек; 7 - микровеберметр типа Ф192; 8 - двухкоординатный самописец; 9 - блок питания (выпрямитель с переключателем полярности).

Схема мельницы планетарного типа САНД-1 представлена на рис.10:

 

 

 

 

Схемы прессования представлена на рис.11:

 

 

 

 

 

Выводы

В настоящей научной работе ставилась цель исследование влияния режимов получения, термообработки и травления на структуру и магнитные свойства порошков гексаферрита стронция SrFe₁₂O₁₉, полученных методом кристаллизации оксидного стекла. На основе проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что методом кристаллизации получены быстрозакаленные сплавы с субмикрокристаллической и аморфной структурой. Коэрцитивная сила и индукция получились соответственно.
2. Установлено, что после отжига быстрозакаленных сплавов при 900 ^oС в их структуре сохраняются SrFe₁₂O₁₉ и немагнитная фаза SrB₂O₄. Увеличение содержания гексаферрита приводит к повышению коэрцитивной силы и намагниченности насыщения отожженных порошков.
3. Установлено, что измельчение в воде не сильно повлияло на магнитные свойства образца (), как и при толуоле ()

Список литературы:

1. John U.C, Singru R.M., Bahadur D. Spectroscopic Studies of Glass Ceramics with Hexagonal Barium and Strontium Ferrites. II Journal of Materials Science 1992. V.27. P.6233-6228.

2. Tanaka K., Nakahara Y., Hirao K., Soga N. Preparation and Magnetic Properties of Glass-ceramics Containing Magnetite Microcrystals in Calcium Iron Aluminoborate System. II Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1997. V.168. №1-2. P.203-212.

3. Haneda K., Miyakawa C, Goto K. Preparation of Small Particles of SrFe^O^ with High Coercivity by Hydrolysis of Metal-Organic Complexes. II IEEE Transactions on Magnetics. 1987. V. MAG-23. № 5. P.3134-3136.

4. Zhong W._t Ding W., Zhang N.. Hong J., Yan Q., Du Y. Key Step in Synthesis of Ultrafine BaFenOis» by Sol-gel Technique. II Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1997. V.168.№l-2.P.196-202.

5. Martinez Garsia R., Reguera Ruiz E., Estevez Rams E. Structural Characterization of Low Temperature Synthesized SrFei₂0|₉. II Materials Letters. 2001. V.50. №2-3. P.183-187.

6. Zhang H., Yao X., Zhang L. Investigation of Low-temperature Formation and Microwave Properties of BaFenO^ Microcrystalline Glass Ceramic by Citrate Sol-Gel Process. II Materials Research Innovation. 2002. V.5. №3-4. P. 123-128.

7. Huang J., Zhuang H., Li W. Synthesis and Characterisation of Nano Crystalline BaFe^Oig Powders by Low Temperature Combustion. II Materials Research Bulletin. 2003. V.38. № 1. P.149-159.

8. Fang Q., Liu Y., Yin P., Li X. Magnetic Properties and Formation of Sr Ferrite Nanoparticle and Zn, Ti/Ir Substituted Phases. II Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. V.234. № 3. P.366-370.

9. Stoner E.C., Wohlfarth E.P, Mechanism of Magnetic Hysteresis in Heterogeneous Alloys. II Phyl.Trans.Roy.Soc.London, Ser.A 1948. V.240. P.599-644.

10. Mee CD., Jeschke J.C. Single-domain Properties in Hexagonal Ferrites. II Journal of Applied Physics 1963. V.34. №4. P.1271-1272.

11. Sato H., Umeda T. Grain Growth of Strontium Ferrite Crystallized from Amorphous Phases. //Materials Transactions, JIM 1993. V.34. № 1, P.76-81.

12. An S.Y., Lee S.W., Lee S.W., Kim C.S. Magnetic Properties of Bai-xSr_xFei20i9 Grown by a Sol-gel Method. II Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2002. V.242-245. P.413-415.

13. Coey J.M.D. Magnetic Materials. It Journal of Alloys and Compounds. 2001. V.326. №1-2. P.2-6.

14. «Влияние режимов термообработки и травления на структуру и магнитные свойства образцов гексаферрита стронция SrFe12O19, полученных методом кристаллизации оксидных стекол» Студентка МИСиС, Мокроусова А.В.

15. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.:Наука,1971. – 283 с.

16. Василевский Ю. А. Носители магнитной записи. – М.: Искусство, 1989. – 287 с.

17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1969. – 576 с.

18. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. – М.: Наука. – 1988. – 480 с.

19. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами: Учебник для вузов. – М.: – Металлургия, 1989. – 496 с.

20. Коваленко И.Н., Филиппова А.А. Теория вероятностей и математическая статистика. – М.: Высшая школа, 1973. – 368 с.

21. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк.,1991. – 384 с.

22. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы: Учебник для студентов вузов. – М.: Высш. шк., 1986. – 352 с.

23. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения: Пер. с яп. – М.: Мир, 1987. – 419 с.

24. Хандрих К., Кобе С. Аморфные ферро- и ферримагнетики: Пер. с нем. – М.: Мир, 1982. – 296 с.

 

 

Отчет

по курсовой научно – исследовательской работе

Тема: «Влияние режимов получения, термообработки и травления на структуру и магнитные свойства порошков гексаферрита стронция SrFe₁₂O₁₉, полученных методом кристаллизации оксидного стекла».

 

 

 

Студент: Василенко Р.В.

Группа: МФ-12-1

Научный руководитель:

 

Зав.НИЛ ПМ

Менушенков В.П.

 

 

Москва 2015

 

Введение. 3

Аналитический обзор литературы.. 4

Магнитотвердые материалы.. 4

Общая характеристика. 4

Классификация магнитотвердых материалов. 4

Специальные магнитотвердые материалы.. 5

Характеристики магнитотвердых материалов. 7

Структура и свойства постоянных магнитов на основе SrFe2O19. 12

Методы получения дисперсных порошков гексаферритов SrFe12O19. 17

Керамический метод. 17

Метод химического соосаждеиия. 17

Золь-гель метод. 18

Микроэмульсионый метод. 18

Пиролиз аэрозолей (распылительная сушка) 19

Получение гексаферритов разложением металлоорганических комплексов. 20

Получение гексаферритов М-типа методом кристаллизации стекла. 20

Методика эксперимента. 22

Результаты экспериментов и их обсуждение. 25

Выводы.. 28

Список литературы: 29

Введение

Изделия из магнитотвердых сплавов широко используются в электро- и радиотехнической, электронной и приборостроительной отраслях промышленности, в компьютерной и медицинской технике. На сегодняшний день и ближайшие годы основным магнитотвердым материалом, выпускаемым и потребляемым промышленностью, остаются гексаферриты, в частности, порошки гексаферрита стронция SrFe2O19, используемые для изготовления спеченных магнитов или магнитопластов.

Гексаферрит стронция обладает высокой химической стойкостью, при этом он значительно дешевле редкоземельных магнитотвёрдых материалов системы Nd-Fe-B, хотя свойства порошков гексаферрита стронция заметно ниже. Однако свойства порошков SrFe2O19 могут быть заметно увеличены. Одним из возможных путей в этом направлении является разработка способов получения SrFe2O19 в нанокристаллическом состоянии. Cплавы гексаферрита стронция получают разными способами: самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, индуцированной микроволнами реакцией окисления, кристаллизацией аморфной фазы, полученной закалкой из жидкости, золь-гель технологией, химическим осаждением из жидкого раствора, механохимическим методом, методом кристаллизации оксидного стекла и др.

Одним из способов получения мелкодисперсных гексаферритов является кристаллизация стеклообразного оксидного предшественника при его термической обработке. При этом образуются однодоменные магнитные частицы, имеющие размеры в нано- и субмикронном диапазоне и характеризующиеся высокой коэрцитивной силой. Однако, имеющиеся в настоящее время данные по гексаферриту стронция ограничены только несколькими составами в боратной системе. Отсутствуют систематические исследования, которые могли бы позволить выявить закономерности в образовании частиц гексаферрита с определенными геометрическими и магнитными параметрами. Остается проблемой получение частиц с узким распределением по размерам и достаточно большой коэрцитивной силой.

Аналитический обзор литературы

Магнитотвердые материалы

Общая характеристика

К магнитным материалам относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости. Магнитные материалы в основном делятся на две большие группы – магнитотвёрдые и магнитомягкие материалы.

Согласно ГОСТ, магнитотвердый материал – это магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции Н_сВ не менее 4 кА/м, который перемагничивается в очень сильных магнитных полях и служит для изготовления постоянных магнитов.