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鍶鐵氧體納米粉體的制備及相關(guān)性能的研究

2016-10-24 01:31:25郇維亮王開明王彩琴
電子元件與材料 2016年10期
關(guān)鍵詞:納米粉體鐵氧體分散性

郇維亮,王開明,李 志,王彩琴

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鍶鐵氧體納米粉體的制備及相關(guān)性能的研究

郇維亮1,王開明1,李 志2,王彩琴3

(1. 遼寧科技大學(xué) 理學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;2. 遼寧科技大學(xué) 材冶與冶金學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;3. 遼寧科技大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

為了獲得磁學(xué)性能優(yōu)異的鍶鐵氧體納米粉體,采用“連續(xù)有序可控爆發(fā)性成核”納米粉體制備技術(shù),以FeCl3、SrCl2、NH4HCO3、NH3·H2O為原料,制備了M型鍶鐵氧體納米粉體材料,并對粉體的晶體形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測,給出了粉體粒徑與焙燒溫度的關(guān)系,對粉體進(jìn)行了XRD分析,表明經(jīng)過950℃焙燒1 h形成完好的磁鉛石型鐵氧體結(jié)構(gòu)。隨焙燒溫度的升高,粒徑快速變大。將粉體材料制成同性磁件,通過對磁性能的檢測可以看出鍶適當(dāng)過量有利于磁性能的提高,鍶鐵氧體配方中Fe2O3與SrO的最佳摩爾比為5.7:1。

鍶鐵氧體;納米粉體;制備;磁性能;前驅(qū)體;分散性

六角晶系的鋇磁鉛石型(BaM)鐵氧體和鍶磁鉛石型(SrM)鐵氧體由于具有單軸磁晶各向異性[1-3]、優(yōu)越的性價比、較高的居里溫度以及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn),是一種重要的永磁材料和磁記錄材料[4-6]。現(xiàn)代電子信息技術(shù)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對永磁鐵氧體的性能提出了更高的要求,如:高剩磁(r)、高矯頑力(c)、高磁能積()m。制備六角鍶鐵氧體有多種方法,如化學(xué)共沉淀法、水熱法、溶膠-凝膠法、陶瓷法等[7-9]。而隨著人們對高性能永磁鍶鐵氧體材料的要求變得越來越高,以上工藝技術(shù)的改良已使鍶鐵氧體的磁性能得到了較大的提升,但是要想獲得進(jìn)一步的突破卻甚難。分散劑的適宜添加可在一定程度上提高取向度,改變晶粒的大小和均勻性,從而改善成型等工藝條件,提高磁性能;但鍶鐵氧體的磁性能更主要取決于材料配方和離子分布。SrM的化學(xué)分子式為SrFe12O19(通常寫成結(jié)構(gòu)式SrO·6Fe2O3),理論上SrO與Fe2O3的摩爾比為1:6,但由于Sr在生產(chǎn)工藝中容易出現(xiàn)流失現(xiàn)象(俗稱“跑Sr”),實(shí)際工藝中尋找最佳的SrO與Fe2O3的摩爾比是一件非常重要的工作。另外鐵氧體的焙燒溫度對磁件的磁性能影響也很大,在一定溫度范圍內(nèi),一般隨著溫度的升高,剩磁(r)增大,而矯頑力(c)減小,如何尋找一個最佳溫度獲得最佳磁性能,也是工藝上的要求[10-12]。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以FeCl3、SrCl2、NH4HCO3、NH3·H2O為起始反應(yīng)原料,采用遼寧科技大學(xué)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)有序可控爆發(fā)性成核技術(shù)制備前驅(qū)體的沉淀物[13-15],再經(jīng)過正戊醇共沸蒸餾、干燥制得前驅(qū)體。實(shí)驗(yàn)時SrO與Fe2O3的摩爾比配制為1:5.5~1:6.1,編號與配制比例見表1。溶液混合后反應(yīng)產(chǎn)物的pH值調(diào)至9.5(通過增減NH3·H2O),反應(yīng)溫度為室溫25℃,并分別以不同溫度焙燒制得鍶鐵氧體納米粉體。

表1 編號與配制比例對應(yīng)關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)原理:當(dāng)A(FeCl3、SrCl2)、B(NH4HCO3、NH3·H2O、乙醇)兩種溶液混合后,F(xiàn)eCl3與NH3·H2O,SrCl2與NH3·H2O、NH4HCO3分別發(fā)生反應(yīng),得到Fe(OH)3與SrCO3的混合沉淀物。實(shí)驗(yàn)要求反應(yīng)產(chǎn)物的pH值達(dá)到9.5,因此配料時氨水為過量,加入乙醇是為了提高產(chǎn)物的分散性。在高溫條件下,兩種物質(zhì)發(fā)生固相反應(yīng),得到SrFe12O19。

反應(yīng)方程式如下:

粉體的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 粉體的制備工藝流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 前驅(qū)體的熱重分析

為了了解合成鍶鐵氧體相變過程中的熱效應(yīng),對焙燒前的鍶鐵氧體前驅(qū)體粉體進(jìn)行了TG和DTA分析(在通氧氣的條件下),結(jié)果如圖2所示。

圖2 鍶鐵氧體前驅(qū)體的TG和DTA曲線

在200℃附近前驅(qū)體吸附的正戊醇氧化燃燒形成一個放熱峰,同時質(zhì)量迅速減小,從850℃開始出現(xiàn)第二個質(zhì)量明顯減小再增大的過程,這是固相反應(yīng)開始,先生成中間體,最后在1 170℃附近生成穩(wěn)定的磁鉛石結(jié)構(gòu),質(zhì)量不再變化。

2.2 預(yù)燒粉體的XRD分析

圖3是#4樣品分別經(jīng)650℃和950℃預(yù)燒1 h后的XRD譜,與SrFe12O19標(biāo)準(zhǔn)樣品PDF卡片79-1411相對比可以看出在650℃時形成的主要是Fe2O3相,而在950℃時基本形成單一的磁鉛石結(jié)構(gòu)SrFe12O19相,其他的雜相非常少。

圖3#4樣品分別經(jīng)650℃和950 ℃焙燒1 h的XRD譜

2.3 樣品的TEM分析

2.3.1 鍶鐵氧體前驅(qū)體的TEM分析

沉淀反應(yīng)產(chǎn)物再經(jīng)過共沸干燥后成為紅褐色粉末狀物質(zhì),此即為鍶鐵氧體的前驅(qū)體,手感疏松,且分散性好,圖4為#4樣品的TEM照片??梢钥闯?,該物質(zhì)為無定形粉末,不成晶型,平均粒徑小于10 nm。

圖4 經(jīng)過共沸蒸餾之后制得的4鍶鐵氧體前軀體樣品的TEM照片(標(biāo)尺為50 nm)

Fig.4 TEM photo of strontium ferrite precursor sample4 after azeotropic distillation

2.3.2 鍶鐵氧體的TEM分析

前驅(qū)體在不同溫度下焙燒60 min后所得的樣品TEM照片(采用#4樣品)見圖5。從圖5可見:當(dāng)焙燒溫度為700℃時結(jié)晶不夠好;在750℃時,粒子結(jié)晶比較好,成片狀,且分散性較好。當(dāng)溫度大于950℃后,分散性逐漸變差。

2.4 粉體粒徑與焙燒溫度的關(guān)系

采用化學(xué)共沉淀法可以使反應(yīng)物混合均勻、原料有效接觸。制備過程中預(yù)燒溫度對生成的鍶鐵氧體的形狀、粒徑有很大的影響。溫度過高,樣品粒子容易團(tuán)聚在一起,粉體分散性差;溫度過低,造成反應(yīng)不完全或晶型轉(zhuǎn)化不完全。圖6給出了粉體粒徑隨溫度的變化曲線。由圖6可以看出:焙燒溫度對粉體粒徑的大小有很大影響,隨溫度的升高,粒徑快速變大。

圖6 焙燒溫度對鍶鐵氧體粒徑的影響

2.5 SrM的配方與磁性能間的關(guān)系

制備鍶鐵氧體是根據(jù)其分子式SrFe12O19進(jìn)行配比的,所使用的原料皆為分析純或優(yōu)級純。如按SrFe12O19的化學(xué)計量比(Fe2O3:SrO)=6:1,但在實(shí)際配比時,常常使鍶過量。

圖7 磁性能與摩爾比r(Fe2O3:SrO)的關(guān)系

鍶適當(dāng)過量有利于提高磁性能主要有以下幾方面的因素:

①“Sr”過量的配方往往會在結(jié)晶過程中先在晶界呈現(xiàn)第二相SrFeO3-x,因而有利于阻止晶粒長大,提高矯頑力。

②生成合適的缺陷結(jié)構(gòu),有利于離子擴(kuò)散,降低燒結(jié)溫度,增進(jìn)密度[16]。

③鐵氧體在二次球磨的過程中會出現(xiàn)“跑鍶”現(xiàn)象。配料時“Sr”適當(dāng)過量可以對沖“Sr”的流失。

④當(dāng)“Sr”過量太多時又會在磁鉛石結(jié)構(gòu)晶界上形成太多的非磁性相,從而影響成瓷密度和磁性能。

3 結(jié)論

(1)采用連續(xù)有序可控爆發(fā)性成核技術(shù)可以制備分散性良好的M型鍶鐵氧體前驅(qū)體,經(jīng)過950℃焙燒1 h形成完好的磁鉛石型鐵氧體結(jié)構(gòu)。

本文嘗試采用抗氧劑1010作為聚乙烯的抗氧劑,提高抗氧效率。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),由于聚乙烯樹脂是非極性的,而包括1010在內(nèi)的絕大多數(shù)受阻酚類抗氧劑是極性的,故二者的相容性較差[4]。因此,在注塑成型過程中1010會有向聚乙烯制品的表面遷移的趨勢,影響制件的外觀性能[5],對于純PE,該現(xiàn)象不明顯,但是當(dāng)加入一定量的POE后,析出變得較為明顯。本文通過改變PE與POE的比例,以及PE與PP的比例,并采用表面反射紅外和光澤度法來考察體系對限制抗氧劑1010向制件表面遷移的影響,最終發(fā)現(xiàn)PP的加入能有效地改善抗氧劑1010的析出。

(2)焙燒溫度對粉體粒徑的大小有很大影響,隨溫度的升高,粒徑快速變大。

(3)SrM的配方與磁性能間的關(guān)系比較密切,鍶適當(dāng)過量有利于磁性能的提高,在摩爾比(Fe2O3:SrO)=5.7:1時磁性能最佳。

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Preparation and performance of strontium ferrite nano-powder

HUAN Weiliang1, WANG Kaiming1, LI Zhi2, WANG Caiqin3

(1. School of Science, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning Province, China; 2. School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning Province, China; 3. School of Chemical Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning Province, China)

In order to obtain strontium ferrite nano-powder with excellent magnetic properties, the technology of continuous and orderly controlled explosive nucleation nano-particles powders preparation was used to prepare M-type strontium ferrite nano-powders, and FeCl3, SrCl2, NH4HCO3and NH3·H2O were using as raw materials. The crystal morphology and structure of the powders were observed, and the relationship between the powder particle size and the calcinating temperature were given. The powder was analyzed by XRD and intact magnetoplumbite type ferrite structure sintered at 950 ℃ in one hour was found. The particle size increases quickly with the increasing of calcinating temperature. Powder materials were prepared to magnetic parts. Appropriate excess of strontium can increase the magnetic performances. The best molar ratio of Fe2O3to SrO (5.7:1) in strontium ferrite were obtained by magnetic detection.

strontium ferrite; nano-powder; preparation; magnetic performance; precursor; dispersion

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.003

O482.54

A

1001-2028(2016)10-0012-04

2016-08-09

郇維亮

國家自然科學(xué)基金理論物理??钯Y助項(xiàng)目(No. 11447110);遼寧省高等教育學(xué)會“十二五”高等教育科研立項(xiàng)資助(No. GHYB110086)

郇維亮(1965-),男,遼寧岫巖人,副教授,研究方向?yàn)榧{米技術(shù)和磁性材料,E-mail: aswlhuan@163.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-09-29 10:08:40

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1008.003.html

(編輯:陳豐)

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