Отчет. Оглавление. Состав и кристаллическая структура сплавов на основе соединения SrFe12O19….6. Структура и свойства спеченных постоянных магнитов на основе SrFe12O19….11

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСИС»

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

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/Ф7-12-5

Научный руководитель:

Зав.НИЛ ПМ

Менушенков В.П.

Отчет принят с оценкой:______________

Москва 2015

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………….3

1 Аналитический обзор литературы…………………………………………………………….……4

1.1нитотвердые материалы…………………………………………..4

1 Характеристики магнитотвердых сплавов на основе соединения SrFe₁₂O₁₉…………………………………………………………………………………………..……………6

1.2.1Состав и кристаллическая структура сплавов на основе соединения SrFe12O19………………………………………………………………………………………….6

1.2.2. Магнитные свойства сплавов на основе соединения SrFe₁₂O₁₉…….8

1.2.3. Структура и свойства спеченных постоянных магнитов на основе SrFe12O19…………………………………………………………………………………….11

2 Методы получения дисперсных порошков гексаферритовSrFe₁₂O₁₉12

2.1. Керамический метод………………………………………………………….12

2.2. Метод химическогосоосаждения……………………………………..…13

2.3. Золь-гель метод……………………………………………………………….13

2.4. Микроэмульсионный метод………………………………………………14

2.5. Пиролиз аэрозолей (распылительная сушка)……………………….….15

2.6. Применение механоактивации………………………………………..…….17

2.7. Гидротермальный интез……………………………………………………..17

2.8. Получение гексаферритов М-типа методом кристаллизации стекла - преимущества……………………………………………………..……………17

Постановка задачи

Методика эксперимента………………………………………………………….24

Результаты экспериментов и их обсуждение……………………………..…….27

Выводы………………………………………………………………………..…34

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.

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Магнитотвердые материалы

1.1.1 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.

1.1.2 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.

1.1.3 Специальные магнитотвердые материалы

К этой группе относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение:

пластически деформируемые сплавы;

эластичные магниты;

материалы для магнитных носителей информации;

жидкие магниты.

Пластически деформируемые магниты обладают хорошими пластическими свойствами. Они хорошо поддаются всем видам механической обработки (хорошо штампуются, обрабатываются на металлорежущих станках); имеют высокую стоимость.

Эластичные магниты представляют собой магниты на резиновой основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего используют феррит бария. Они позволяют получить изделия любой формы, которую допускает технология изготовления деталей из резины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами, штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость.

Магнитные носители информации при перемещении создают в устройстве считывания информации переменное магнитное поле, которое изменяется во времени так же, как записываемый сигнал.

Магнитные материалы для носителей информации должны отвечать следующим требованиям:

высокая остаточная магнитная индукция B_r для повышения уровня считываемого сигнала;

для уменьшения эффекта саморазмагничивания, приводящего к потере записанной информации, значение коэрцитивной силы Н_c должно быть как можно более высоким;

для облегчения процесса стирания записи желательна малая величина коэрцитивной силы Н_c, что противоречит предыдущему требованию;

большие значения коэффициента выпуклости, что удовлетворяет требованиям высокой остаточной магнитной индукции B_r и минимальной чувствительности к саморазмагничиванию;

высокая температурная и временная стабильность магнитных свойств.

Материалы для магнитных носителей информации представляют собой металлические ленты и проволоку из магнитотвердых материалов, сплошные металлические, биметаллические и пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносятся на ленты, металлические диски и барабаны, магнитную резину и др.

Сплошные металлические ленты и проволоку из викаллоя используют в основном в специальных целях и при работе в широком диапазоне температур. Проволока из нержавеющей стали толщиной 0,1 мкм обладает коэрцитивной силой Н_с = 32 кА/м, остаточной индукцией B_r = 0,7 Тл и усилием разрыва 15 Н.

Основными недостатками данного типа материалов является трудность монтажа записи, быстрый износ записывающих и воспроизводящих устройств и высокая стоимость.

Свойства лент, дисков и барабанов с покрытием из магнитных порошков зависят от:

свойств исходных материалов (остаточная намагниченность порошка B_r должна быть, возможно, более высокой);

степени измельчения частиц (размеры колеблются от долей микрометра до единиц микрометров);

объемной плотности магнитного материала в рабочем слое;

ориентации частиц с анизотропией формы;

толщины рабочего слоя порошка (он должен быть максимально тонким);

свойств металлической ленты (она должна быть гладкой и гибкой для обеспечения максимального магнитного контакта между магнитными материалами ленты и устройства считывания).

В качестве магнитных порошков используют оксиды железа Fe₂O₃ и Fe₃O₄, магнитотвердые ферриты, Fe-Ni-Al сплавы, которые являются доступными и дешевыми материалами.

Жидкие магниты представляют собой жидкость, наполненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жидкие магниты на кремний органической основе не расслаиваются даже под воздействием сильных магнитных полей, сохраняют работоспособность в диапазоне температур от минус 70 до плюс 150 °С.

1.2 Характеристики магнитотвердых материалов

Магнитный гистерезис – неоднозначная зависимость магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его квазистатическом изменении. Причинами магнитного гистерезиса магнитотвердых материалов являются необратимые процессы изменения магнитного состояния при намагничивании. В настоящее время выделяют три основных причины магнитного гистерезиса:

задержка смещения границ доменов;

задержка образования устойчивого зародыша перемагничивания;

необратимые процессы вращения вектора намагниченности в однодоменных частицах.

Каждый из этих механизмов различным образом определяет величину коэрцитивной силы H_c материала. При задержке смещения границ доменов коэрцитивная сила определяется максимальным градиентом энергии доменной границы:

(1)

где I_s – намагниченность насыщения, А/м;

m_о= 4p×10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;

– максимальный градиент энергии доменной границы, Дж/м³.

Причиной изменения энергии доменной границы могут быть или неферромагнитные включения, или внутренние напряжения. При наличии только неферромагнитных включений:

(2)

а при наличии только внутренних напряжений

(3)

где d ‑ толщина доменной границы, м;

S ‑ площадь доменной границы, м²;

s ‑ внутренние напряжения, Н/м²;

K₁ – константа одноосной кристаллической анизотропии, Дж/м³;

– магнитострикция.

При задержке образования устойчивого зародыша перемагничивания коэрцитивная сила H_c определяется полем старта Н_ст, при приложении которого такой зародыш возникает. Поле старта сложным образом зависит от дефектной структуры материала, локальных значений констант анизотропии и величины приложенного при намагничивании поля.

Перемагничивание ферромагнетиков путем вращения может осуществляться в том случае, когда в материале исключена возможность возникновения зародышей перемагничивания, а, следовательно, исключены процессы смещения границ между доменами. Такой механизм перемагничивания имеет место в однодоменных ферромагнитных частицах, разделенных неферромагнитной матрицей.

H_c = 2K_эф/I_s,

(4)

где К_эф – эффективная константа одноосной анизотропии,

Константа К_эф может приобретать различные значения, а именно: для одноосной кристаллической анизотропии – (К₁), для одноосной анизотропии упругих напряжений – (3l_ss/2) и для одноосной анизотропии формы, когда магнитотвердая однодоменная частица представляет собой вытянутый эллипсоид вращения с размагничивающим фактором N_a вдоль длинной оси эллипсоида и N_b вдоль его короткой оси – ( I_s²(N_b – N_a)/2 ).

Основная функция постоянных магнитов – создание требуемого по величине магнитного поля в требуемом рабочем объеме. В случае применения постоянных магнитов мы имеем дело с магнитной цепью, которая кроме постоянного магнита включает магнитопровод из магнитомягкого материала и воздушный зазор, в котором создается требуемое постоянное магнитное поле. Наличие воздушного зазора приводит к образованию свободных полюсов и размагничивающего поля, в котором находится постоянный магнит. Согласно ГОСТ 19693 [1], размагничивание – это процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля уменьшается намагниченность магнитного поля. Таким образом, для характеристики магнитотвердого материала существенную роль играет часть петли гистерезиса, которая лежит во 2-м квадранте, так называемая кривая размагничивания (рис. 1).

Рисунок 1 – Кривая размагничивания по индукции В(Н) и кривая энергетического произведения ВН(В)

Чтобы полностью охарактеризовать кривую размагничивания, а, следовательно, и магнитотвердый материал, достаточно знать три величины: остаточную индукцию B_r, коэрцитивную силу H_c и максимальную магнитную энергию (BH)_max. В соответствии с ГОСТ 19693 [1]:

остаточная индукция (B_r) – это индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля.

коэрцитивная сила (H_c) – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции или намагниченности от остаточной индукции или остаточной намагниченности до нуля.

Однако при разработке магнитотвердых материалов в качестве основной оптимизируемой величины чаще всего используют магнитную энергию. Произведение (BH)_max соответствует оптимальному размагничивающему фактору магнитной системы и представляет собой наибольшую магнитную энергию, которую можно получить от данного магнитотвердого материала при наивыгоднейшей конструкции постоянного магнита. Максимальную магнитную энергию можно повышать путем увеличения коэффициента выпуклости кривой размагничивания. Коэффициент выпуклости кривой размагничивания зависит главным образом от наличия в материале текстуры (магнитной или кристаллической), а его величина определяется выражением:

(5)

Значения коэффициента для различных магнитотвердых материалов может находиться в пределах 0,25≤ ≤1. Для материалов с близкими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы коэффициент характеризует степень текстуры: чем выше , тем совершеннее текстура.

Улучшение основных характеристик магнитотвердых материалов заключается в увеличении их остаточной индукции, коэрцитивной силы и максимальной магнитной энергии. Однако, на практике величину (BH)_max повышают путем увеличения или B_r, или H_c.

Кроме основных характеристик магнитотвердых материалов большое значение имеют кривые возврата и обратимая проницаемость, которая характеризует частные циклы гистерезиса. Согласно ГОСТ 19693 [1]:

прямая возврата – это прямая линия от точки на кривой размагничивания до точки, которая соответствует увеличенному значению индукции, вызванному изменением внешнего размагничивающего поля;

проницаемость возврата – это дифференциальная магнитная проницаемость на прямой возврата.

Обратимая проницаемость µ_r входит в расчетные формулы всех постоянных магнитов, испытывающих в процессе работы (или в условиях сборки) воздействие внешнего магнитного поля или изменение внешней магнитной проводимости. Величина µ_r бывает порядка нескольких единиц и до некоторой степени отражает прямоугольность петли гистерезиса и величину (BH)_max: чем выше энергия и больше прямоугольность, тем меньше µ_r.

Стабильность постоянных магнитов (неизменность свойств в процессе эксплуатации) является их очень важной характеристикой. От стабильности постоянных магнитов во многом зависит надежность работы различных приборов и измерительной аппаратуры. Очень важно знать, какие внешние факторы оказывают влияние на свойства магнитотвердых сплавов в процессе их эксплуатации, каковы причины их нестабильности. Среди главных факторов, определяющих нестабильность магнитов, следует выделить влияние времени, влияние температуры эксплуатации, влияние механических воздействии (ударов, вибраций) и влияние внешних магнитных полей.

Структура и свойста постоянных магнитов на основе

Гексаферриты М-типа представляют собой твёрдые оксидные соединения с общей формулой MFe12О19 (М = Ва2+ , Sr2+ , Pb2+) и изоморфны минералу магнетоплюмбиту, примерный состав которого описывается формулой Pb2Fe15Mn7AlTiO38. Кристаллическая структура гексагональна и может быть представлена комбинацией двух типов блоков: шпинельных блоков S (с осью, направленной вдоль оси с кристаллической решётки) и гексагональных блоков R. Блок S состоит из двух слоев атомов кислорода, содержащих 8 ионов кислорода и 6 ионов железа. Блок R состоит из трёх кислородных слоев и содержит 11 ионов кислорода, 6 ионов железа и один ион М2+ . Блоки чередуются в структуре по типу SRS*R* где S* и R* блоки повернуты на 180° относительно предыдущих (рис.1).

Рис. 1. Элементарная ячейка Рис. 2. Координационные полиэдры Fe3+ в гексаферрита M-типа. структуре гексаферрита М-типа

Иначе кристаллическую решётку можно представить следующим образом. Ионы кислорода образуют гексагональную плотную упаковку, и последовательность слоев перпендикулярно направлению [001] выглядит как АВАВ... или АСАС.... В каждом пятом слое один из ионов О2- заменён на М2+ , что возможно вследствие близости ионных радиусов. Ионы железа занимают полости в кладке ионов кислорода. Ион железа Fe3+ находится в трех позициях: октаэдрической (FeO6), тетраэдрической (FeO4) и гексаэдрической (FeO5, отсутствует в шпинельных структурах). Рис. 1.

Элементарная ячейка Рис. 2. Координационные полиэдры Fe3+ в гексаферрита M-типа. структуре гексаферрита М-типа. Элементарная ячейка содержит две формульные единицы MFe12О19. Параметры решётки SrFe12O19 имеют значения около а = 5.8 и с = 23.03

Магнитная структура

Ионы железа в структуре гексаферрита расположены в пяти различных кристаллографических позициях: двух октаэдрических, двух тетраэдрических и одной тригонально-бипирамидальной (рис. 2). Взаимодействие между ионами железа может быть как ферромагнитным, так и антиферромагнитным. В блоках S магнитные моменты ионов железа упорядочены так же, как и в шпинели, т. е. спины четырёх ионов в октаэдрических позициях антипараллельны спинам двух ионов в тетраэдрических позициях. Гексаферриты М-типа имеют ферримагнитную структуру с пятью подрешетками атомов железа.

12 Следующая ⇒