pH-контролируемый сол-гель синтез нанокристаллического феррита стронция для постоянных магнитов низкотемпературного применения

Аннотация

Нанокристаллический феррит стронция (SrFe₁₂O₁₉) синтезирован методом сол-гель автореакции с лимонной кислотой как хелатирующим агентом. pH предшественника варировали от 0 до 8, а порошки калинировали при низкой температуре 900 °C. Структурные, микроструктурные и магнитные свойства изучали методами XRD, FESEM и VSM. Наиболее кислый предшественник (pH 0) дал однофазный продукт с наивысшей плотностью, размером зерен (≈73 нм), насыщенной намагниченностью (44,2 эм/г) и коэрцитивной силой (6,4 кОэ). Небольшое повышение pH способствовало образованию примесей Fe₂O₃ при pH 8 и снижению магнитных характеристик. Результаты демонстрируют, что контроль pH — мощный инструмент для настройки свойств SrFe₁₂O₁₉ при температурах, пригодных для со спекания керамических постоянных магнитов.

Основные результаты

• Сол-гель автореактивный синтез наночастиц SrFe₁₂O₁₉.
• Однофазный феррит получен при 900 °C при pH ≤ 7.
• Оптимальные магнитные параметры (Ms = 44,2 эм/г, Hc = 6,4 кОэ) достигнуты при pH 0.

Введение

Стронциевый гексаферрит (SrFe₁₂O₁₉) ценен за высокую коэрцитивность, электросопротивление и коррозионную стойкость, что делает его ключевым материалом для СВЧ-устройств, высокоплотных носителей информации и постоянных магнитов. Традиционный твердофазный синтез требует высоких температур (~1300 °C) и часто дает крупные, полдисперсные частицы. Сол-гель метод предлагает низкотемпературный путь (≤ 900 °C), дающий однородные нанокристаллические порошки с контролируемой стехиометрией и размером частиц. Кислотность предшественника сильно влияет на металл-оксидную полимеризацию и, следовательно, на кристалличность и магнитные свойства итогового феррита. Это исследование изучает влияние pH предшественника на структуру, микроструктуру и магнетизм SrFe₁₂O₁₉, полученного цитратным сол-гель процессом.

Методы

Синтез

Sr(NO₃)₂ (98 %) и Fe(NO₃)₃ (99 %) растворили в 100 мл деионизированной воде при 60 °C под перемешиванием (250 об/мин). Добавили лимонную кислоту (C/N = 0,75) и подняли температуру до 80 °C. Аммиак (NH₄OH) вводили для установки pH от 0 до 8. Смесь перемешивали при 90 °C до образования зеленого геля, затем нагревали до 200 °C на 1 час для автореакции. Полученные порошки калинировали при 900 °C в течение 6 ч (скорость нагрева 5 °C/мин). Схема синтеза показана на Рисунке 1.

Характеризация

Фазовая чистота и кристаллография оценивались рентгеновской дифракцией (Cu Kα, 20°–80°). Решетчатые параметры и теоретическая плотность рассчитывали по XRD данным. Размер зерен и морфологию изучали FESEM (100 к×, 5 кВ). Пористость определили по измерениям плотности Архимеда. Гистерesis петли регистрировали при комнатной температуре на ВСМ (±12 кОэ). Все данные приведены в Таблицах 1–3.

Результаты и обсуждение

Структурный анализ

XRD-спектры (Рисунок 2) подтверждают образование гексагональной фазы SrFe₁₂O₁₉ (JCPDS 98‑004‑3603) при pH 0–7. При pH 8 появляется примесь Fe₂O₃ (~28 %), снижающая фазовую чистоту до 87,8 %. Решетчатые константы (a ≈ 5,88 Å, c ≈ 23,02 Å) соответствуют литературе, указывая на хорошую кристаллизацию. Экспериментальная плотность снижается с ростом pH, достигая минимума при pH 8, а пористость соответственно растет (Рисунок 4). Наиболее кислый предшественник (pH 0) дает максимальную плотность (4,69 г/см³) и минимальную пористость (8,2 %).

Микроструктурный анализ

FESEM-изображения (Рисунок 5) показывают сферические зерна при pH 0 со средним размером 73,6 нм, тогда как более высокий pH дает вытянутые, агломерированные зерна до 133,3 нм (Рисунок 6). Распределение размеров зерен сдвигается к большим диаметрам при повышении pH, что коррелирует с падением магнитных параметров. Пористость от газов горения (NH₃) дополнительно нарушает упаковку зерен при высоком pH.

Магнитные свойства

Гистерesis петли (Рисунок 7) показывают, что Ms, Mr и Hc монотонно снижаются с ростом pH. Оптимальный образец (pH 0) достигает Ms = 44,19 эм/г (226,2 эм/см³), Mr = 27,59 эм/г и Hc = 6403,6 Оэ. Эти значения превосходят многие сол-гель отчеты и приближаются к эталонным однофазным кристаллам. Высокая коэрцитивность обусловлена сильной магнитокристаллической анизотропией и плотной упаковкой зерен, а высокая Ms — минимальной пористостью и фазовой чистотой. При pH 8 снижение Ms и Hc (5118 Оэ) связано с загрязнением Fe₂O₃ и крупными зернами.

Заключение

Низкотемпературный (900 °C) сол-гель синтез наночастиц SrFe₁₂O₁₉ реализуем при pH предшественника ≤ 7. Наиболее кислые условия (pH 0) дают однофазный, плотный, нанокристаллический феррит с превосходными магнитными свойствами, что делает его перспективным кандидатом для со спекания керамических постоянных магнитов, работающих при пониженных температурах.

Аббревиатуры

• SEM — Растровый электронный микроскоп
• FESEM — Полевой электронный микроскоп
• VSM — Вибрирующий образец магнетометр
• XRD — Рентгеновская дифракция
• Ms — Насыщенная намагниченность
• Mr — Остаточная намагниченность
• Hc — Коэрцитивная сила
• Fe₂O₃ — Гематит