Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

Литий-цинковые и литий-титановые ферриты традиционно являются важными материалами для различных областей микроволновой техники [3; 7]. Существенными условиями, определяющими высокие показатели функциональных материалов и изделий на их основе, являются достижение однородности химического и фазового состава синтезированных продуктов. Поэтому в настоящее время огромное внимание уделяется разработке и/или совершенствованию методов синтеза, способных максимально удовлетворить этому требованию. В рамках наиболее распространенной технологии твердофазного синтеза к их числу можно отнести метод разогрева реакционных смесей мощным потоком ускоренных электронов [5]. Этот метод, называемый радиационно-термическим, исследуется в основном с привлечением техники рентгенофазового и калориметрического анализов [9]. В настоящей работе представлены данные, свидетельствующие о высокой эффективности формирования магнитных свойств (намагниченность насыщения M_S и эффективное поле магнитной анизотропии Н_А) литий-цинковых и литий-титановых ферритов, синтезируемых в пучке ускоренных электронов. Намагниченность насыщения является фундаментальной функциональной характеристикой ферритов, определяющей сферу их применения, а от эффективного поля магнитной анизотропии зависят размеры доменов и доменных стенок, что определяет динамику процессов перемагничивания, форму петли гистерезиса, температурную зависимость магнитных характеристик [1; 4; 6; 8].

Целью настоящей работы является изучение эффективности синтеза при термическом обжиге и при разогреве реакционных смесей пучком ускоренных электронов путём сравнения магнитных свойств литийзамещенных феррошпинелей.

Методика эксперимента

Литий-цинковые ферриты состава Li_0,5(1-x)Fe_2,5-0,5xZn_xO₄ (x = 0,2; 0,4; 0,6) были изготовлены твердофазным способом из механической смеси Li₂CO₃-Fe₂O₃-ZnO; литий-титановые ферриты состава Li_0.5+0.5xFe_2.5-1.5xTi_xO₄ (x = 0,2; 0,4; 0,6) - из механической смеси Li₂CO₃-TiO₂-Fe₂O₃. Смеси реагентов были получены взвешиванием необходимого количества предварительно просушенных компонентов и далее сухо смешаны в агатовой ступке с 10-кратным протиранием через сетку с ячейкой 80 мкм. Промежуточные перемешивания не применялись. Образцы компактировались односторонним холодным прессованием под давлением 200 МПа в виде таблеток диаметром 15 мм и толщиной 2 мм. После ферритизующих обжигов из таблеток вырезались параллелепипеды ~ 2×2×8 мм³, которые направлялись для проведения магнитных измерений. Измерение намагниченности насыщения проводилось при комнатной температуре в импульсных магнитных полях с Н_m = 5 кЭ при помощи магнитометра оригинальной конструкции [2]. Поле анизотропии определялось по положению сингулярной точки на полевой зависимости намагниченности. Использование высокоскоростного АЦП (частота преобразования по одному каналу до 200 кГц) позволяет оценивать погрешность определения намагниченности величиной не более 1%.

Термический (Т) и радиационно-термический (РТ) синтез образцов проводился при температуре 750 °С с изотермической выдержкой 120 минут. Т-синтез осуществлялся в печи сопротивления. РТ-синтез образцов проводился на импульсном ускорителе электронов ИЛУ-6 в Институте ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск). Энергия электронов равнялась 2.4 МэВ, ток пучка в импульсе - 400 мА, длительность импульса - 500 мкс, частота следования импульсов - 7¸15 Гц. Разогрев образцов и поддержание заданного температурного режима осуществлялись за счет энергии тормозящихся электронов, без привлечения сторонних источников теплоты.

Магнитные свойства литий-цинковых и литий-титановых ферритовых образцов, полученных Т и РТ способами, сравнивались с эталонными образцами тех же составов. Синтез литий-цинковых эталонов осуществлялся термическим обжигом смеси исходных реагентов при температуре 800 °С, литий-титановых эталонов при температуре 1000 °С в течение 360 мин. Использовался дискретный режим обжига с помолами и перемешиванием через каждые 120 мин. Число промежуточных перемешиваний - 2.

Экспериментальные результаты

Была синтезирована партия литийзамещенных образцов всех составов в течение 120 мин при температурах изотермической выдержки 600, 700 и 750 °С.

Из таблиц 1 и 2 видно, что независимо от содержания цинка и титана величины

Таблица 1. Магнитные параметры ферритов Li_0.5(1-x)Zn_xFe_2.5-0.5xО₄, ферритизованных в течение 120 мин

Таблица 2. Магнитные параметры ферритов Li_0,5(1+х)Fe_2,5-1,5xTi_xO₄,

ферритизованных в течение 120 мин

намагниченностей после РТ-ферритизации имеют существенно большие значения, чем после термического обжига.

Видно, что при температурах 700 и 750 °С комплекс номинальных эксплуатационных характеристик в синтезированной по радиационно-термической технологии партии образцов достигается за время обжига ~ 120 мин. Также в таблицах представлены аналогичные данные для термически синтезированных порошков. Сравнение показывает, что радиационно-термическая технология обеспечивает получение порошков с близкими к требуемым техническим характеристикам при относительно низкотемпературном режиме обжига без включения операций промежуточного перемешивания.

Как и для намагниченности насыщения, по данным эффективной магнитной анизотропии отчетливо проявляется радиационный эффект, заключающийся в значительно большем сближении Н_А с эталонными уровнями в РТ-синтезированных образцах, в сравнении с результатами термического обжига. Эффект наблюдается для всех составов и для всех температур.

Приведенные результаты свидетельствуют о высокой эффективности твердофазного синтеза сложных многокомпонентных оксидов в условиях разогрева реакционных смесей мощными электронными пучками. Повышенная эффективность синтеза при РТ-ферритизации проявляется в высоких значениях намагниченности насыщения ферритизованных смесей.

Вероятной причиной высокой эффективности радиационно-термического синтеза может служить локальный перегрев межфазных границ за счет безызлучательной аннигиляции возбуждений электронной подсистемы, генерируемых излучением, на границах раздела фаз и динамическим понижением заряда ионов Fe³⁺ и Ti⁴⁺ при кратковременной локализации инжектируемых электронов.

Заключение

Таким образом, радиационно-термический синтез при температуре 700-750 °С в течение 120 мин (при этом исключена операция промежуточного перемешивания) по своей эффективности примерно эквивалентен термическому синтезу втрое большей длительности при 800 и 1000 °С (для литий-цинковых и литий-титановых ферритов соответственно). Данный режим может быть рекомендован для включения его в технологический процесс радиационно-термического синтеза литийзамещенных ферритов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2007-2013 годы».

Рецензенты:

Суржиков А.П., д.ф.-м.н., профессор, зам. директора по науке Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета, г.Томск.

Гынгазов С.А., д.т.н., в.н.с. Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.