1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 1, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 1, стр. 112-115

Влияние способа синтеза и термической обработки на микроструктурные и электромагнитные свойства никель-цинковых ферритов

Д. А. Каликинцева 1, *, В. Ю. Бузько 2, С. А. Вызулин 1, А. И. Горячко 2, Е. Л. Мирошниченко 1

1 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования “Краснодарское высшее военное училище имени генерала армии С.М. Штеменко” Министерства обороны Российской Федерации
Краснодар, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Кубанский государственный университет”
Краснодар, Россия

* E-mail: delson17@ymail.com

Поступила в редакцию 20.07.2020
После доработки 28.08.2020
Принята к публикации 28.09.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Образцы наноразмерного никель-цинкового феррита состава NixZn1– xFe2O4 (где x = 0.25 и 0.5) синтезированы низкотемпературными золь-гель нитрат-цитратным и пирохимическим нитрат-мочевинным способами и отожжены при температурах 500 и 900°C. Синтезированные образцы исследованы методом сканирующей электронной микроскопии и с использованием векторного анализатора цепей.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования электромагнитных свойств представителей семейства никель-цинковых ферритов обусловлены перспективностью использования таких магнитных материалов в качестве магнитных компонентов радиопоглощающих покрытий. Никель-цинковые ферриты состава NixZn1– xFe2O4 с высокой магнитной и диэлектрической проницаемостями могут быть использованы как в виде спеченной керамики, так и в составе композитов на основе полимерных матриц. Такие композиты, в зависимости от типа используемого полимера и магнитного радиопоглощающего ферритового наполнителя, отличаются высокой структурной прочностью, а также хорошей температурной и химической стойкостью, и значительными радиопоглощающими свойствами в различных частотных диапазонах.

Способ синтеза и последующая термическая обработка влияют не только на микроструктуру ферритов, но и на их радиопоглощающие характеристики [1]. Значения магнитных и диэлектрических проницаемостей [2, 3] ферритов, а также их ФМР-характеристик [4–6], зависят от способа синтеза и температуры последующего отжига материалов. Преимущество низкотемпературных способов синтеза в том, что в результате этих синтезов образуются порошки ферритов, состоящие из наноразмерных частиц. Микроструктурные и магнитные свойства наноразмерных ферритов могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от условий последующей термической обработки [7–9]. Целью настоящей работы является исследование радиопоглощающих свойств представителей семейства никель-цинковых ферритов и их зависимости от способа синтеза и термической обработки.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы порошков феррита с формулой NixZn1– xFe2O4 (где x = 0.25 и 0.5) синтезированы золь-гель нитрат-цитратным и пирохимическим нитрат-мочевинным способами. Нитраты металлов Zn(NO3)2 · 6H2O (ч. д. а.), Ni(NO3)2 · 6H2O (ч. д. а.) и Fe(NO3)3 · 9H2O (ч. д. а.) являлись исходными материалами. Лимонная кислота (ч. д. а.) для нитрат-цитратного синтеза и мочевина (х. ч.) для нитрат-мочевинного синтеза использовались в качестве органических топливных комплексообразователей.

В процессе нитрат-цитратного синтеза исходные материалы при смешении растворялись в бидистиллированной воде и постепенно подогревались до выпаривания воды и образования металлокомплексного геля при температуре около 120°C. При дальнейшем нагревании при температуре около 350°C гель постепенно выгорал с образованием порошка с наноразмерными гранулами феррита. При нитрат-мочевинном синтезе исходные материалы перемешивались в ступке без добавления воды до образования вязкой смеси, переносились в керамический тигель и постепенно нагревались со скоростью около 10°C · мин–1. Самовозгорание реакционной смеси и образование порошка с наноразмерными гранулами феррита происходило при достижении температуры 300–350°C.

Образцы синтезированных ферритов отжигались при температурах 500 и 900°C. Процесс отжига происходил в трубчатой печи с электронным контролем температуры. Нагрев образца до температуры отжига происходил в течение 30 мин, а сам отжиг – в течение одного часа.

Исследования микроструктуры образцов NixZn1– xFe2O4 (где x = 0.25), полученных двумя способами синтеза без отжига и с отжигом при температурах 500 и 900°С, проведены методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе “JEOL JSM 7500F”. Средний диаметр наночастиц определяли на основании анализа нескольких микрофотографий для 350–550 измеренных наночастиц.

Изготовлены образцы композитов на основе ферритов и парафиновой матрицы. Содержание ферритового наполнителя 60% при толщине композитов – 9 мм. Коэффициенты отражения (Kотр) для композитов феррит/парафин измерены с использованием векторного анализатора цепей “Deepace KC901V” коаксиальным методом в короткозамкнутой линии в частотном диапазоне 0.015–7 ГГц. Величина параметра Kотр характеризует радиопоглощающие свойства вставки в коаксиальный тракт. Для использованной схемы эксперимента Kотр определяется в основном энергией отраженных волн (энергия падающей волны поддерживалась постоянной). Затухание электромагнитной волны в образце приводит к уменьшению энергии волны, отраженной от границы вставка – металл короткозамыкателя.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Средний диаметр наночастиц феррита, синтезированного нитрат-цитратным способом, без отжига составляет 12 ± 2 нм, для нитрат-мочевинного синтеза – 30 ± 7 нм.

Наблюдаемые различия в размере наночастиц можно объяснить тем, что при нитрат-мочевинном способе синтеза феррит образуется в результате возгорания реакционной смеси со значительным тепловыделением [10, 11]. Нитрат-цитратный синтез ферритов, в отличие от нитрат-мочевинного, происходит при более низкой температуре реакционной смеси без значительного тепловыделения [12].

Одночасовой отжиг при T = 500°C, приводит к небольшому увеличению среднего размера наночастиц феррита, синтезированного обоими методами синтеза (см. табл. 1). Последующий одночасовой отжиг при T = 900°C, приводит к увеличению среднего размера наночастиц феррита, синтезированного нитрат-цитратным способом, в большей степени, чем в случае нитрат-мочевинного синтеза (см. табл. 1).

Таблица 1.  

Средний размер частиц порошков ферритов состава Ni0.25Zn0.75Fe2O4, синтезированных нитрат-цитратным и нитрат-мочевинным способами

Образец 350ц 500ц 900ц 350м 500м 900м
d, нм 12 ± 2 13 ± 3 100 ± 30 30 ± 7 32 ± 8 83 ± 15

Увеличение температуры отжига до 900°C приводит к увеличению радиопоглощающих свойств у образцов ферритов при x = 0.25 и 0.5 при нитрат-цитратном синтезе (рис. 1). При нитрат-мочевинном синтезе отжиг приводит либо к ухудшению радиопоглощающих свойств никель-цинкового феррита (x = 0.25), либо не оказывает существенного влияния на указанные свойства (x = 0.5). Указанные различия влияния отжига на радиопоглощающие свойства при различных способах синтеза объясняются различиями влияния отжига на увеличение размера частиц феррита, синтезированного различными способами.

Рис. 1.

Спектры отражения композитов на основе ферритов составов (а) Ni0.25Zn0.75Fe2O4 и (б) Ni0.5Zn0.5Fe2O4 синтезированных нитрат-цитратным способом без отжига (1) и отожженных при температурах 500 (2) и 900°C (3) и нитрат-мочевинным способом без отжига (4) и отожженных при температурах 500 (5) и 900°C (6).

Сравнение частотных зависимостей Kотр для образцов различного состава показало, что при x = 0.5 радиопоглощающие свойства образцов ферритов выше по сравнению с ферритом при x = 0.25. При аналогичных способах синтеза и температурах отжига Kотр в точке минимума для образца при x = 0.5 достигает значений на 2–10 дБ меньше по сравнению с составом при x = 0.25.

Максимальные радиопоглощающие свойства наблюдаются у образца при x = 0.5, синтезированного нитрат-цитратным способом и отожженного при T = 900°C (Kотр ≈ –12 дБ). Образец при x = 0.5, синтезированный нитрат-мочевинным способом, является перспективным в качестве РПМ так как проявляет достаточно высокие радиопоглощающие свойства без отжига (Kотр ≈ –10 дБ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для образцов никель-цинковых ферритов установлено, что состав, способ синтеза и условия термообработки существенно влияют на их радиопоглощающие свойства, а именно:

1) образцы, синтезированные нитрат-цитратным способом отличаются меньшим размером частиц, по сравнению с образцами, синтезированными нитрат-мочевинным способом. Отжиг способствует увеличению размера частиц образцов, синтезированных нитрат-цитратным способом, в большей степени по сравнению с образцами, синтезированными нитрат-мочевинным способом;

2) увеличение температуры отжига порошка наноразмерного феррита приводит к увеличению радиопоглощающих свойств при нитрат-цитратном синтезе, и ухудшению либо отсутствию изменений – при нитрат-мочевинном синтезе;

3) образцы состава Ni0.5Zn0.5Fe2O4 отличаются более высокими радиопоглощающими свойствами, по сравнению с ферритом состава Ni0.25Zn0.75Fe2O4.

Таким образом, наноразмерный феррит состава Ni0.5Zn0.5Fe2O4, синтезированный нитрат-мочевинным способом без отжига является перспективным радиопоглощающим материалом как в области низких, так и в области высоких частот ближнего СВЧ диапазона, что ранее было обнаружено авторами в работе [11].

Список литературы

  1. Phadatare M.R., Salunkhe A.B., Khot V.M. et al. // J. Alloys. Compounds. 2013. V. 546. P. 314.

  2. Peng C.-H., Hwang C.-C., Wan J. et al. // Mat. Sci. Engin. B. 2005. V. 117. P. 27.

  3. Gao P., Rebrov E.V., Verhoeven T.M.W.G.M. et al. // J. Appl. Phys. 2010. No 107. Art. No 044317.

  4. Valenzuela R., Beji Z., Herbst F. et al. // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. Art. No 07A329.

  5. Bhattacharjee K., Pati S.P., Das G.C. // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. Art. No 233907.

  6. Rao B.P., Kim C.-O., Kim C. et al. // IEEE Trans. Magnet. 2006. V. 42. No 10. P. 2858.

  7. Costa A.C.F.M., Diniz A. P., Silva V. J. et al. // J. Alloys. Compounds. 2009. No 483. P. 563.

  8. Amiri Gh. R., Yousefi M.H., Aboulhassani M.R. et al. // Dig. J. Nanomat. Biostruct. 2010. V. 5. No 3. P. 719.

  9. Reddy M.P., Madhuri W., Reddy N.R. et al. // J. Electroceram. 2012. No 28. P. 1.

  10. Вызулин С.А., Бузько В.Ю., Каликинцева Д.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2018. Т. 82. № 11. С. 1590; Vyzulin S.A., Buz’ko V.Y., Kalikintseva D.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018. V. 82. No 11. P. 1451.

  11. Вызулин С.А., Бузько В.Ю., Скуднев В.Ю. и др. // Сб. тр. конф. “Электромагнитное поле и материалы”. (Москва, 2017). С. 337.

  12. Вызулин С.А., Каликинцева Д.А., Мирошниченко Е.Л. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2018. Т. 82. № 8. С. 1045; Vyzulin S.A., Kalikintseva D.A., Miroshnichenko E.L. et al.// Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018. V. 82. No 8. P. 943.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал