Способ получения высококоэрцитивных материалов на основе гексаферрита стронция

Иллюстрации

Способ получения высококоэрцитивных материалов на основе гексаферрита стронция (патент 2373593)
Способ получения высококоэрцитивных материалов на основе гексаферрита стронция (патент 2373593)
Способ получения высококоэрцитивных материалов на основе гексаферрита стронция (патент 2373593)
Способ получения высококоэрцитивных материалов на основе гексаферрита стронция (патент 2373593)
Показать все

Изобретение относится к технологии получения магнитотвердых материалов, которые могут быть использованы для производства магнитных порошков, постоянных магнитов, магнитопластов, магнитных жидкостей различного назначения, а также устройств магнитной записи высокой плотности. Способ получения частиц гексаферрита стронция, легированного алюминием, включает приготовление расплава состава SrFe12-yAlyO19+n·(SrAl2O4+Sr2B2O5), где 0,5≤у≤2,0, 3≤n≤5, закалку расплава и термообработку образовавшегося при закалке материала в интервале температур 850-1000°С продолжительностью не менее 1 ч, в результате чего формируют стеклокерамический материал, содержащий частицы гексаферрита стронция состава SrFe12-xAlxO19, где х=0,5-2, диаметром 200-500 нм. Также способ позволяет выделять частицы гексаферрита стронция при растворении полученных материалов в растворах соляной и уксусной кислот. Изобретение позволяет получать материалы на основе гексаферрита стронция с повышенной коэрцитивной силой (не менее 8000 Э) и намагниченностью насыщения не менее 40 э.м.е./г. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к способу синтеза магнитотвердых материалов, и позволяет получить однодоменные частицы легированного алюминием гексаферрита стронция, которые изолированы в немагнитной матрице, а также выделить их в виде ультрадисперсных порошков. Получаемый материал может быть использован для производства магнитных порошков, постоянных магнитов, магнитопластов и магнитных жидкостей различного назначения, а также устройств магнитной записи высокой плотности, в том числе и перпендикулярной.

Уровень техники

Гексаферриты М-типа (AFe12O19, A=Ba, Sr, Pb) являются наиболее распространенными магнитотвердыми материалами. Их свойства во многом зависят от способа получения. Метод кристаллизации стеклообразных предшественников позволяет получать неагрегированные частицы гексаферритов с требуемыми размерами, а также проводить легирование.

Известный способ получения гексаферритов из боратных стекол описан в работе Shirk B.T., Buessem W.R. (Journal of the American Ceramic Society. 1970. 53 (4). 192-196) и патентах US 3630667 «Production of Barium Ferrite» и US 3716630 «Hard Magnetic Ferrites». Способ заключается в получении гексаферритов бария и стронция методом термической кристаллизации стекол в системах ВаО-Fe2O3-B2O3 и SrO-Fe2O3-B2O3. Значения коэрцитивной силы достигают 5350 и 5800 Э для гексаферритов бария и стронция соответственно. Недостатком данного метода является принципиальная невозможность получения материала, обладающего большими величинами коэрцитивной силы.

В качестве прототипа изобретения был выбран способ, описанный в работах Zaitsev D.D., Kazin P.E., Trusov L.A., Tretyakov Y.D. (Russian Chemical Bulletin. 2005. 1. 74-77), Zaitsev D.D., Kazin P.E., Trusov L.A., Vishnyakov D.A., Tretyakov Yu.D., Jansen M. (Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006. 300. 473-475) и Yakuphanoglu F., Zaitsev D.D., Trusov L.A., Kazin P.E. (Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007. 312. 43-47). Он предусматривает использование стекол в системе SrO-Fe2O3-Al2O3-B2O3 для получения гексаферрита стронция, легированного алюминием. Недостатком прототипа, как и в предыдущем случае, является то, что он не позволяет получать стеклокерамику с коэрцитивной силой более 7700 Э, вследствие применения неэффективного режима термической обработки стекол. Также не был предложен метод выделения частиц гексаферрита в виде ультрадисперсного высококоэрцитивного порошка гексаферрита стронция, легированного алюминием.

Совокупность существенных признаков изобретения

Была поставлена задача синтеза ультрадисперсных частиц гексаферрита стронция, которые обладают коэрцитивной силой выше 8000 Э (640 кА/м).

Данная задача была решена настоящим изобретением, в частности синтезом магнитной стеклокерамики на основе гексаферрита стронция, легированного алюминием, SrFe12-xAlxO19, при кристаллизации стекол в системе SrO-Fe2O3-Al2O32О3, а также получением ультрадисперсных порошков

SrFe12-xAlxO19 при растворении стеклокерамики.

Поставленная задача решается благодаря тому, что полученные материалы содержат однодоменные частицы SrFe12-xAlxO19, в которых степень замещения железа на алюминий составляет x=0.5-2.0.

Технический результат

Методом кристаллизации стекол в системе SrO-Fe2O3-Al2O3-B2O3 получены стеклокерамические композиты, содержащие частицы SrFe12-xAlxO19, имеющие форму гексагональных пластин с толщиной 50-150 нм и диаметром 200-500 нм (отношение толщина/диаметр находится в пределах 1/5-1/3). Степень замещения железа на алюминий составляет х=0.5-2.0. Магнитные характеристики стеклокерамики: коэрцитивная сила не менее 8000 Э (635 кА/м), намагниченность насыщения не менее 12 э.м.е./г (12 А·м2/кг).

Растворением немагнитной матрицы стеклокерамики выделены описанные выше частицы гексаферрита стронция, легированного алюминием, в виде порошков с коэрцитивной силой не менее 8000 Э (635 кА/м) и намагниченностью насыщения не менее 40 э.м.е./г (40 А·м2/кг).

Детальное описание способа получения

Высококоэрцитивные частицы гексаферрита стронция, легированного алюминием, формируются при кристаллизации стекол в системе SrO-Fe2O3-Al2O32О3. Для успешного проведения синтеза необходимо соблюдение двух основных условий: (1) исходный состав стекла должен быть таковым, чтобы в конечном материале гексаферрит стронция был доминирующей железосодержащей фазой (т.е. предполагается высокий выход желаемого продукта), и (2) исходный состав должен плавиться при достижимых в промышленности температурах и иметь тенденцию образовывать аморфное стекло при быстром охлаждении (т.е. должен содержать достаточное количество стеклообразующих компонентов). Этим условиям удовлетворяют составы вида SrFe12-yAlyO19+n·(SrAl2O4+Sr2B2O5), где 0.5≤y≤2.0, 3≤n≤5. Кроме того, для модификации свойств стекол в указанные композиции могут быть внесены дополнительные добавки оксидов SrO, Al2O3, B2O3, Na2O и K2O (до 20 вес.%).

Для приготовления стекол используются соединения стронция, железа, алюминия, бора, натрия и калия, при термической обработке которых образуются соответствующие оксиды. Исходные вещества берутся в необходимых молярных соотношениях. Смесь исходных веществ нагревается до температур 1150-1600°С, при этом происходит их разложение и плавление. Полученный расплав при быстром охлаждении закаливается для образования стекла. Стекло представляет собой плотный аморфный материал.

Высококоэрцитивные частицы SrFe12-xAlxO19 формируются в процессе термообработки стекол при температурах 850-1000°С продолжительностью не менее 1 ч.

Частицы SrFe12-xAlxO19 имеют форму гексагональных пластин с толщиной 50-150 нм и диаметром 200-500 нм (отношение толщина/диаметр находится в пределах 1/5-1/3). Степень замещения железа на алюминий составляет х=0.5-2.0. Коэрцитивная сила стеклокерамики составляет не менее 8000 Э (635 кА/м), намагниченность насыщения - не менее 12 э.м.е./г (12 А·м2/кг).

Ультрадисперсные порошки гексаферрита стронция, легированного алюминием, получают при растворении остальных фаз стеклокерамики, например, в растворах соляной или уксусной кислот. Частицы, формирующие порошки, по форме и размерам не отличаются от частиц в исходной стеклокерамике. Коэрцитивная сила порошков составляет не менее 8000 Э (635 кА/м), намагниченность насыщения порошков - не менее 40 э.м.е./г (40 А·м2/кг).

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами и примерами:

Фиг.1. Частицы гексаферрита в образце стеклокерамики состава

13SrO-11FeO1.5-9AlO1.5-8BO1.5, полученном в процессе термообработки стекла при 950°С в течение 24 ч. Сканирующая электронная микроскопия, образец отшлифован и подтравлен 3% HCl.

Фиг.2. Петля магнитного гистерезиса образца стеклокерамики состава

13SrO-11FeO1.5-9A101.5-8BO1.5, полученного в процессе термообработки стекла при 950°С в течение 24 ч. СКВИД-магнитометр.

Фиг.3. Микрофотография порошка гексаферрита, полученного при растворении стеклокерамики (состав стекла 13SrO-11FeO1.5-9A101.5-8BO1.5, термообработка при 950°С в течение 2 ч). Сканирующая электронная микроскопия.

Фиг.4. Петля магнитного гистерезиса порошка гексаферрита, полученного при растворении стеклокерамики (состав стекла 13SrO-11FeO1.5-9A101.5-8BO1.5, термообработка при 950°С в течение 2 ч). СКВИД-магнитометр.

Пример 1

Магнитную стеклокерамику состава 13SrO-11FeO1.5-9AlO1.5-8BO1.5 приготавливают следующим образом. Для получения 6 г стекла берут навески следующих веществ: 3.886 г SrCO3, 1.779 г Fe2O3, 0.929 г Al2O3, 1.001 г Н3ВО3.

Исходные вещества смешивают, измельчают и помещают в платиновый тигель. Смесь нагревают в трубчатой печи до температуры 1400°С, при этом происходит образование расплава. Расплав закаливают путем прокатки между вращающимися стальными валками в воду для получения стекла. По данным рентгенофазового анализа, полученный материал не содержит кристаллических фаз.

Стекло помещают в нагретую до 950°С печь и выдерживают в ней в течение 24 ч, после чего закаливают на воздух.

Микрофотография образца стеклокерамики приведена на фиг.1. Из данных рентгеновской дифракции были рассчитаны параметры элементарной ячейки гексаферрита, и по ним было определено, что степень замещения железа на алюминий составляет х=1.4±0.1. Полученный материал обладает намагниченностью насыщения 17.3 э.м.е./г (17.3 А·м2/кг) и коэрцитивной силой 10180 Э (810 кА/м). Соответствующая зависимость намагниченности образца от внешнего магнитного поля приведена на фиг.2.

Пример 2

Стекло из Примера 1 отжигают при температуре 950°С в течение 2 ч. Полученную стеклокерамику помещают в 3% раствор соляной кислоты и подвергают ультразвуковой обработке при температуре 80°С. При этом фазы, отличные от гексаферрита, растворяются. Частицы гексаферрита осаждают на дно стакана при помощи магнита, а жидкость сливают. Осадок промывают дистиллированной водой, после чего высушивают при температуре 90°С.

Метод атомно-эмиссионной спектроскопии показал, что в порошке отсутствуют какие-либо детектируемые количества бора. Это говорит об отсутствии аморфных фаз. Согласно данным рентгеновской дифракции гексаферрит является единственной кристаллической фазой в полученном порошке.

Микрофотография порошка приведена на фиг.3. Средний диаметр частиц составляет 350 нм, а средняя толщина - 100 нм. По параметрам элементарной ячейки гексаферрита было определено, что степень замещения железа на алюминий составляет х=1.2±0.1. Полученный магнитный материал обладает намагниченностью насыщения 48.5 э.м.е./г (48.5 А·м2/кг) и коэрцитивной силой 8250 Э (660 кА/м). Соответствующая зависимость намагниченности образца от внешнего магнитного поля приведена на фиг.4.

1. Способ получения частиц гексаферрита стронция, легированного алюминием, включающий в себя приготовление расплава составаSrFe12-yAlyO19+n·(SrAl2O4+Sr2B2O5), где 0,5≤у≤2,0, 3≤n≤5, закалку расплава и термообработку образовавшегося при закалке материала в интервале температур 850-1000°С продолжительностью не менее 1 ч, в результате чего формируют стеклокерамический материал, содержащий частицы гексаферрита стронция состава SrFe12-xAlxO19, где х=0,5-2, диаметром 200-500 нм.

2. Способ по п.1, в котором в расплав добавляют Na2O и K2O в количестве до 20 вес.%.

3. Способ по п.1, в котором частицы выделяют в виде порошка при обработке стеклокерамики растворами соляной или уксусной кислот.