Способ получения наноструктурированного магнитного порошка феррита-граната самария Российский патент 2022 года по МПК B22F9/16 H01F1/59 B82B3/00 

Изобретение относится к области синтеза наноструктурированных оксидных материалов с магнитными свойствами и может быть применено в технологии создания основных элементов магнитооптических систем хранения, волноводных оптических изоляторов, микроволновых устройств, сенсоров для регистрации магнитных полей с высокой чувствительностью, фильтров для очистки промышленных сточных вод.

Материалы на основе ферритов-гранатов, сформированные методами твердофазного и золь-гель синтеза, обладают рядом значительных недостатков. Синтезированные вышеуказанными методами порошки обладают низкой степенью гомогенности, большим размером частиц (порядка нескольких микрон), а также большим количеством примесей (около 50% от общей массы полученного порошка). Спекание исходных компонентов при высоких температурах требует значительных энергозатрат и высокотехнологичного оборудования.

Гидротермальный метод при оптимальных параметрах позволяет синтезировать при низких температурах нанопорошки, обладающие высокой степенью гомогенности, минимальным количеством примесей, с частицами, имеющими форму ромбического додекаэдра и размерами порядка 1-2 мкм.

Феррит-гранат самария представляет собой магнитный материал с невысокими значениями коэрцитивной силы и удельной намагниченности. Использование различных параметров в ходе гидротермального синтеза позволяет влиять на структуру, а также форму и размеры частиц, в частности, и магнитные свойства материала в общем.

Известен способ синтеза наноструктурированых порошков феррита-граната самария гидротермальным методом, где в качестве щелочи используется КОН [Wei Shen, Biying Ren, Wei Wang, and J. Ping Liu. Formation of Samarium Ferrites With Controllable Morphology by Changing the Addition of KOH // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. 2018. № 99. Р. 1-5].

Недостатками аналога являются то, что в качестве добавляемой в ходе синтеза щелочи используется КОН, которая не дает возможности полноценно исследовать влияние щелочи на процессы формирования феррита-граната, а высокая температура (500°С), при которой осуществляют синтез приводит к частичной потере магнитных свойств синтезируемого порошка.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения наноструктурированного порошка Sm₃Fe₅O_12, включающий перемешивание в течение часа исходного раствора, содержащего нитраты железа и самария, температурную обработку полученного раствора с добавлением по каплям щелочи NaOH, осаждение полученного феррита-граната при помощи центрифугирования в течение 3-5 мин., добавление этанола в количестве 25-30 мл и удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки, [см. Wu X., Wang W., Song N., Khaimanov S. A., Yang X., Tsidaeva N. I. From nanosphere to nanorod: Tuning Morphology, Structure And Performance Of Cobalt Ferrites Via Pr3+ Doping. Chemical Engineering Journal. 2016. Vol. 306. P. 382-392.].

Недостатками прототипа являются то, что синтезированные порошки содержат большое количество примесей из-за низкой растворимости компонентов в исходном растворе, а также обладают низкими магнитными свойствами из-за высокой температурной обработки в ходе синтеза.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является получение наноструктурированного порошка феррита-граната самария, обладающего высокими адсорбционными свойствами и смешанным типом магнитных свойств, а также в формировании наноструктурированных магнитных порошков Sm₃Fe₅O_12, с формами частиц в виде ромбического додекаэдра размерами 1-2 мкм с наличием минимального количества примесей, позволяющих варьировать значения коэрцитивной силы и удельной намагниченности от магнитомягкого до магнитожесткого материала.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нано-структурированного магнитного порошка феррита-граната самария Sm₃Fe₅O₁₂, включающий перемешивание в течение часа исходного раствора, содержащего нитраты железа и самария, и добавление к нему в ходе всего перемешивания по каплям щелочи NaOH, температурную обработку полученного раствора в течение 12 часов, осаждение полученного порошка феррита-граната самария Sm₃Fe₅O₁₂ при помощи центрифугирования в течение 3-5 мин., добавление этанола в количестве 25-30 мл и удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки в течение 10 часов, согласно изобретению, исходный раствор имеет в 70 мл дистиллированной воды следующее содержание компонентов, г:

Sm(NO₃)₃ 6H₂O - 2,2-2,8,

Fe(NO₃)₃ 9H₂O - 4,0-4,08,

NaOH - 18-22,

при этом термическую обработку исходного раствора осуществляют при температуре 200-250°С, а дальнейшее удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки порошка осуществляют при температуре 75-85°С.

Данный способ получения наноструктурированного магнитного порошка феррита-граната самария позволит повысить адсорбционные свойства со смешанными типами магнитных свойств, а также сформировать наноструктурированные магнитные порошки Sm₃Fe₅O₁₂ с формами частиц в виде ромбического додекаэдра размерами 1-2 мкм с наличием минимального количества примесей, позволяющих варьировать значения коэрцитивной силы и удельной намагниченности от магнитомягкого до магнитожесткого материала. При наличие указанных компонентов выше и ниже предложенных, необходимое количество материалов заданного химического состава не достигается и приведёт к ухудшению адсорбционных и магнитных свойств.

Сущность способа поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлены рентгеновские дифрактограммы образцов Sm₃Fe₅O₁₂ при различных количествах добавляемой щелочи NaOH (2, 10, 14, 20 гр.), на фиг. 2 - кривые намагниченности для образцов Sm₃Fe₅O₁₂ при количествах добавляемой щелочи 2, 10, 14, 20 гр., а на фиг. 3 - СЭМ - изображения частиц феррита-граната самария.

Способ получения наноструктурированного магнитного порошка феррита-граната самария осуществляли следующим образом.

Фазовый состав полученных образцов определялся методом рентгенофазового анализа РФА с использованием рентгеновского дифрактометра Bruker D8 Advance.

Согласно данным рентгенофазового анализа (РФА) (см. фиг. 1) синтезированные образцы представляют собой однофазный продукт. Увеличение количества добавляемой щелочи приводит к уменьшению примесей, которые образовались в ходе синтеза.

Исходные реагенты азотнокислые соли нитратов Sm(NO₃)₃⋅6H₂O и Fe(NO₃)₃⋅9H₂O - 2,6 и 4,04 грамма соответственно, рассчитанные молярные соотношения растворяли в 70 мл дистиллированной воды. Для уменьшения катионов металла до ядер полученный раствор в течении одного часа размешивали при помощи магнитной мешалки (при 6000 об/мин). В ходе всего процесса размешивания в раствор добавлялась щелочь NaOH в количестве 10 гр. на 70 мл раствора.

Формирование окончательной структуры феррита-гранатов осуществлялось путем температурной обработки раствора находящегося в тефлоновом сосуде из нержавеющей стали в течении 12 часов, температура варьировалась от 200 до 250°C.

В дальнейшем для уменьшения кислотности т.е. получения рН=7 проводилась промывка раствора деионизированной водой. Для максимального осаждения полученного феррита-граната раствор центрифугировали (3-5 мин) с добавлением этанола (25-30 мл).

Удаление остаточных продуктов реакции из синтезированного порошка осуществляли путем просушки в течении 10 часов при температуре 80°С.

Схематический процесс синтеза Sm₃Fe₅O₁₂ гидротермальным методов можно представить в виде последовательности химических реакции (1) и (2):

Магнитные характеристики синтезированных образцов (см. фиг. 2.) определялись на вибрационном магнитометре Quantum Design Physical Property Measurement System (QuantumDesign PPMS).

Увеличение количества щелочи влияет на рост частиц, препятствуя значительному укрупнению частиц. Уменьшение размеров частиц нанопорошков позволит улучшить адсорбционные свойства исследуемых образцов

Использование режима синтеза позволили получать однофазные образцы со средними размерами 1-2 мкм. Оценка формы и размеров частиц осуществлялась электронно-микроскопическими методами с использованием сканирующего электронного микроскопа S4700 фирмы Hitachi (см. фиг. 3), а также зондовой нанолаборатории NTEGRA Spectra фирмы NT - MDT. Увеличение количества щелочи выше 22 граммов нежелательно, поскольку препятствует образованию феррита-граната самария.

Использование способа получения наноструктурированного магнитного порошка феррита-граната самария позволит по сравнению с прототипом повысить адсорбционные свойства со смешанными типами магнитных свойств, а также сформировать наноструктурированные магнитные порошки Sm₃Fe₅O₁₂ с формами частиц в виде ромбического додекаэдра размерами 1-2 мкм с наличием минимального количества примесей, позволяющих варьировать значения коэрцитивной силы и удельной намагниченности от магнитомягкого до магнитожесткого материала.

Изобретение относится к области синтеза наноструктурированных оксидных материалов с магнитными свойствами. Способ включает перемешивание в течение часа исходного раствора, содержащего нитраты железа и самария, и добавление к нему в ходе всего перемешивания по каплям щелочи NaOH, температурную обработку полученного раствора в течение 12 часов, осаждение полученного порошка феррита-граната самария Sm₃Fe₅O₁₂ при помощи центрифугирования в течение 3-5 мин, добавление этанола в количестве 25-30 мл и удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки в течение 10 часов. При этом исходный раствор имеет в 70 мл дистиллированной воды следующее содержание компонентов г: Sm(NO₃)₃⋅6H₂O - 2,2-2,8, Fe(NO₃)₃⋅9H₂O - 4,0-4,08, NaOH - 18-22. Термическую обработку исходного раствора осуществляют при температуре 200-250°С, а дальнейшее удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки порошка осуществляют при температуре 75-85°С. Обеспечивается повышение адсорбционных свойств, формирование наноструктурированного магнитного порошка Sm₃Fe₅O₁₂ с формами частиц в виде ромбического додекаэдра размерами 1-2 мкм, с наличием минимального количества примесей, позволяющих варьировать значения коэрцитивной силы и удельной намагниченности от магнитомягкого до магнитожесткого материала. 3 ил.

Способ получения наноструктурированного магнитного порошка феррита-граната самария Sm₃Fe₅O₁₂, включающий перемешивание в течение часа исходного раствора, содержащего нитраты железа и самария, и добавление к нему в ходе всего перемешивания по каплям щелочи NaOH, температурную обработку полученного раствора в течение 12 часов, осаждение полученного порошка феррита-граната самария Sm₃Fe₅O₁₂ при помощи центрифугирования в течение 3-5 мин, добавление этанола в количестве 25-30 мл и удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки в течение 10 часов, отличающийся тем, что исходный раствор имеет в 70 мл дистиллированной воды следующее содержание компонентов, г:

Sm(NO₃)₃⋅6H₂O 2,2-2,8 Fe(NO₃)₃⋅9H₂O 4,0-4,08 NaOH 18-22,

при этом термическую обработку исходного раствора осуществляют при температуре 200-250°С, а дальнейшее удаление остаточных продуктов реакции в процессе просушки порошка осуществляют при температуре 75-85°С.