Получение и анализ свойств наноструктурированных композиционных материалов на основе ферритовых систем | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №7 (42) июль 2012 г.

Статья просмотрена: 377 раз

Библиографическое описание:

Гареев К. Г. Получение и анализ свойств наноструктурированных композиционных материалов на основе ферритовых систем // Молодой ученый. — 2012. — №7. — С. 20-23. — URL https://moluch.ru/archive/42/5066/ (дата обращения: 20.09.2018).

Введение. Композиционные материалы на основе ферритовых систем, включающих оксиды железа, никеля, кобальта, марганца, цинка, иттрия и эрбия в силу значительных различий в физико-химических, а также статических и динамических магнитных свойствах, находят широкий спектр приложений. Среди наиболее актуальных можно назвать применение наночастиц ферритов железа (магнетита) и марганца-цинка в медицинских препаратах для магнито-резонансной томографии (контрастирующие агенты) и гипертермической терапии [1, 2]. В соответствии с вышеназванными целями, требования к электрофизическим свойствам подобных продуктов принципиально различаются, в то время как необходимость стабилизации наноразмерного состояния и подавление агломерации частиц в характерных для живых организмов жидких средах, а также биосовместимость сохраняют свое первостепенное значение. Основное же различие заключается в том, что для МРТ-контрастирующих агентов на основе наночастиц магнетита необходимо минимизировать потери энергии на гистерезис, таким образом, типичные магнитомягкие ферриты сами по себе не удовлетворяют данному требованию, оптимальным является переход к суперпарамагнитному состоянию вещества, наблюдаемый при размерах частиц, существенно меньших 1 мкм [3, 4].

Существуют различные методики получения стабильных наноразмерных частиц ферритов, одним из перспективных путей синтеза можно назвать золь-гель процесс [5]. За последние годы применение данной технологии для изготовления наноструктурированных металлооксидных материалов позволило достичь высоких удельных характеристик сенсорных устройств на их основе, например – газовых датчиков [6, 7]. Кроме того, описаны технологические аспекты получения нанокомпозиционных материалов на основе двух- [8] и трехкомпонентных [9] ферритовых систем.

Описание технологического процесса. В настоящей работе исследовались композиты на основе ферритов, имеющих структуру шпинели (никель, кобальт, марганец, цинк) и граната (эрбий и иттрий). На первом этапе технологического процесса навески солей металлов (хлориды железа, никеля, кобальта, марганца и цинка, а также нитраты эрбия и иттрия) растворялись в изопропиловом или этиловом спиртах, затем к раствору добавлялся прекурсор диоксида кремния – этиловый эфир ортокремниевой кислоты (тетраэтоксисилан, или ТЭОС). После достижения равномерного распределения компонентов полученного золя осуществлялось введение десятипроцентного водного раствора аммиака для гелеобразования. После выдержки в вытяжном шкафу при комнатной температуре в течение 96 часов производился высокотемпературный отжиг при 500 – 1100°С длительностью 1 час.

Исследование свойств получаемых материалов. Для анализа морфологии поверхности материала применялись атомно-силовая микроскопия (установка «ИНТЕГРА ТЕРМА», ЗАО «НТ-МДТ») и метод тепловой десорбции азота (прибор серии «СОРБИ», ЗАО «МЕТА»). Определение фазового состава производилось методами рентгенофазового анализа («ДРН Фарад», «Эксперт-центр») и дифракции быстрых электронов («ЭМР-102», «SELMI»). Снятие статических магнитных характеристик выполнялось на вибрационном магнетометре VSM-7400 («LakeShore»).

Важность наличия достоверных данных о фазовом составе обусловлена сильным влиянием его малейших изменений на электрофизические свойства материала. Рентгеновские дифрактограммы порошков на основе иттриевого феррограната среднего окисляемого состава 0,8(Fe0,7Y0,3)-0,2Si, отожженных при 900, 1000 и 1100°С, приведены на рис. 2. Можно предположить, что при данных условиях синтеза формирование кристаллических фаз феррита и феррата иттрия происходит в диапазоне температур между 1000 и 1100°С. Повышение доли кремния в золе до 80 мол.% в пересчете на диоксид позволило увеличить содержание фазы феррограната иттрия в образце по сравнению с материалом с высоким содержанием металлооксидных фаз. Однако, при этом возможно образование кристаллических модификаций диоксида кремния.


Рис. 1. Рентгенограммы порошков системы Y-Fe-Si-O, отожженных при различной температуре


На рис. 2 представлена картина дифракции быстрых электронов от слоя марганцевого феррита, отожженного при 1000°С (б), и расшифровка к ней (а).


а

б

Рис. 2. Результаты исследования пленки на основе феррита марганца методом дифракции быстрых электронов

В результате проведенных методом АСМ исследований показана возможность получения корпускулярно-пористой (рис. 3, а, размер области сканирования 30х30 мкм2) и сетчатой (рис. 3, б, размер области сканирования 50х50 мкм2) структуры материала на основе феррограната эрбия за счет изменения технологического режима (состав и время выдержки золя, температура отжига).

а

б

Рис. 3. Изображение поверхности образца на основе феррограната эрбия в атомно-силовом контрасте: а) Тотж = 600 0С, б) Тотж = 1000 0С

Существование в композите иерархической пористой структуры было подтверждено данными измерения полной изотермы адсорбции-десорбции, позволившими построить гистограмму распределения пор по размерам (рис. 2), которая демонстрирует присутствие микро- (менее 2 нм в диаметре), мезо- (2 – 50 нм) и макропор (более 50 нм) в соответствии с международной классификацией IUPAC в образце на основе феррита иттрия, отожженного при Т = 800°С. При этом удельная площадь поверхности данного порошка составляет более 230 м2/г, что в приближении сферических частиц соответствует их среднему размеру около 10 нм. Однако, как видно из рис. 4, поры имеют весьма сложную дисперсию по размерам, а приближение корпускулярно-пористой структуры верно лишь в случае определенных технологических режимов получения.

Рис. 4. Гистограмма распределения пор по размерам

Анализ статических магнитных свойств показал возможность достижения низких значений коэрцитивной силы при сохранении высоких намагниченности насыщения и начальной магнитной проницаемости. Результаты измерений для образца на основе феррита никеля, приготовленного при разных температурах, приведены на рис. 5. В данном случае наблюдается снижение коэрцитивной силы до 100 Э при повышении температуры отжига до 1100°С при практически пропорциональном увеличении намагниченности и значительном росте крутизны начального участка петли, характеризующей магнитную проницаемость.

Рис. 5. Петли перемагничивания образцов на основе феррита никеля

Заключение. В результате проведенного исследования было установлено, что получаемый композиционный материал имеет сложную микроструктуру, характеризующуюся типичным для подобных оксидных систем законом распределения пор по размерам [6, 7], в котором преобладают микропоры и мезопоры менее 10 нм в диаметре, что согласуется с расчетом среднего размера частиц, составляющим около 10 нм. Анализ фазового состава образцов показал появление интенсивного гало в области малых углов (больших межплоскостных расстояний), что соответствует высокой доли аморфной и наноразмерной фазы в материале. Сопоставление полученных данных со снятыми статическими петлями перемагничивания позволяет говорить о присутствии частиц феррита, находящихся как в ферримагнитном, так и, что наиболее важно, суперпарамагнитном состоянии.


Литература:

  1. The preparation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine / Pedro Tartaj, Marıa del Puerto Morales, Sabino Veintemillas-Verdaguer et. al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. 36. Р. 182–197.

  2. Magnetic particle hyperthermia: nanoparticle magnetism and materials development for cancer therapy / Rudolf Hergt, Silvio Dutz, Robert Muller, Matthias Zeisberger // J. Phys.: Condens. Matter. 2006. 18. Р. 2919–2934.

  3. Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твердых телах // УФН, 1984, Т. 142, вып. 2, с. 331-356.

  4. Superparamagnetic gel as a novel material for electromagnetically induced hyperthermia / Melania Babincova, Danuta Leszczynska, Paul Sourivong et. al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. 225. P. 109–112.

  5. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. 2-е издание. СПб.: ООО “Техномедиа”. Изд-во “Элмор”, 2008.

  6. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors /V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V.V. Kuznezov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2010. V. 356, N. 37-40. P. 2020 – 2025.

  7. Мошников В.А., Грачева И.Е., Аньчков М.Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель методом // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37, № 5. С. 672–684.

  8. Получение и анализ порошков-ксерогелей с нанофазой гематита / К.Г. Гареев, И.Е. Грачева, В.И. Альмяшев, В.А. Мошников // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2011. № 5. С. 26–32.

  9. Фазообразование и процессы, протекающие в системе Er2O3-Fe2O3-SiO2 / К.Г. Гареев, И.Е. Грачева, В.А. Мошников, Т.Г. Кайралиева, В.Н. Ермолаев, С.Б. Айдарова // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2012. № 5. С. 16–24.

Основные термины (генерируются автоматически): материал, размер области сканирования, основа феррограната эрбия, основа феррита никеля, гистограмма распределения, IUPAC, SELMI, фазовый состав, коэрцитивная сила.


Похожие статьи

Функциональные наноматериалы на основе металлооксидов...

Следует отметить, что в существующую классификацию пор по ИЮПАК (микропоры, мезопоры, макропоры) положены особенности

Рис. 3. Атомно-силовые изображения нанокомпозита на основе феррита эрбия, полученного золь-гель методом: размер области сканирования

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Фазовый состав образцов установлен рентгенофазовым анализом (РФА).

Оксид цинка также относится к широкозонным (E = 3.37 эВ) полупроводниковым материалам.

Вохминцев К. В. Закономерности формирования на основе ZnO и Bi2O3 и их физико-химические свойства: Дис...

Математическое моделирование структуры полимерных смесей на...

Рис. 3. Геометрическое моделирование фазовых структур смеси

Размеры частиц дисперсной фазы определяют размеры дисперсионной матрицы.

Ким В. С. Исследования смешивающий способности экструзионных машин и разработка основ теории и методов расчёта- процессов...

Магнитомягкие композиционные материалы на основе железа

Введение в состав шихт на основе порошков железа марок ПЖР3.200.28 и АВС100.30 1

По результатам микроструктурного анализа выявлены частицы диэлектрика с размером 100-160 мкм

Для более качественного распределения диэлектрического материала и получаемых...

Получение пористого кремния для применения в адресной...

Создание пористых материалов с заданными параметрами (пористостью, распределением пор по размерам, определенной геометрией пористой структуры, контролируемым фазовым составом и др.) является чрезвычайно востребованным и

Область сканирования, мкм.

Исследование механических напряжений в микромеханических...

Таким образом были сформированы композиционные мембраны на основе пленок Si3N4 и SiC. Размер исследуемых структур 3×3 мм.

Полученное распределение может быть объяснено бомбардировкой заряженными частицами поверхности растущей плёнки, которая в области на...

Физико-химический анализ системы Pb-S-O методом диаграмм...

Соединения и твердые растворы на основе халькогенидов свинца — традиционные материалы для ИК- оптоэлектроники и термоэлектричества [2]. Особый

Рис. 1. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 25 °C.

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Отходы рисового производства Ошской и Баткенской областей содержат около 40

Полученные нами данные (размер частиц, удельная поверхность, структура) наночастиц

Газочувствительные нанокомпозиты на основе диоксида олова, полученные методом...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Функциональные наноматериалы на основе металлооксидов...

Следует отметить, что в существующую классификацию пор по ИЮПАК (микропоры, мезопоры, макропоры) положены особенности

Рис. 3. Атомно-силовые изображения нанокомпозита на основе феррита эрбия, полученного золь-гель методом: размер области сканирования

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Фазовый состав образцов установлен рентгенофазовым анализом (РФА).

Оксид цинка также относится к широкозонным (E = 3.37 эВ) полупроводниковым материалам.

Вохминцев К. В. Закономерности формирования на основе ZnO и Bi2O3 и их физико-химические свойства: Дис...

Математическое моделирование структуры полимерных смесей на...

Рис. 3. Геометрическое моделирование фазовых структур смеси

Размеры частиц дисперсной фазы определяют размеры дисперсионной матрицы.

Ким В. С. Исследования смешивающий способности экструзионных машин и разработка основ теории и методов расчёта- процессов...

Магнитомягкие композиционные материалы на основе железа

Введение в состав шихт на основе порошков железа марок ПЖР3.200.28 и АВС100.30 1

По результатам микроструктурного анализа выявлены частицы диэлектрика с размером 100-160 мкм

Для более качественного распределения диэлектрического материала и получаемых...

Получение пористого кремния для применения в адресной...

Создание пористых материалов с заданными параметрами (пористостью, распределением пор по размерам, определенной геометрией пористой структуры, контролируемым фазовым составом и др.) является чрезвычайно востребованным и

Область сканирования, мкм.

Исследование механических напряжений в микромеханических...

Таким образом были сформированы композиционные мембраны на основе пленок Si3N4 и SiC. Размер исследуемых структур 3×3 мм.

Полученное распределение может быть объяснено бомбардировкой заряженными частицами поверхности растущей плёнки, которая в области на...

Физико-химический анализ системы Pb-S-O методом диаграмм...

Соединения и твердые растворы на основе халькогенидов свинца — традиционные материалы для ИК- оптоэлектроники и термоэлектричества [2]. Особый

Рис. 1. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 25 °C.

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Отходы рисового производства Ошской и Баткенской областей содержат около 40

Полученные нами данные (размер частиц, удельная поверхность, структура) наночастиц

Газочувствительные нанокомпозиты на основе диоксида олова, полученные методом...

Задать вопрос