Co Fe2O4鐵氧體的固相反應(yīng)法制備及其磁特性

衛(wèi)芬芬,侯娟,熊曹水,熊永紅

Co Fe2O4鐵氧體的固相反應(yīng)法制備及其磁特性

衛(wèi)芬芬1,2,侯娟1,熊曹水2,熊永紅2

(1石河子大學(xué)師范學(xué)院生態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/石河子大學(xué)師范學(xué)院物理系,石河子832003;
2華中科技大學(xué)物理學(xué)院,武漢430074)

以Co2O3和Fe3O4為原料,采用固相反應(yīng)法合成了尖晶石型Co Fe2O4多晶材料,分別在不同溫度下進(jìn)行了熱處理,利用STA、XRD、SEM、VSM等測試技術(shù)對Co Fe2O4樣品煅燒前后的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和磁性能進(jìn)行了測量和分析。結(jié)果表明:采用固相反應(yīng)法制備的Co Fe2O4前驅(qū)物經(jīng)煅燒后可獲得純度較高、晶粒生長完整的Co Fe2O4磁性微粒。煅燒溫度對微粒粒徑和磁性能有較大影響,隨著煅燒溫度的升高,Co Fe2O4磁性微粒的粒徑增大。樣品室溫下的比飽和磁化強(qiáng)度(σs)隨煅燒溫度的增加而增大,煅燒溫度從1000℃到1200℃,樣品的σs從30.46 emu/g變到81.89 emu/g;而矯頑力(Hc)則隨著煅燒溫度的增加而減小,煅燒溫度從1000℃到1200℃,樣品的 Hc從650 Oe變到330 Oe。

固相反應(yīng)法;鈷鐵氧體;比飽和磁化強(qiáng)度;矯頑力

Co Fe2O4是尖晶石型鐵氧體,是一種性能優(yōu)良的磁性材料,居里溫度790 K左右,具有高的飽和磁化強(qiáng)度和磁晶各向異性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和催化特性[1-2],并且在400～500 nm短波范圍內(nèi)具有良好的磁光克爾效應(yīng),Co Fe2O4成為潛在的高密度磁記錄介質(zhì),特別是接觸磁記錄介質(zhì)[3]。另外,Co Fe2O4具有高磁導(dǎo)率,可以廣泛用于磁測量和磁傳感;同金屬相比,Co Fe2O4具有高電阻率,磁損耗小,可應(yīng)用于高頻、脈沖、微波及光頻波段。同時(shí)Co Fe2O4又是一種吸波材料可用于軍事上的隱身技術(shù)[4-8]。由于它具有的這些磁特性及物理化學(xué)特性,Co Fe2O4鐵氧體材料是功能材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,對它的研究具有重要意義。

Co Fe2O4有多種制備方法[9-12],包括水熱法、微乳液法、溶膠-凝膠法、燃燒合成法等。上述方法可以制備出純度高、晶粒細(xì)小的納米粒子,但制備過程比較復(fù)雜。

本文采用固相反應(yīng)法制備Co Fe2O4。所謂固相反應(yīng)法是指2種或2種以上的固相物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)而生成新相的過程。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單易操作,原理簡單,產(chǎn)物易收集,各組分含量配比較易控制,能大批量生產(chǎn);缺點(diǎn)是產(chǎn)物反應(yīng)不均勻,要求的成相溫度較高,燒結(jié)時(shí)間較長,因而最終得到的樣品顆粒尺寸較大。為了優(yōu)化固相反應(yīng)法的制備工藝,本文通過多次實(shí)驗(yàn),總結(jié)出了用固相反應(yīng)法制備Co Fe2O4鐵氧體微粉的工藝過程,并對所制備樣品的結(jié)構(gòu)和磁性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用固相反應(yīng)法制備Co Fe2O4鐵氧體微粉。實(shí)驗(yàn)原料為粉末狀的分析純Co2O3和Fe3O4。

首先,將一定量的Co2O3和 Fe3O4在烘箱中于150℃條件下干燥1～2 h,除去原料中殘留的水分。各原料按Co Fe2O4名義組分進(jìn)行精確配比,并按照摩爾比進(jìn)行稱量,反應(yīng)式為:6 Co2O3+8 Fe3O4→12 Co Fe2O4+O2↑;然后把稱量好的粉料放入研缽中手磨8 h,均勻混合。其次,將碾碎的粉末置于小瓷舟中,在管式爐中預(yù)燒,升溫速率為300 ℃/h,預(yù)燒溫度為800℃,保溫10 h,以保證原料充分反應(yīng),隨爐溫緩慢冷卻至室溫。最后將Co Fe2O4微粉在15 MPa的壓強(qiáng)條件下壓成10 mm×5 mm×1 mm的長方形薄片,在高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié),溫度分別為1000℃和1200℃,保溫10 h,然后隨爐溫緩慢冷卻至室溫。

采用德國耐馳Netzsch STA 409綜合熱分析儀測定樣品熱重-差熱(TG-DSC)分析曲線,升溫速率為10℃/min,氣氛為氮?dú)?溫度范圍為室溫至1200℃;采用德國產(chǎn)D8型的X射線衍射儀進(jìn)行樣品的物相分析,X射線源采用Cu Kα靶,管壓40 kV,管電流為40 mA,掃描速度2°/min;采用 Hitachi SN-3000掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌;采用長春市英普磁電技術(shù)開發(fā)有限公司產(chǎn)的JDAW-2000B型振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測定室溫下樣品的宏觀磁性,最大磁場為25000 Oe。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合前驅(qū)物的熱分解反應(yīng)

圖1為混合前驅(qū)物TG-DSC曲線。

由圖1可知:室溫至1200℃范圍內(nèi)有一個(gè)低溫吸熱峰和一個(gè)高溫放熱峰,說明整個(gè)反應(yīng)過程可分為二步:第1步,從室溫至218℃,DSC-T曲線上有微小的吸熱峰,對應(yīng) TG-T曲線上樣品的質(zhì)量損失之和約為13%,這個(gè)過程吸熱效應(yīng)較小,主要是因?yàn)榍膀?qū)物中Co2O3和 Fe3O4發(fā)生了熱分解;第2步,隨著溫度進(jìn)一步升高,前驅(qū)物分解的同時(shí)發(fā)生化合反應(yīng),生成尖晶石型的Co Fe2O4鐵氧體,并在400℃處形成一個(gè)很寬放熱峰,此過程后期熱失重率保持不變。

圖1 混合前驅(qū)物TG—DSC曲線Fig.1 TG—DSC curves of the compound precursor

2.2 樣品的結(jié)構(gòu)分析

圖2 是燒結(jié)溫度1200℃保溫10 h得到的Co Fe2O4樣品的XRD照片。將這些譜峰與國際X射線粉末衍射聯(lián)合會 (JCPDS)給出的標(biāo)準(zhǔn)Co Fe2O4的PDF卡片中標(biāo)準(zhǔn)譜JCPDS22～1086對照,樣品為單一的具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鈷鐵氧體,衍射峰吻合的很好,沒有出現(xiàn)雜峰,表明制備的樣品為單相Co Fe2O4。

圖2 CoFe2O4鐵氧體的XRD譜Fig.2 XRD patterns of CoFe2O4 ferrite

2.3 樣品的表面形貌分析

圖3 為Co Fe2O4樣品在保溫10 h不同燒結(jié)溫度下的SEM照片。

圖3顯示:不同燒結(jié)溫度對樣品的晶粒尺寸影響非常大,在1000℃燒結(jié)溫度下,其空隙率比在1200℃燒結(jié)時(shí)的多,樣品的晶粒尺寸相對較小。在相同保溫條件下,燒結(jié)溫度提高至1200℃,晶粒明顯長大,且晶界之間的接觸增強(qiáng)。因此,不同的燒結(jié)工藝對樣品的性能會有影響,所以在燒結(jié)過程中,應(yīng)本著在性能合適和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的條件下選擇合適的燒結(jié)工藝。

圖3 不同溫度煅燒10 h Co Fe2O4鐵氧體的SEMFig.3 SEM graphs of CoFe2O4 ferrite calcined at different temperature for 10h

2.4 樣品的磁性能

圖4 顯示了室溫下樣品在不煅燒溫度下的磁滯回線。

由圖4可知:2個(gè)樣品均表現(xiàn)為鐵磁性,未出現(xiàn)超順磁現(xiàn)象。在外磁場3000 Oe時(shí),樣品磁化強(qiáng)度開始趨于飽和,并隨外磁場增加而逐漸完全飽和。隨著煅燒溫度升高,σs由1000℃的30.46 emu/g增加到1200 ℃的81.79 emu/g,增加了62.6%;對應(yīng) Hc則由650 Oe減小到330 Oe。

樣品σs隨退火溫度升高呈現(xiàn)增大的趨勢,而Hc則表現(xiàn)為減小的趨勢。這是由于隨著煅燒溫度的升高,樣品的結(jié)晶化程度加深,樣品的粒徑尺寸隨著煅燒溫度的升高而變大,使得顆粒的表面相所占比例變小,因而相應(yīng)的σs逐漸增大。隨著煅燒溫度的升高,樣品的 Hc逐漸減小。根據(jù)磁疇理論[13-14],Hc隨煅燒溫度的升高而減小,是由于鐵氧體顆粒由單疇顆粒長大至多疇顆粒導(dǎo)致。然而,對于1000℃煅燒的樣品,Hc達(dá)到650 Oe時(shí)對于磁光記錄是非常有利的。

此外,用振動樣品磁強(qiáng)計(jì)對Co Fe2O4樣品的居里溫度(Tc)進(jìn)行了測量,測量結(jié)果如圖5所示。從圖5中曲線的斜率可以看出,Co Fe2O4鐵氧體的 Tc在770 K左右,這與文獻(xiàn)上報(bào)道的一致[15]。

圖4 不同煅燒溫度Co Fe2 O4鐵氧體的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loops of Co Fe2 O4 ferrite calcined at different temperatures

圖5 CoFe2O4鐵氧體的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.5 Temperature dependence of magnetization for Co Fe2O4 ferrite

3 結(jié)論

采用固相反應(yīng)法制備出單相的尖晶石結(jié)構(gòu)的Co Fe2O4鐵氧體,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在1200℃的煅燒溫度下制備的CoFe2O4鐵氧體純度高、晶粒結(jié)構(gòu)完整、顆粒大小相對均勻;同時(shí)用振動樣品磁強(qiáng)計(jì)測量不同煅燒溫度下的樣品磁滯回線,Co Fe2O4鐵氧體室溫下的σs隨煅燒溫度的增加而增大,達(dá)到81.89 emu/g;而Co Fe2O4鐵氧體的 Hc則隨著煅燒溫度的增加而較小,煅燒溫度為1000 ℃時(shí) Hc達(dá)到650 Oe,這對Co Fe2O4鐵氧體應(yīng)用于磁光記錄非常有利。

本實(shí)驗(yàn)方法可以為Co Fe2O4的大批量生產(chǎn)提供依據(jù),但要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用,制備工藝還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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Magnetic Properties of CoFe2O4Ferrite by Using Solid State Reaction Method

WEI Fenfen1,2,HOU Juan1,XIONG Caoshui2,XIONG Yonghong2
(1 Key Laboratory of Ecophysics/Department of Physics,Teachers College,Shihezi University,Shihezi 832003;2 Physics Department,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074)

Spinel ferrites Co Fe2O4was synthesized by solid state reaction method using Co2O3and Fe3O4powders as precursors.The Co Fe2O4samples were subsequently sintered at different temperatures in air.The structure,morphology and magnetic properties of the Co Fe2O4samples before and after heat treament was analyzed by meansof STA,XRD,SEM and VSM.The results showed that high purity and perfect finegrains Co Fe2O4magnetic particles had been obtained by solid state reaction method.The sintering temperature had an obvious influence on the particle size and magnetic properties of the samples.The specific saturation magnetization(σs)at room temperature of Co Fe2O4ferrites increased with the calcining temperature.When the calcinstion temperature changed f rom 1000℃to 1200℃,σsof the prepared samples f rom 30.46 emu/g changed to 81.89 emu/g;while the coercivity Hcof Co Fe2O4ferrites decreased with the calcining temperature increasing at room temperature,the Hcvaried f rom 650 Oe to 330 Oe as the calcining temperature changed f rom 1000℃to 1200℃.

solid state reaction;cobalt ferrite;specific saturation magnetization;coercivity

O612.5

A

1007-7383(2010)05-0640-04

2010-01-17

衛(wèi)芬芬(1983-),女,講師,從事復(fù)合材料研究;e-mail:wffen@shzu.edu.cn。