تا ثیر نسبت مولی آهن/ باریم بر ترکیب فازي دماي سنتز ریزساختار و خواص مغناطیسی هگزافریت باریم *2 سید سلمان سید افقهی 1 و مجتبی جعفریان 1- گروه مهندسی مواد دانشکده فنی مهندسی دانشگاه جامع امام حسین (ع) تهران 2- دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان تهران (دریافت مقاله: 1394/07/2- دریافت نسخه نهایی: 1394//02) چكيده - در اين پژوهش تا ثير نسبت مولي آهن/باريم بر تركيب فازي دماي سنتز ريزساختار و خواص مغناطيسي هگزافريت باريم تهيه شده بهروش فعالسازي مكانيكي بررسي شد. بهمنظور سنتز اين تركيب از نسبتهاي مولي آهن/باريم و استفاده شد. تا ثير نسبت مولي آهن/باريم زمان آسياكاري و دماي عمليات حرارتي در تعيين شرايط بهينه براي توليد اين تركيب مورد بررسي قرار گرفت. بهمنظور بررسيهاي فازي مورفولوژي و خواص مغناطيسي محصول نهايي بهترتيب از آزمون پراش اشعه ايكس (XRD) ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و مغناطيسسنجي نمونه مرتعش (VSM) استفاده شد. طبق نتايج نسبت مولي آهن/باريم برابر با زمان ساعت آسياكاري و دماي 800 درجه سانتيگراد بهعنوان شرايط بهينه براي توليد اين تركيب بهصورت تك فاز بهدست آمد. تصاوير ميكروسكوپي الكتروني روبشي نشاندهنده ذراتي با مورفولوژي هگزاگونال و تقريبا كروي بهترتيب براي نمونهه يا تهيه شده با نسبته يا مولي آهن/باريم و بود. همچنين طبق بررسيهاي مغناطيسي بيشترين مقدار مغناطش اشباع emu/g) 5/48) و نيروي وادارندگي Oe) 5247/2) براي نمونه سنتز شده با نسبت مولي آهن/باريم حاصل شد. واژگان كليدي: هگزافريت باريم فعالسازي مكانيكي نسبت مولي آهن/باريم خواص مغناطيسي Influence of Fe/Ba Molar Ratio on Phase Composition, Synthesis Temperature, Microstructure and Magnetic Properties of Barium Hexaferrite S. S. Seyyed Afghahi 1 and M. Jafarian 2*, 1- Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran 2- Islamic Azad University, Science and Research Branch, Young Researchers and Elit Club, Tehran, Iran * مسي ول مکاتبات پست الکترونیکی: m.jafarian@srbiau.ac.ir 13
Abstract: In this study, the effect of Fe/Ba molar ratio was investigated on the phase composition, synthesis temperature, microstructure and magnetic properties of barium hexaferrite prepared via mechanical activation. In order to synthesize this compound, Fe/Ba molar ratios of and were used. The effect of Fe/Ba molar ratio, milling time and heat treatment temperature for achieving the optimal conditions in producing this compound was studied. In order to study the phase, morphology and magnetic properties of the final product, X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Vibrating Sample Magnetometer (VSM) were used respectively. According to the results, Fe/Ba molar ratio of, h milling time and temperature of 800 C were found to be the optimal conditions for producing this compound in a single phase. Scanning electron microscopy images show the hexagonal morphology and almost spherical particles respectively for samples prepared with Fe/Ba molar ratio equal to and. Moreover, according to the magnetic studies, the maximum amount of saturation magnetization (5.48 emu/g) and the coercivity force (5247.2 Oe) were obtained for the sample synthesized with Fe/Ba molar ratio of. Keywords: Barium hexaferrite, Mechanical activation, Fe/Ba molar ratio, Magnetic properties 1- مقدمه در مقایسه با فریتهایی با ساختار اسپینلی و گارنت فریت با ساختار هگزاگونال بهصورت آنیزوتروپیک و داراي میدان مغناطیسی ذاتی بزرگی است [2 و 1]. مواد هگزافریتی همانند 1 داراي باریم هگزافریت بهواسطه ساختار تقارن هگزاکونال خواص منحصر بهفردي نظیر مغناطش اشباع بالا آنیزوتروپی مغناطوبلوري بالا دماي کوري بالا و پایداري شیمیایی بالایی هستند. این خواص منجر به کاربرد آنها در رسانههاي ضبط و ثبت اطلاعات وسایل الکترونیکی حسگرها و آهنرباهاي داي می شده است [3]. بسته به نوع کاربرد هگزافریت باریم خواص مختلفی از این ترکیب مورد نیاز است. روشهاي متعددي براي تولید هگزافریت باریم با ذراتی یکنواخت و ریز (زیرمیکرومتر) وجود دارد. روشهایی نظیر روشهاي شیمیایی سل- ژل [5 و 4] هی دروترمال [7 و ] [] 2 و سونوشیمیایی [11] و همرسوبی [9 و 8] میسل معکوس روشهاي حالت جامد مانند آلیاژسازي مکانیکی [] براي سنتز این ترکیب بهکار گرفته شده است. روش سنتز این ترکیب تا ثیر بهسزایی در تعیین خواص ساختاري و مغناطیسی آن ایفا میکند. در روش حالت جامد محصول صرفا با مخلوط کردن مواد اولیه و گرمادهی آن شکل میگیرد. از جمله مزیتهاي این روش میتوان به تولید بالا و هزینه تولید پایین آن اشاره نمود. همچنین این روش داراي مشکلاتی نظیر غیریکنواخت بودن محصول آلودگی ناشی از ناخالصیها انجام فرایند در دماي بالا وجود ذرات درشت با اندازههاي متفاوت و توزیع غیریکنواخت است که منجر به کاهش وادارندگی ذاتی میشود [-14]. در این بین یکی از روشهاي مرسوم در تولید هگزافریت باریم نوع M با فرمول شیمیایی BaFe O 19 داراي جرم مولکولی 11 g/mol دانسیته 5/28 g/cm 3 پارامتر شبکه c برابر با 23/18 آنگستروم و داراي آنیزوتروپی مغناطوکریستالین در راستاي محور c میباشد. این ترکیب داراي نقطه ذوب 1390 درجه سانتیگراد میباشد. همچنین از جمله موادي با رفتار سخت مغناطیس میباشد. روش فعالسازي مکانیکی است که بهعنوان روشی ساده و کم هزینه محسوب میشود [13-15]. در این روش پودرها بهواسطه وجود سطح بالاي مرزدانهها و کسر بالاي اتمهاي قرار گرفته در مرزدانهها خواص منحصر بهفردي در پودر هگزافریت باریم تولیدي ایجاد میشود. تاکنون پژوهشهاي متعددي بهمنظور دستیابی به ترکیب تک فاز هگزافریت باریم با این روش صورت گرفته است که در آنها نویسندگان از زمانهاي آسیاکاري 15-80 ساعت [15-17] دماهاي سنتر بالاي 1373 کلوین [18-20] و سرعتهاي آسیاکاري بالاي 400 دور در دقیقه [22 و 21] استفاده نمودهاند. با این حال در تمامی حالتها بهمنظور حذف فازهاي میانی و غیرمغناطیسی مانند Fe 3O 4 αfe 2O 3 و مونوفریت باریم از دما و زمانهاي بالاي آسیاکاري استفاده نمودهاند. طبق گزارشهاي صورت گرفته دماي بالا منجر به رشد افراطی دانهها و خارج شدن ذرات از حالت تک دامنه خواهد شد. همچنین با وجود اعمال سرعتهاي بالاي آسیاکاري باز هم استفاده از دماي بالا بهدلیل استفاده از نسبتهاي بالاي آهن/باریم اجتنابناپذیر بوده است چرا که حضور فازهاي ١٤
غیرمغناطیسی بر خواص مغناطیسی و جذب امواج تا ثیر میگذارد. یکی از متغیرهاي مهم در سنتز هگزافریت باریم نسبت مولی آهن/باریم است چرا که در صورت عدم درنظر گرفتن نسبت مناس ب فازهاي غیرمغناطیسی نظیر α-fe 2O 3 و BaFe 2O 4 در ترکیب نهایی حضور خواهند داشت و همین مسا له منجر به رقت مغناطیسی میشود [22-25]. در روش فعالسازي مکانیکی تماس سطوح جدید ایجاد شده کاهش اندازه ذرات و ذخیره کرنش در ذرات منجر به کاهش دماي واکنش میشود. همچنین سنتز غیراستوکیومتري این ترکیب نه تنها منجر به القاي عیوب شبکهاي و افزایش سینتیک نفوذ میشود بلکه منجر به کاهش دماي عملیات حرارتی به منظور سنتز هگزافریت باریم نیز خواهد شد چرا که در صورت سنتز این ترکیب در دماهاي بالا افزایش رشد ذرات منجر به کاهش خواص مغناطیسی میشود [23-25]. براي این منظور در این پژوهش چگونگی سنتز این ترکیب با تغییر نسبت مولی آهن/باریم بررسی شد و عملیات حرارتی در کمترین دما و زمان ممکن صورت گرفت تا نیازي به عملیات آسیاکاري مجدد پس از سنتز پودر نداشته همچنین حداقل میزان نسبت مولی آهن/باریم براي سنتز ترکیب تک فاز هگزافریت باریم به روش آلیاژسازي مکانیکی تعیین شد. 2- مواد و روش تحقیق در این پژوهش بهمنظور سنتز پودر هگزافریت باریم بهروش فعالسازي مکانیکی از مخلوط مواد اولیه شامل اکسید باریم (BaO) و اکسید آهن (3 (Fe 2O با نسبتهاي مولی و استفاده شد. در ابتدا شرایط بهینه از نظر مدت زمان آسیاکاري (براي نسبت مولی آهن/باریم برابر با ) و دماي بازپخت (براي نسبت مولی آهن/باریم برابر با ) پودر آسیاکاري شده براي سنتز هگزافریت باریم تعیین شد. براي این منظور آزمونهاي مختلفی طراحی و انجام شد که مقادیر متغیرهاي مختلف در جدول 1 آورده شده است. در تمامی آزمونها میزان نسبت وزنی گلوله به پودر سرعت آسیاکاري و زمان بازپخت مقادیر ثابت و بهترتیب 300 20:1 دور در دقیقه و دو ساعت درنظر گرفته شد. همچنین از مخلوط پودري اکسید باریم و اکسید آهن که هر دو محصول شرکت مرك و با درجه خلوص 99/99 درصد بودند در تمامی آزمونها استفاده شد. با توجه به نسبته يا مولی مواد اولیه (جدول 1) پودرها توزین و بعد از قرارگیري در آسیاي گلولهاي سیارهاي مدل Retsch PM0 که حاوي دو محفظه فولادي و 11 گلوله از جنس فولاد زنگ نزن با میانگین قطر 15/75 میلیمتر بود با سرعت 300 دور در دقیقه در زمانهاي مختلف آسیا شدند. در تمام شرایط به میزان یک درصد وزنی PCA 3 به مخلوط پودري اتانول بهعنوان عامل کنترل کننده فرایند اضافه شد. عامل کنترل کننده فرایند اغلب بهمنظور خنثیسازي نیروي محرکه جوش سرد حین آلیاژسازي مکانیکی استفاده میشود. با جذب این عامل روي سطح ذرات بهعلت کاهش تنش سطحی مواد جامد از جوش سرد بیش از حد و انباشتگی ذرات ممانعت میشود. آسیاي مورد نظر داراي دو حرکت دورانی حول محور محفظههاي فولادي و حول محور صفحه چرخان تعبیه شده در زیر محفظههاي فولادي بود. به این ترتیب در اثر اصطکاك و ضربه ایجاد شده بین گلولهها به پودر و دیواره محفظه آسیا عمل آسیا انجام گرفت. براي جلوگیري از گرما اضافی پس از هر یک ساعت آسیاکاري دستگاه به مدت 15 دقیقه خاموش شد. پس از انجام عملیات آسیاکاري بهمنظور حذف آلودگیهاي Fe/Cr 30 میلیلیتر محلول حاوي دو میلیلیتر اسید کلریدریک پنج میلیلیتر آب اکسیژنه و 23 میلیلیتر آب مقطر تهیه شد و مخلوط پودري بهمدت ساعت در دماي اتاق در این محلول همزده شد [2]. در نهایت مخلوط پودري در دماهاي مختلف و زمان 2 ساعت با نرخ گرمادهی پنج درجه سانتیگراد در دقیقه عملیات حرارتی شد. مراحل مختلف سنتز هگزافریت باریم بهروش فعالسازي مکانیکی در شکل 1 نشان داده شده است. بررسی فازي پودرهاي سنتز شده با استفاده از دستگاه (XRD) 4 مدل XMD 300 (شرکت پراش پرتو ایکس Unisantis سوییس) در محدوده -70 درجه صورت گرفت. براي بررسی مورفولوژي پودر از دستگاه 15
کد نمونه BHF--2-00 BHF--4-00 BHF---00 BHF--8-00 BHF---00 BHF---00 BHF--14-00 BHF--1-00 BHF---10 BHF---00 BHF---900 BHF---800 BHF---700 جدول 1- شرایط آزمونهاي مختلف براي سنتز پودر هگزافریت باریم نسبت مولی Fe/Ba زمان آسیاکاري (ساعت) دماي عملیات حرارتی (درجه سانتیگراد) 2 00 4 00 00 8 00 00 00 14 00 1 00 10 00 900 800 700 آزمونها آزمون 1 آزمون 2 آزمون 3 آزمون 4 آزمون 5 آزمون آزمون 7 آزمون 8 آزمون 9 آزمون آزمون 11 آزمون آزمون 13 انتخاب مواد اولیه توزین مواد اولیه با توجه به نسبت مولی و با درنظر گرفتن میزان 5 BPR وارد نمودن مواد اولیه در محفظه آسیاي سیاره اي آسیاکاري در زمان هاي مختلف 15 دقیقه توقف دستگاه پس از هر یک ساعت آسیاکاري عملیات حرارتی نمونه در دماهاي مختلف خواص مغناطیسی بررسی مورفولوژي بررسی فازي XRD SEM VSM شکل 1- روند نماي تهیه هگزافریت باریم به روش فعالسازي مکانیکی 1
مدل- VEGA//TESCAN (SEM) میکروسکوپی الکترونی روبشی LMU (شرکتORSAY HOLDING TESCAN جمهوري چک) استفاده شد. در نهایت بهمنظور بررسی ویژگیهاي مغناطیسی نمونههاي سنتز شده ازدستگاه مغناطیسسنج نمونه مرتعش (7400 VSM شرکت Lake Shore آمریکا) استفاده شد. 3- نتایج و بحث 1-3- بررسی فازي با استفاده از پراش پرتوایکس شکل 2 نشاندهنده نتایج الگوهاي پراش نمونههاي آسیاکاري شده در زمانهاي 8 4 2 و ساعت است. با توجه به فرمول کلی ترکیب هگزافریت باریم (19 (BaFe O از نسبت مولی Fe/Ba برابر با براي سنتز این پودرها استفاده شد. پس از انجام عملیات آسیاکاري تمامی نمونهها در شرایطی یکسان در دماي 00 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت و با نرخ گرمایی 5 درجه سانتیگراد در دقیقه عملیات حرارتی شدند. همانطور که ملاحظه میشود در الگوهاي مربوط به نمونههایی که در مدت زمانهاي 4 2 و ساعت آسیاکاري شدهاند شدت قلههاي مربوط به فاز هگزافریت باریم حتی پس از عملیات حرارتی بسیار کم است و این بهدلیل درجه بلورینگی پایین پودرهاي تولیدي است. از طرفی در تمامی حالتها حضور قلههاي مربوط به فاز هماتیت در الگوي پراش ملاحظه شکل 2- الگوهاي پراش پرتو ایکس نمونههاي سنتز شده با نسبت مولی آهن/باریم برابر با آسیاکاري مختلف نشان میهد که میزان انرژي مکانیکی و گرمایی وارد شده به نمونه براي غلبه بر سد انرژي بهدلیل تولید نانوساختارهاي هگزافریت باریم حتی بعد از ساعت آسیاکاري و عملیات حرارتی در دماي 00 درجه سانتیگراد تا مین نمیشود. در روند آلیاژسازي مکانیکی اصولا بین اجزاء نفوذ اتفاق میافتد و در صورت مناسب بون شرایط محلولهاي جامد شکل میگیرند. انتظار میرود که میزان قابلیت انحلال جامد با افزایش زمان آسیاکاري همچنان که نفوذ پیشرفت میکند افزایش یابد. بههمین منظور با توجه به کافی نبودن میزان انرژي وارده به مخلوط مواد اولیه زمان آسیاکاري به مدت زمانهاي 14 و 1 ساعت افزایش داده شد (شکل 3) و پس از نمونهگیري نمونهها در دماي 00 درجه سانتیگراد بهمدت 2 ساعت کلسینه شدند. اما همانطور که ملاحظه میشود با افزایش زمان آسیاکاري نه تنها از میزان فاز هماتیت کاسته نمیشود بلکه شدت قلههاي مربوط به این فاز (هماتیت) افزایش مییابد. در مطالعات صورت گرفته در رابطه با سنتز ترکیب تک فاز هگزافریت باریم گزارش شده است که حضور فاز باقیمانده هماتیت در میشود اما با افزایش زمان آسیاکاري بهمدت زمانهاي 8 و ساعت از شدت قله مربوط به فاز هماتیت کاسته میشود و شدت قلههاي مربوط به فاز هگزافریت باریم افزایش مییابد. در این حالت نیز نمونهها حاوي مخلوطی از فازهاي هگزافریت باریم و اکسید آهن (هماتیت) و قلههاي غالب مربوط به ترکیب هگزافریت باریم است. فاز هماتیت با الگوي پراش اشعه ایکس کارت استاندارد به شماره 001-53 با گروه فضایی R-3c و با ساختار بلوري رومبوهدرال مطابقت داده شد. همچنین فاز هگزافریت باریم با کارت استاندارد به شماره 007-027 و ساختار بلوري هگزاگونال کاملا مطابقت داشت. حضور فاز هماتیت در الگوهاي پراش در شرایط 17
الگوهاي پراش اشعه ایکس بهواسطه دما و زمان پایین واکنش است [19-22]. از طرفی گزارش شده است که فرایند آسیاکاري منجر به تشکیل لایه غنی از Fe 2O 3 برروي سطح ذرات میشود و این لایه با افزایش زمان آسیاکاري غنیتر از فاز هماتیت میشود [22-25]. همانطور که مشاهده شد با افزایش زمان آسیاکاري به بیشتر از ساعت افزایش شدت قلههاي مربوط به فاز هماتیت رخ داد که در توافق خوبی با سایر پژوهشهاي صورت گرفت. یکی از مهمترین عوامل در سنتز هگزافریت باریم نسبت مولی آهن/باریم است. اصولا این فاز بهصورت کاملا غیراستوکیومتري سنتز میشود. سنتز غیراستوکیومتري این فاز نه تنها منجر به القاي عیوب شبکهاي بلکه منجر به کاهش دماي سنتز این ترکیب میشود. با توجه به تولید هگزافریت باریم پس از ساعت آسیاکاري و عملیات حرارتی در در دماي 00 درجه سانتیگراد سعی شد تا با کاهش نسبت مولی آهن/باریم چگونگی سنتز این ترکیب در دماهاي پایینتر مورد بررسی قرار گیرد. شکل 4 نشاندهنده نتایج الگوهاي پراش اشعه ایکس نمونههاي تهیه شده در شرایطی است که میزان نسبت مولی آهن/باریم درنظر گرفته شد و پس از ساعت آسیاکاري مخلوط پودري نمونهها در دماهاي مختلف به مدت دو ساعت عملیات حرارتی شدند. همانطور که در الگوهاي پراش اشعه ایکس ملاحظه میشود در صورت کلسینه نمودن مخلوط پودري در دماي 10 درجه سانتیگراد مجددا قلههاي مربوط به فاز هماتیت مشاهده میشود اما نکته قابل توجه تشکیل فاز هگزافریت باریم نوع M در این دما پس از ساعت آسیاکاري با نسبت مولی آهن/باریم است. اما نکته دیگر که از نتایج الگوهاي پراش اشعه ایکس قابل حصول است کاهش درجه بلورینگی و بهتبع آن کاهش شدت قلههاي مربوط به فاز هماتیت است که با کاهش هر چه بیشتر دما و کلسینه نمودن مخلوط پودري تا دماي شکل 3- الگوهاي پراش پرتو ایکس نمونههاي سنتز شده با نسبت مولی آهن/باریم برابر با با افزایش زمان آسیاکاري شکل 4- الگوهاي پراش پرتو ایکس نمونههاي سنتز شده با نسبت مولی آهن/باریم برابر با با تغییر دماي عملیات حرارتی 800 درجه سانتیگراد از مقدار آن کاسته میشود. چرا که جوانهزنی و رشد فاز هماتیت در این صورت به تعویق میافتد و در نتیجه در الگوهاي پراش اشعه ایکس ظاهر 18
نمیشود. در دماي 800 درجه سانتیگراد تمامی قلههاي موجود در زوایاي 42/40 40/41 37/ 34/19 32/29 30/37 3/0 5/59 55/08 و 7/3 درجه مربوط به ترکیب تک فاز هگزافریت باریم است که کاملا با الگوي مرجع به شماره کارت استاندارد 007-027 مطابقت دارد. همانطور که ملاحظه میشود در شرایطی که مخلوط مواد اولیه کاملا بهصورت غیراستوکیومتري بوده با کاهش دماي کلسینه شدن ترکیب تک فاز هگزافریت باریم بدون هیچگونه فاز میانی تشکیل شد. این در حالی است که در دماي 700 درجه سانتیگراد شرایط تغییر کرده است و با توجه به کافی نبودن دما براي نفوذ اتمها ترکیب تک فاز هگزافریت باریم حاصل نشده قلههاي مربوط به فاز مونوفریت باریم در الگوي پراش قابل مشاهده است. گزارش شده است در صورتیکه میزان آهن کمتر و میزان کربنات باریم بیشتر از میزان لازم براي تشکیل ترکیب تک فاز هگزافریت باریم باشد نرخ تشکیل فاز مونوفریت باریم در دماهاي پایین و فاز هگزافریت باریم در دماهاي بالا افزایش مییابد. این نتیجه در توافق خوبی با نتایج گزارش شده توسط دیگر پژوهشگران است [21-24] چرا که با واکنش هماتیت با مونوفریت باریم منجر به تشکیل هگزافریت باریم میشود. پس زمانیکه مقدار هماتیت تولیدي بهمنظور واکنش با مونوفریت باریم براي تولید ترکیب تک فاز هگزافریت باریم کم باشد قلههاي مربوط به مونوفریت باریم ظاهر میشوند. میتوان این چنین نتیجه گرفت در شرایطی که نسبت مولی آهن/باریم برابر با باشد تمامی فاز هماتیت با مونوفریت باریم واکنش میدهد و در صورتیکه مقدار نسبت مولی آهن/باریم بیشتر باشد قلههاي مربوط به فاز هماتیت ظاهر میشوند. همچنین در صورتیکه مقدار نسبت مولی آهن/باریم کمتر از باشد قلههاي مربوط به فاز مونوفریت باریم واکنش نکرده در الگوهاي پراش ظاهر خواهند شد. 2-3- بررسی ریزساختاري شکل 5 نشاندهنده تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از نمونههاي BHF---00 و BHF---800 است. همانطور که ملاحظه میشود در نمونه BHF---00 ذرات داراي مورفولوژي چندوجهی با ري وس کاملا مشخص و با توزیع یکنواخت است. میانگین اندازه ذرات در حدود یک میکرومتر است. رشد افراطی ذرات بهواسطه دماي بالا کاملا مشخص است. در نمونه BHF---800 تشکیل ذراتی با مورفولوژي تقریبا کروي و در برخی قسمتها بهصورت چندوجهی با میانگین اندازه ذرات در حدود 250 تا 330 نانومتر ملاحظه میشود. همچنین در بعضی مناطق نیز تراکم و انباشتگی ذرات با اندازههاي مختلف از ذرات به چشم میخورد. اصولا ذرات بهدلیل کاهش انرژي سطحی در کنار یکدیگر تجمع مینمایند. 3-3- بررسی خواص مغناطیسی گشتاور مغناطیسی براي ترکیب هگزافریت باریم از طریق رابطه (1) و حاصل جمع گشتاورهاي مغناطیسی یونهاي آهن در مکانهاي بلوروگرافی مختلف محاسبه میشود: m 2a 2b k 4f1 4f2 (1) مکانهاي با اسپین پایین مانند 4f 1 و 4f 2 هرکدام بوسیله دو یون آهن اشغال میشوند در حالیکه مکانهایی با اسپین بالا همانند 2a و 2b هر کدام توسط یک یون آهن اشغال میشوند و موقعیت k توسط یون آهن اشغال میشود. بر اساس این مدل ساده گشتاور مغناطیسی فاز خالص هگزافریت باریم 4 5 B 20 B است چرا که یونهاي Ba +2 داراي هیچ گشتاور مغناطیسی نیستند. در این صورت گشتاور مغناطیسی کل μ براي ترکیب هگزافریت باریم تنها بهواسطه گشتاورهاي مغناطیسی خنثی نشده یونهاي آهن است. شکل نشاندهنده حلقه پسماند نمونههاي هگزافریت باریم سنتز شده با نسبتهاي مولی Fe/Ba برابر با و در دماهاي 00 و 800 درجه سانتیگراد است. طبق نتایج نمونهها داراي میدان پسماندزداي بالایی هستند. مقادیر مغناطش اشباع (s M) و میدان پسماندزدا (c H) مربوط به نمونههاي سنتز شده در جدول 2 19
الف ب شکل 5- تصاویرمیکروسکوپی الکترونی روبشی از نمونههاي: الف) BHF---00 و ب) BHF---800 شکل - حلقه پسماند نمونه هگزافریت باریم سنتز شده با نسبتهاي مولی آهن/ باریم برابر با و نمونه جدول 2- مقادیر مربوط به متغیرهاي مغناطیسی نمونههاي سنتز شده با نسبت مولی آهن/باریم برابر با و Mr/Ms (emu/g)mr (Oe)Hc (emu/g)ms 0/1 34/ 5 5247/ 2 5/ 48 BHF---800 0/2 27/ 5 4994 44/ 82 BHF---00 آورده شده است. میدان پسماندزداي بالاي پودر خالص هگزافریت باریم بهدلیل ناهمسانگردي قوي در راستاي محور c است. با توجه به مساحت زیاد حلقه پسماند نمونه سنتز شده بهعنوان یک ماده سخت مغناطیس است. مقادیر مغناطش اشباع و میدان پسماندزدا نسبت به مقادیر نظري براي تک بلور هگزافریت باریم مغناطش اشباع و نیروي وادارندگی به ترتیب 20
برابر با 72 emu/g و 700 Oe کمتر است [25]. اما بهطور کلی 4- نتیجهگیري با توجه به منحنی هیسترزیس مقدار مغناطش اشباع در حالتی که نسبت مولی آهن/باریم برابر با مقدار درنظر گرفته شده کمتر از حالت دیگر است و علت آن حضور فاز میانی غیرمغناطیسی هماتیت در نمونه با نسبت مولی Fe/Ba برابر با است. واکنش بین ذرات مغناطیسی و غیرمغناطیسی برروي آنیزوتروپی مغناطیسی تا ثیر میگذارد و بنابراین منجر به تغییر خواص مغناطیسی نمونه میشود. این نتایج در توافق مناسب با نتایج گزارش شده توسط دیگر پژوهشگران است [22-25]. از طرفی نسبت M r/m s برابر 0/1 براي نمونه سنتز شده با نسبت مولی Fe/Ba برابر بهدست آمد که این مقدار بسیار به مقدار نظري براي جهتگیري تصادفی ذرات تک دامنه نزدیک است. بررسیهاي مغناطیسی نشان میدهد که میزان مغناطش باقیمانده مغناطش اشباع و نیروي وادارندگی در حالت Fe/Ba برابر با بیشتر است. مقادیر مربوط به مغناطش اشباع و نیروي وادارندگی براي هر دو حالت نسبتهاي مولی آهن/باریم در جدول 2 آورده شده است. در این پژوهش سنتز پودر هگزافریت باریم نوع M بهروش فعالسازي مکانیکی صورت گرفت. براي تولید ترکیب تک فاز این ماده مغناطیسی از نسبت وزنی گلوله به پودر 20:1 زمان آسیاکاري ساعت دماي کلسیناسیون 800 درجه سانتیگراد و مدت زمان کلسیناسیون 2 ساعت استفاده شد. طبق نتایج میکروسکوپی الکترونی روبشی مورفولوژي ذرات هگزافریت باریم سنتز شده با نسبت مولی آهن/باریم برابر بهصورت تقریبا کروي و با اندازهاي در حدود 250-330 نانومتر بودند. بررسی خواص مغناطیسی نمونه تولیدي حاکی از مقادیر مغناطش اشباع و نیروي وادارندگی بهترتیب 5/48 emu/g و 5247/2 Oe بود که طبق مساحت بالاي منحنی پسماندزدا نشاندهنده نمونهاي با رفتار مغناطیسی سخت بود. بهعلاوه نسبت M r/m s برابر 0/1 براي نمونه سنتز شده با نسبت مولی Fe/Ba برابر بهدست آمد که این مقدار بسیار به مقدار نظري براي جهتگیري تصادفی ذرات تک دامنه نزدیک بود. 1. magnetoplumbite 2. microemulsion 3. process control agent 4. x-ray diffraction 5. ball to powder weight ratio. scanning electron microscopy واژهنامه 1. Ozeri, H. S., Kucuk, I., and Zkan, H. O., Improvement in Magnetic Properties of La Substituted BaFe O 19 Particles Prepared with an Unusually Low Fe/Ba Molar Ratio, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 323, pp. 1799-1804, 2011. 2. Manikandan, M., and Venkateswaran, C., Effect of High Energy Milling on the Synthesis Temperature, Magnetic and Electrical Properties of Barium Hexagonal Ferrite, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 358-359, pp. 82-8, 2014. 3. Pullar-Robert, C., Hexagonal Ferrites: A Review of the Synthesis, and Applications of Hexaferrite Ceramics Properties, Progress in Materials Science, مراجع Vol. 57, pp. 1191-1334, 20. 4. Xu, G., Ma, H., Zhong, M., Zhou, J., Yue, Y. and He, Z., Influence of ph on Characteristics of BaFe O 19 Powder Prepared by Sol-Gelauto-Combustion, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 301, pp. 383-388, 200. 5. محمد شریفی ا. و قاسمی ع. "تهیه نانوذرات هگزافری ت باریم بهروش سل- ژل" دومین همایش مشترك انجمن مهندسین متالورژي و انجمن ریختهگري ایران کرج دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج 1387.. Zhao, L., Lv, X., Wei, Y., Ma, C., and Zhao, L., 21
Hydrothermal Synthesis of Pure BaFe O 19 Hexaferrite Nanoplatelets under High Alkaline System, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 332, pp. 44-47, 2013. 7. Xu, X., Park, J., Hong, Y. K., and Lane, A. M., Synthesis and Characterization of Hollow Mesoporous BaFe O 19 Spheres, Journal of Solid State Chemistry, Vol. 222, pp. 84-89, 2015. 8. Rashad, M. M., and Ibrahim, I. A., Improvement of The Magnetic Properties Of Barium Hexaferrite Nanopowders Using Modified Co-Precipitation Method, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 323, pp. 2158-214, 2011. 9. شیخی مقدم ك. و عطایی ا. "بررسی اثر آسیاي کم انرژي میا ین باریم تهیه بر مشخصات ذرات بسیار ریز مغناطیسی هگزافری ت شده بهروش همرسوبی" اولین همایش مشترك انجمن مهندسین متالورژي و انجمن ریخته گري ایران اصفهان شرکت ذوب آهن اصفهان 138.. Pillai, V., Kumar, P., Multani, M. S., and Shah, D. O., Structure and Magnetic Properties of Nanoparticles of Barium Ferrite Synthesized using Microemulsion Processing, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 80, pp. 9-75, 1993. 11. Nabiyouni, G., Ghanbari, D., Yousofnejad, A., and Seraj, M., Asonochemical-Assisted Method for Synthesis of BaFe O 19 Nanoparticles and Hard Magnetic Nanocomposites, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 20, pp. 3425-3429, 2014.. Qiu, J., Shen, H., and Gu, M., Microwave Absorption of Nanosized Barium Ferrite Particles Prepared using High-Energy Ball Milling, Powder Technology, Vol. 154, pp. 11-119, 2005. 13. Dursun, S., Topkaya, R., Akdogan, N., and Alkoy, S., Comparison of the Structural and Magnetic Properties of Submicron Barium Hexaferrite Powders Prepared by Molten Salt and Solid State Calcinations Routes, Ceramics International, Vol. 38, pp. 3801-380, 20. 14. Mendonca Almeida, R., Paraguassu, W., SoaresPires, D., Ribeiro Correa, R., and De-Araujo Paschoal, C. W., Impedance Spectroscopy Analysis of BaFe O 19 M-Type Hexaferrite Obtained by Ceramic Method, Ceramics International, Vol. 35, pp. 2443-2447, 2009. 15. Martirosyan, K. S., Galstyan, E., Hossain, S. M., Wang, Y. J., and Litvinov, D., Barium Hexaferrite Nanoparticles: Synthesis and Magnetic Properties, Materials Science and Engineering B, Vol. 17, pp. 8-13, 2011. 1. Mendoza-Suarez, G., Matutes-Aquino, J. A., Escalante-Garcia, J. I., Mancha-Molinar, H., Rios- Jara, D., and Johal, K. K., Magnetic Properties and Microstructure of Ba-Ferrite Powders Prepared by Ball Milling, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 223, pp. 55-2, 2001. 17. Xu, P., Han, X., and Wang, M., Synthesis and Magnetic Properties of BaFe O 19 Hexaferrite Nanoparticles by a Reverse Microemulsion Technique, The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 111, pp. 58-5870, 2007. 18. Nikkhah-Moshaie, R., SeyyedEbrahimi, S. A., and Ataie, A., Influence of Stoichiometry on Phase Constitution, Thermal Behavior and Magnetic Properties of Ba-Hexaferrite Particles Prepared via SHS Route, Materials Science and Engineering A, Vol. 473, pp. 244-248, 2008. 19. Sharma, P., Rocha, R. A., De-Medeiros, S. N., and Paesano, A., Structural and Magnetic Studies on Barium Hexaferrites Prepared by Mechanical alloying and Conventional Route, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 443, pp. 37-42, 2007. 20. Nowosielski, R., Babilas, R., Dercz, G., Pajak, L., and Wrona, J., Structure and Properties of Barium Ferrite Powders Prepared by Milling and Annealing, Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 28, pp. 735-742, 2007. 21. Stefan, I., Chiriac, R., Nicolicescu, C., and Ciobanu, M., Research on Synthesis of Barium Hexaferrite Powders Processed by Mechanical Alloying, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 13, pp. 883-88, 2011. 22. Benito, G., Morales, M. P., Requena, J., Raposo, V., Vazquez, M., and Moya, J. S., Barium Hexaferrite Monodispersed Nanoparticles Prepared by the Ceramic Method, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 234, pp. 5-72, 2001. 23. Babu, V., and Padaikathan, P., Structure and Hard Magnetic Properties of Barium Hexaferrite with and without La 2O 3 Prepared by Ball Milling, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 241, pp. 85-88, 2002. 24. Tan, G., and Chen, X., Structure and Multiferroic Properties of Barium Hexaferrite Ceramics, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 327, pp. 87-90, 2013. 25. Bsoul, I., and Mahmood, S. H., Magnetic and Structural Properties of BaFe -xga xo 19 Nanoparticles, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 489, pp. 1-114, 20. 2. Manafi, S., and Jafarian, M., Synthesis of Perovskite CaTiO 3 Nanopowders with Different Morphologies by Mechanical Alloying without Heat Treatment, International Journal of Physical Sciences, Vol. 8, pp. 77-83, 2013. 22