Study of the magnetic properties of particles of magnetic soft alloys 5BDSR аnd 82K3HSR.pdf Введение Мелкодисперсные магнитные материалы в последнее время находят все более широкое применение в различных технических [1, 2] и медицинских [3, 4] практических приложениях, экологии [5] и многих других областях. Так, в медицине интенсивно развиваются методы адресной доставки лекарств функционализированными магнитными наночастицами, магнитной гипертермии злокачественных образований, различных видов диагностики [6-9]. Интересные приложения магнитных частиц в технике связаны с магнитными жидкостями с изменяемыми реологическими свойствами [10], магнитной смазки трущихся деталей [11]. Интересные приложения магнитных частиц могут быть в оптике за счет изменения их поглощающих и преломляющих свойств. Это стимулирует поиск новых магнитных составов и структур, а также способов их получения, как химических [9, 12, 13], так и физических [14-16]. Одно из новых приложений магнитных материалов, в том числе магнитных жидкостей, - возможность управления излучением в ТГц-диапазоне, визуализация [17] и создание устройств (поляризаторов, аттенюаторов, детекторов и др.) со свойствами, управляемыми магнитным полем [18]. В качестве активных компонентов магнитных жидкостей интересны дисперсные материалы с высокой магнитной проницаемостью. К ним относятся, например, так называемые магнитомягкие сплавы на основе 3d-металлов. Одним из наиболее известных таких сплавов является нанокристаллический сплав «FENIMET», Hitachi [19] и материалы на его основе для разнообразных применений в электротехнике. Российскими аналогами таких сплавов с высоким значением магнитной восприимчивости являются сплавы АМАГ производства ПАО «Ашинский металлургический завод»: например, магнитомягкий нанокристаллический сплав 5БДСР (на основе железа) и магнитомягкий аморфный сплав 82К3ХСР (на основе кобальта). Так, магнитная проницаемость для 5БДСР   40000, а для 82К3ХСР   100 000 [20]. В настоящей работе исследованы морфология и магнитные свойства микро- и наноразмерных частиц магнитомягких сплавов 5БДСР и 82К3ХСР. Для исследования использовались микронные частицы, полученные быстрым охлаждением расплава в струе инертного газа и размолом в шаровой мельнице, а наночастицы - импульсной лазерной абляцией объемной мишени в аргоне. Объекты и методы исследования Исходные материалы - магнитомягкий нанокристаллический сплав 5БДСР (на основе железа) и магнитомягкий аморфный сплав 82К3ХСР (на основе кобальта). Данные сплавы имелись в виде объемных заготовок цилиндрической формы, ленты, полученной литьем плоского расплава на охлажденную поверхность с последующей скоростной закалкой (ТУ-14-123-149-2009), и порошков, полученных при охлаждении расплава в инертной атмосфере. Согласно данным рентгенофлуоресцентного анализа (ренгенофлуоресцентный спектрометр XRF 1800, «Shimadzu», Япония), сплав 5БДСР содержит около 80 % железа, легирование бором 1-2 % и кремнием до 8 % обеспечивает аморфизацию, имеется еще более 10 функциональных легирующих элементов, из которых основные - Nb, Cu, Co, Mo, Ni. Соответственно сплав 82К3ХСР содержит до 80 % кобальта, аморфизирующие добавки бора и кремния и другие легирующие элементы - Ni, Cr, Fe, C и Ba. Исследования кристаллической структуры (рентгеновский дифрактометр XRD 6000, «Shimadzu», Япония) показали, что образцы действительно находятся преимущественно в аморфном состоянии с малоинтенсивными широкими рефлексами металлического железа и кобальта в нанокристаллическом состоянии соответственно для 5БДСР и 82К3ХСР. Исходные порошки микронных частиц (МЧ) имели широкое распределение по размерам, поэтому они были предварительно фракционированы на калиброванных ситах. Для дальнейших экспериментов была выбрана фракция с минимальным размером 20-40 мкм. Лента из сплава 5БДСР была размолота на шаровой мельнице и далее фракционирована на калиброванных ситах, для исследований была взята фракция 20-40 мкм. Наноразмерные порошки были получены методом импульсной лазерной абляции объемной мишени в газовой фазе (ИЛАГ) при атмосферном давлении. Мишень помещалась в цилиндрический реактор, через который прокачивался аргон со скоростью 6-10 мл/мин. Возбуждение осуществлялось сфокусированным длиннофокусной линзой (F = 500 мм) излучением Nd:YAG-лазера (1064 нм, 7 нс, 150 мДж, 20 Гц). Пучок вводился с торца реактора через полиэтиленовую мембрану. Синтез протекал в течение 8 ч, после чего собирался порошок наночастиц (НЧ), осевший на стенки реактора. Для ускоренного осаждения магнитных частиц к стенкам реактора с внешней стороны крепились постоянные магниты. Подробно методика синтеза и схема экспериментальной установки для синтеза нанопорошков ИЛАГ при атмосферном давлении рассмотрена в [21]. Морфология микропорошков исследовалась при помощи сканирующего электронного микроскопа VEGA 3 SBH («Tescan», Чехия) без дополнительной пробоподготовки. Размерные характеристики нанопорошков исследовались на просвечивающем электронном микроскопе HT-7700 («Hitachi», Япония), оснащенном сканирующей приставкой и энергодисперсионным спектрометром (EDS). Порошок диспергировался ультразвуком в этиловом спирте и наносился на медные сетки с аморфным полимерным покрытием. Магнитные свойства порошков исследовались при помощи вибрационного магнитометра. Порошки смешивались с немагнитной основой и прессовались в цилиндрические таблетки. Методика эксперимента по исследованию магнитных свойств и описание экспериментальной установки приведены в [22]. Результаты и их обсуждение СЭМ-микрофотографии, характеризующие размеры микрочастиц и морфологию их поверхности, приведены на рис. 1. Из рисунка видно, что частицы, полученные при быстром охлаждении расплава в струе аргона, имеют преимущественно правильную сферическую форму как для 5БДСР, так и для 82К3ХСР (рис. 1, а, б), в то время как порошок, полученный в шаровой мельнице, состоит из ограненных частиц различной формы (рис. 1, в). Фракционирование при помощи калиброванных сит достаточно хорошо ограничивает диапазон размеров, особенно для сферических порошков. Для порошка, полученного в мельнице, наблюдается некоторое количество и более крупных частиц. Исследование морфологии наночастиц, полученных ИЛАГ в среде аргона (рис. 2), показывает, что в образцах имеются крупные сферические частицы до 100 нм для 5БДСР и до 200 нм для 82К3ХСР, однако их количество незначительно (рис. 2, а, б). Большинство частиц крайне мелкие и имеют размер до 10 нм для 5БДСР и 15-25 нм для 82К3ХСР (рис. 2, в, г). В общем случае наночастицы 5БДСР мельче, чем частицы образца 82К3ХСР. Микроанализ пространственного распределения элементов в пробе наночастиц (по Fe, Si, Nb, Cr, Co для 5БДСР и по Co, Fe, Si, Cr для 82К3ХСР) показал, что элементы равномерно распределены в пробе и соответствуют распределению частиц на микрофотографии. Это говорит о сохранении состава в образце. Вместе с тем в обоих образцах присутствует значительное количество кислорода. Это связано с окислением наночастиц после того, как их извлекли из реактора. Интересно, что более сильно окислился образец 82К3ХСР на основе кобальта, несмотря на более крупные частицы. Рис 1. СЭМ-микрофотографии фракционированных (20-40 мкм) микрочастиц 5БДСР (а) и 82К3ХСР (б), полученных охлаждением в струе аргона, и порошка 5БДСР, размолотого из ленты в шаровой мельнице (в) Рис. 2. Обзорные и детальные ПЭМ-изображения наночастиц 5БДСР (а, в) и 82К3ХСР (б, г), полученных импульсной лазерной абляцией в среде аргона Результаты исследования магнитных свойств порошков при комнатной температуре приведены в таблице и на рис. 3. Наибольшей намагниченностью насыщения из исследованных образцов обладают МЧ 5БДСР (140 ЭМЕ/г) вне зависимости от способа их приготовления. При этом у МЧ 5БДСР, полученных в шаровой мельнице, самая маленькая коэрцитивная сила из всех исследованных частиц (таблица). У МЧ сплава 82К3ХСР остаточная намагниченность более чем в 3 раза меньше, чем у 5БДСР. Узкая петля гистерезиса и незначительная коэрцитивная сила при комнатной температуре позволяет отнести все исследованные МЧ к магнитомягким. При переходе к НЧ у 5БДСР и 82К3ХСР намагниченность насыщения падает примерно в 14 раз. При этом коэрцитивная сила для 5БДСР возрастает, а для 82К3ХСР остается на том же уровне. Изменения связаны как с кардинальным уменьшением размера частиц, так и с их окислением. Для примера в таблице приведены магнитные характеристики наночастиц магнетита Fe3O4, полученных импульсной лазерной абляцией (ИЛА) мишени железа в воде и воздухе при близких условиях лазерного воздействия на мишень. У НЧ магнетита в 1.5-2 раза больше величина намагниченности насыщения, при этом у НЧ 5БДСР и 82К3ХСР самая маленькая остаточная намагниченность - в 4-4.6 раза меньше, что позволяет считать их, как и МЧ, магнитомягкими. Магнитные характеристики (коэрцитивная сила Hc, намагниченность насыщения Ms и остаточная намагниченность Mr) исследованных порошков МЧ и НЧ магнитомягких сплавов и НЧ оксида железа № Образец Hc, Э Ms, ЭМЕ/г Mr, ЭМЕ/г 1 5БДСР, МЧ распыление в Ar 52 140 3.2 2 82К3ХСР, МЧ, распыление в Ar 110 30 2.3 3 5БДСР, мельница 18 140 1.4 4 5БДСР, НЧ, ИЛАГ, Ar 108 10 0.6 5 82К3ХСР, НЧ, ИЛАГ, Ar, НЧ 100 9 0.6 6 Fe3O4 (магнетит), НЧ, ИЛАГ, Air [15] 100 20 2.8 7 Fe3O4 (магнетит), ИЛА, НЧ, H2O [15] 145 15 2.5 Рис. 3. Зависимость намагниченности исследованных порошков от напряженности приложенного магнитного поля: кр. 1 и 2 - МЧ 5БДСР и 82К3ХСР соответственно, полученные распылением расплава в аргоне; кр. 3 - МЧ 5БДСР, полученные в шаровой мельнице; кр. 4 и 5 - НЧ 5БДСР и 82К3ХСР соответственно, полученные ИЛАГ в аргоне Заключение В работе впервые получены наночастицы при импульсной лазерной абляции магнитомягких сплавов 5БДСР и 82К3ХСР, проведено исследование их морфологии и магнитных свойств в сравнении с микронными частицами этих материалов и наночастицами магнетита, также полученными импульсной лазерной абляцией. Установлено, что НЧ, полученные при ИЛАГ 5БДСР и 82К3ХСР, окисляются после извлечения из реактора. Как магнитоактивные материалы они имеют наименьшую намагниченность насыщения и коэрцитивную силу. Для установления природы магнитных свойств и определения перспективных областей использования нано- и микрочастиц 5БДСР и 82К3ХСР планируется продолжить исследование состава и структуры частиц, а также их магнитных характеристик при различных температурах. Авторы выражают благодарность сотрудникам Института физики им. Л.В. Киренского М.В. Волочаеву за измерения на просвечивающем электронном микроскопе и Д.А. Великанову за измерение на вибрационном магнетометре.

Скачать электронную версию публикации