Co Fe2O4铁氧体的固相反应法制备及其磁特性

卫芬芬,侯娟,熊曹水,熊永红

Co Fe2O4铁氧体的固相反应法制备及其磁特性

卫芬芬1,2,侯娟1,熊曹水2,熊永红2

(1石河子大学师范学院生态物理重点实验室/石河子大学师范学院物理系,石河子832003;
2华中科技大学物理学院,武汉430074)

以Co2O3和Fe3O4为原料,采用固相反应法合成了尖晶石型Co Fe2O4多晶材料,分别在不同温度下进行了热处理,利用STA、XRD、SEM、VSM等测试技术对Co Fe2O4样品煅烧前后的结构、微观形貌和磁性能进行了测量和分析。结果表明:采用固相反应法制备的Co Fe2O4前驱物经煅烧后可获得纯度较高、晶粒生长完整的Co Fe2O4磁性微粒。煅烧温度对微粒粒径和磁性能有较大影响,随着煅烧温度的升高,Co Fe2O4磁性微粒的粒径增大。样品室温下的比饱和磁化强度(σs)随煅烧温度的增加而增大,煅烧温度从1000℃到1200℃,样品的σs从30.46 emu/g变到81.89 emu/g;而矫顽力(Hc)则随着煅烧温度的增加而减小,煅烧温度从1000℃到1200℃,样品的 Hc从650 Oe变到330 Oe。

固相反应法;钴铁氧体;比饱和磁化强度;矫顽力

Co Fe2O4是尖晶石型铁氧体,是一种性能优良的磁性材料,居里温度790 K左右,具有高的饱和磁化强度和磁晶各向异性、良好的化学稳定性和催化特性[1-2],并且在400～500 nm短波范围内具有良好的磁光克尔效应,Co Fe2O4成为潜在的高密度磁记录介质,特别是接触磁记录介质[3]。另外,Co Fe2O4具有高磁导率,可以广泛用于磁测量和磁传感;同金属相比,Co Fe2O4具有高电阻率,磁损耗小,可应用于高频、脉冲、微波及光频波段。同时Co Fe2O4又是一种吸波材料可用于军事上的隐身技术[4-8]。由于它具有的这些磁特性及物理化学特性,Co Fe2O4铁氧体材料是功能材料领域研究的热点之一,对它的研究具有重要意义。

Co Fe2O4有多种制备方法[9-12],包括水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法、燃烧合成法等。上述方法可以制备出纯度高、晶粒细小的纳米粒子,但制备过程比较复杂。

本文采用固相反应法制备Co Fe2O4。所谓固相反应法是指2种或2种以上的固相物质参加化学反应而生成新相的过程。其优点是设备简单易操作,原理简单,产物易收集,各组分含量配比较易控制,能大批量生产;缺点是产物反应不均匀,要求的成相温度较高,烧结时间较长,因而最终得到的样品颗粒尺寸较大。为了优化固相反应法的制备工艺,本文通过多次实验,总结出了用固相反应法制备Co Fe2O4铁氧体微粉的工艺过程,并对所制备样品的结构和磁性能进行了研究。

1 实验材料与方法

采用固相反应法制备Co Fe2O4铁氧体微粉。实验原料为粉末状的分析纯Co2O3和Fe3O4。

首先,将一定量的Co2O3和 Fe3O4在烘箱中于150℃条件下干燥1～2 h,除去原料中残留的水分。各原料按Co Fe2O4名义组分进行精确配比,并按照摩尔比进行称量,反应式为:6 Co2O3+8 Fe3O4→12 Co Fe2O4+O2↑;然后把称量好的粉料放入研钵中手磨8 h,均匀混合。其次,将碾碎的粉末置于小瓷舟中,在管式炉中预烧,升温速率为300 ℃/h,预烧温度为800℃,保温10 h,以保证原料充分反应,随炉温缓慢冷却至室温。最后将Co Fe2O4微粉在15 MPa的压强条件下压成10 mm×5 mm×1 mm的长方形薄片,在高温烧结炉中进行烧结,温度分别为1000℃和1200℃,保温10 h,然后随炉温缓慢冷却至室温。

采用德国耐驰Netzsch STA 409综合热分析仪测定样品热重-差热(TG-DSC)分析曲线,升温速率为10℃/min,气氛为氮气,温度范围为室温至1200℃;采用德国产D8型的X射线衍射仪进行样品的物相分析,X射线源采用Cu Kα靶,管压40 kV,管电流为40 mA,扫描速度2°/min;采用 Hitachi SN-3000扫描电子显微镜观察样品的微观形貌;采用长春市英普磁电技术开发有限公司产的JDAW-2000B型振动样品磁强计(VSM)测定室温下样品的宏观磁性,最大磁场为25000 Oe。

2 结果与分析

2.1 混合前驱物的热分解反应

图1为混合前驱物TG-DSC曲线。

由图1可知:室温至1200℃范围内有一个低温吸热峰和一个高温放热峰,说明整个反应过程可分为二步:第1步,从室温至218℃,DSC-T曲线上有微小的吸热峰,对应 TG-T曲线上样品的质量损失之和约为13%,这个过程吸热效应较小,主要是因为前驱物中Co2O3和 Fe3O4发生了热分解;第2步,随着温度进一步升高,前驱物分解的同时发生化合反应,生成尖晶石型的Co Fe2O4铁氧体,并在400℃处形成一个很宽放热峰,此过程后期热失重率保持不变。

图1 混合前驱物TG—DSC曲线Fig.1 TG—DSC curves of the compound precursor

2.2 样品的结构分析

图2 是烧结温度1200℃保温10 h得到的Co Fe2O4样品的XRD照片。将这些谱峰与国际X射线粉末衍射联合会 (JCPDS)给出的标准Co Fe2O4的PDF卡片中标准谱JCPDS22～1086对照,样品为单一的具有尖晶石结构的钴铁氧体,衍射峰吻合的很好,没有出现杂峰,表明制备的样品为单相Co Fe2O4。

图2 CoFe2O4铁氧体的XRD谱Fig.2 XRD patterns of CoFe2O4 ferrite

2.3 样品的表面形貌分析

图3 为Co Fe2O4样品在保温10 h不同烧结温度下的SEM照片。

图3显示:不同烧结温度对样品的晶粒尺寸影响非常大,在1000℃烧结温度下,其空隙率比在1200℃烧结时的多,样品的晶粒尺寸相对较小。在相同保温条件下,烧结温度提高至1200℃,晶粒明显长大,且晶界之间的接触增强。因此,不同的烧结工艺对样品的性能会有影响,所以在烧结过程中,应本着在性能合适和经济节约的条件下选择合适的烧结工艺。

图3 不同温度煅烧10 h Co Fe2O4铁氧体的SEMFig.3 SEM graphs of CoFe2O4 ferrite calcined at different temperature for 10h

2.4 样品的磁性能

图4 显示了室温下样品在不煅烧温度下的磁滞回线。

由图4可知:2个样品均表现为铁磁性,未出现超顺磁现象。在外磁场3000 Oe时,样品磁化强度开始趋于饱和,并随外磁场增加而逐渐完全饱和。随着煅烧温度升高,σs由1000℃的30.46 emu/g增加到1200 ℃的81.79 emu/g,增加了62.6%;对应 Hc则由650 Oe减小到330 Oe。

样品σs随退火温度升高呈现增大的趋势,而Hc则表现为减小的趋势。这是由于随着煅烧温度的升高,样品的结晶化程度加深,样品的粒径尺寸随着煅烧温度的升高而变大,使得颗粒的表面相所占比例变小,因而相应的σs逐渐增大。随着煅烧温度的升高,样品的 Hc逐渐减小。根据磁畴理论[13-14],Hc随煅烧温度的升高而减小,是由于铁氧体颗粒由单畴颗粒长大至多畴颗粒导致。然而,对于1000℃煅烧的样品,Hc达到650 Oe时对于磁光记录是非常有利的。

此外,用振动样品磁强计对Co Fe2O4样品的居里温度(Tc)进行了测量,测量结果如图5所示。从图5中曲线的斜率可以看出,Co Fe2O4铁氧体的 Tc在770 K左右,这与文献上报道的一致[15]。

图4 不同煅烧温度Co Fe2 O4铁氧体的磁滞回线Fig.4 Hysteresis loops of Co Fe2 O4 ferrite calcined at different temperatures

图5 CoFe2O4铁氧体的磁化强度随温度变化曲线Fig.5 Temperature dependence of magnetization for Co Fe2O4 ferrite

3 结论

采用固相反应法制备出单相的尖晶石结构的Co Fe2O4铁氧体,实验结果表明:在1200℃的煅烧温度下制备的CoFe2O4铁氧体纯度高、晶粒结构完整、颗粒大小相对均匀;同时用振动样品磁强计测量不同煅烧温度下的样品磁滞回线,Co Fe2O4铁氧体室温下的σs随煅烧温度的增加而增大,达到81.89 emu/g;而Co Fe2O4铁氧体的 Hc则随着煅烧温度的增加而较小,煅烧温度为1000 ℃时 Hc达到650 Oe,这对Co Fe2O4铁氧体应用于磁光记录非常有利。

本实验方法可以为Co Fe2O4的大批量生产提供依据,但要达到实际应用,制备工艺还有待于进一步改进。

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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

卫芬芬(1983-),女,讲师,从事复合材料研究;e-mail:wffen@shzu.edu.cn。