A 2020-1.1.2-PIACI-KFI-2021-00293 számú projekt a Kulturális és Innovációs Minisztérium Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból nyújtott támogatásával, a 2020-1.1.2-PIACI-KFI pályázati program finanszírozásában valósult meg.
Bevezetés:
A ferritek vas-oxid alapú mágneses kerámiaanyagok melyekben nagy elektromos ellenállás mellett kedvező mágneses tulajdonságok érhetők el. A mikrohullámú alkalmazásokban a ferritek egyik legfontosabb tulajdonsága a nonreciprok elektromágneses viselkedés, mely lehetővé teszi a mikrohullámú jelek irányfüggő szabályozását. Mágnesesen telített állapotban a ferritanyag irányfüggő mágneses permeabilitással rendelkezik, amely eltérő elektromágneses választ eredményez az ellentétes irányban terjedő hullámok esetén. Ennek köszönhetően a ferritalapú eszközök képesek a kívánt irányban terjedő jeleket alacsony veszteséggel továbbítani, miközben az ellenkező irányból érkező, visszaverődő jelek csillapítását biztosítják. Ez a tulajdonság alapvető fontosságú a mikrohullámú izolátorok és cirkulátorok működésében, mivel megakadályozza a visszavert energia visszajutását a jelforrásba, ezáltal védve annak működését.
Hidrotermális technológia esetén az alapanyagok vízoldható fémsói, esetek többségében kloridjai vagy nitrátjai a kívánt fémeknek. Ezeket először feloldják vízben, és lúgot adnak hozzájuk, majd egy autoklávban 150-200 °C-os hőkezeléssel jön létre a kívánt ferrit. A reakció többlépésben történik, NiFe2O4 esetén az alábbi egyenletekkel írható le:
A reakció során keletkező nátrium-kloridot a végtermékből mosással kell eltávolítani.
A citrát-nitrát szol-gél módszer esetén a kiindulási anyagokat a kívánt fémek vízoldható nitrátjai jelentik, amelyeket vizes oldatban homogenizálnak. Ezt követően citromsavat és ammóniumot adagolnak a rendszerhez, amelyek komplexképzőként, illetve az égési reakció elősegítőjeként vesznek részt a folyamatban. A keverék melegítése során a víz eltávozik, az oldat fokozatosan gélesedik és besűrűsödik, majd az ammónium-nitrát és a szerves komponensek reakciója következtében önfenntartó égési reakció indul. Az így felszabaduló hő hatására gyorsan kialakulhat a kívánt spinell ferritfázis, akár 400 °C körüli külső hőmérsékleten is. A citrát-nitrát szol-gél eljárás során a NiFe2O4 képződése összetett redoxfolyamat eredménye, amelyben a fémsók nitrátjai oxidálószerként, míg a citromsav szerves tüzelőanyagként vesz részt.
Az ismertetett nem konvencionális módszerek során az alapanyagok oldatfázisban történő keverése ionos vagy molekuláris szintű homogenizációt tesz lehetővé, szemben a hagyományos kerámiatechnológia mikrométeres léptékű mechanikai keverésével. Megfelelően optimalizált paraméterek mellett ezek az eljárások elősegíthetik a ferritfázis kialakulását alacsonyabb hőmérsékleten, ezáltal csökkentve vagy akár elkerülhetővé téve a magas hőmérsékletű kalcinálást és az azt követő intenzív őrlési lépést. Ennek eredményeként a szintézis rövidebb idő alatt, kisebb energiafelhasználással valósítható meg.
Kísérleti munka:
A jelen munka célja spinell ferritek hidrotermális és citrát-nitrát szol-gél szintézisének vizsgálata, valamint a szintézisparaméterek optimalizálása a melléktermékek mennyiségének csökkentése és a megfelelő mikrohullámú alkalmazhatóság elérése érdekében. Ehhez NiFe2O4 összetételt választottunk, annak ismert tulajdonságai miatt (4πMs = 3000 Gauss, Tc= 580 °C). Ehhez vasnak és nikkelnek kloridjait, illetve nitrátjait használtuk.
A hidrotermális szintézis során az alapanyagokat desztillált vízben oldottuk, amit melegítettünk az oldhatóság növeléséhez. Az oldathoz NaOH-ot adtunk, ami csapadék kiválását eredményezte, a rendszert közben hűtöttük, elkerülve annak felforrását a hőképződéstől. Az így kapott keveréket autoklávba töltöttük, amit ezután hőkezeltünk azt egy szárítószekrénybe téve. A keletkezett anyagrendszert vízzel mostuk a nátrium-klorid eltávolításáig. A szol-gél módszer szintén az alapanyagok oldásával indult, amihez ammóniumot és citromsavat adtunk. Az így kapott keveréket ezután főzőlapon melegítettük a víz elpárolgásáig és az öngyulladásos reakció végbementéig. A két módszer az 1. ábrán látható illusztrálva.
1. ábra A nem konvencionális ferritszintézisek kísérleti megvalósítása: a) hidrotermális eljárás, b) citrát-nitrát szol-gél eljárás.
A szintetizált anyagokat termogravimetriás vizsgálattal elemeztük, amely lehetőséget biztosított a hőmérsékletfüggő tömegváltozások, a jelenlévő mellékkomponensek bomlási folyamatai, valamint a Curie-hőmérséklet meghatározására. A mérések során kapott görbék a különböző szintézisek esetén eltérő mennyiségű maradék melléktermékre utaltak, amelyek adott hőmérséklettartományokban jelentkező tömegcsökkenési események formájában jelentek meg. Erre példa a 2. ábrán látható.
2. ábra Nem konvencionális NiFe2O4 termogravimetriás termogravimetriás görbéje.
A legjellemzőbb bomlási események körülbelül 240 °C és 270 °C körüli hőmérsékleten jelentkeztek, azonban ismételt felfűtési ciklus esetén ezek a jelenségek megszűntek, ami a hő hatására eltávozó, instabil komponensek jelenlétére utal. A mérés további fontos eredménye a körülbelül 580 °C-os Curie-hőmérséklet meghatározása, amely összhangban van a NiFe2O4 ferritfázis irodalmi értékével, és a ferromágneses spinell szerkezet kialakulását támasztja alá. A bomlási folyamatok alapján azonban megállapítható, hogy a szintetizált anyag a ferritfázis mellett még tartalmaz mellékkomponenseket. Ezek mennyiségét a paraméterek optimalizálásával csökkentettük és a reakció teljes végbemenetele a formatest égetése során végbevihető. Szélesebb körben a hidrotermális módszert vizsgáltuk, mivel az öngyulladásos reakciónál biztonságosabb, szabályozhatóbb és nagyobb mennyiségű anyagot eredményezett. A keletkezett por megfelelő szemcseméretű volt ahhoz, hogy közvetlen a szintézis után préselhető legyen. A különböző hőmérsékleteken égetett tömbi anyagokból minták készültek, amiknek megmértük a mikrohullámú tulajdonságait és ezek alapján ki lett választva egy anyag eszközben való próbára. Ennek az anyagnak a dielektromos vesztesége kedvező maradt, a telítettségi mágnesezettsége és Curie-hőmérséklete közelítette (4πMs = 2930 Gauss, Tc= 582 °C) irodalmakban megadott értékeket. Mivel egy alap összetétel, így sűrűsége és rezonancia sávszélessége kedvezőtlenebb lett a forgalomban levő kompozíciókhoz képest. Az anyag nonreciprok tulajdonsága a 3. ábrán van szemléltetve eszközben használva mérve annak csillapítását előre és visszairányba.
3. ábra A szintetizált ferrit mikrohullámú átviteli jellemzői: a) előreirányú átvitel (S21), b) visszairányú átvitel (S12).
A vizsgált nem konvencionális szintézismódszerek alkalmasnak bizonyultak NiFe2O4 spinell ferritek előállítására. A hagyományos kerámiatechnológiához képest rövidebb gyártási idő és kisebb energiafelhasználás mellett eredményeztek megfelelő minőségű ferritport, amely további hőkezelést követően mikrohullámú alkalmazásra alkalmas anyagot szolgáltatott.
Konklúzió:
A vizsgálatok alapján a hidrotermális és citrát-nitrát szol-gél módszerek alkalmasnak bizonyultak NiFe2O4 spinell ferrit előállítására a hagyományos kerámiatechnológiánál alacsonyabb hőmérsékleten. A hidrotermális eljárás szabályozhatósága és nagyobb anyagmennyiség előállítására való alkalmassága miatt kedvezőbbnek bizonyult. A kapott anyag megfelelő mikrohullámú nemreciprok tulajdonságokat mutatott, így alkalmazhatósága igazolható ferritalapú eszközökben.
Felhasznált irodalom:
Vincent G. Harris: Modern Microwave Ferrites, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 48, NO. 3, 2012, DOI: 10.1109/TMAG.2011.2180732
Miroslaw M. Bucko, Krzysztof Haberko: Hydrothermal synthesis of nickel ferrite powders, their properties and sintering, Journal of the European Ceramic Society, VOL. 27, ISSUES 2-3, 2007, pp. 723-727, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2006.04.052
Chandan Upadhyay, Devabrata Mishra, S. Anand, R. K. Kotnala: Effect of preparation conditions on formation of nanophase Ni-Zn ferrites through hydrothermal technique, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, VOL. 260, ISSUES 1-2, 2003, pp. 188-194, DOI: 10.1016/S0304-8853(02)01320-3
Jalal Azadmanjiri: Preparation of Mn-Zn ferrite nanoparticles from chemical sol-gel combustion method and the magnetic properties after sintering, Journal of Non-Crystalline Solids, VOL. 353, ISSUES 44-46, 2007, pp. 4170-4173, DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2007.06.046
Jalaiah, K. V. Babu: Structural, magnetic and electrical properties of nickel doped Mn-Zn spinel ferrite synthesized by sol-gel method, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, VOL. 423, 2017, pp. 275-280, DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.09.114
Ha feliratkozik a Műszaki Magazin Hírlevelére, sosem marad le a híreinkről! További friss híreket talál a Műszaki Magazin főoldalán! Csatlakozzon hozzánk a Facebookon is!
