ساخت و بهينه سازي نانو ذرات مغناطيسي تبادلي-جفت شده ي سخت/نرم Sm-Co/Co و بررسي اثر جانشاني اتم هاي Yb بر خواص مغناطيسي محصولات

STUDENT

DEGREE

YEAR

SmCo nanoplates were synthesized by a combination of Pechini type sol-gel method and reduction-diffusion process. The synthesis process started with (i) preparation of Sm-Co citrate gel, (ii) followed by annealing to obtain Sm-Co oxide powder and (iii) reduction of the powder by CaH 2 for 3 h under hydrogen flow and (iv) separation of the magnetic nanoparticles through a multi-step washing process. A range of characterization techniques including XRD, TG-DTA, FE-SEM, VSM and FORC were employed to investigate the various properties of products. Hard phases of SmCo 5 and Sm 2 Co 17 were obtained by adjusting the ratios of the solutes. The quantity of CaH 2 and consequently its weight ratio to the oxide powder had an effect on the synthesis process and final products in different aspects, including the evolution, microstructure, morphology, and magnetic properties. Eventually, when the weight ratio CaH 2 : oxide powder was kept at 2:1 the SmCo 5 was the dominant phase of the nanoplates; whereas, for the 3:1 mixture, Sm 2 Co 17 was the prominent, containing distinguishable nanoplates with the average thickness of 32 nm. Then to investigate the effect of reduction temperature in terms of phase, morphology, microstructure, and magnetic properties of products, the reduction process was done at different temperatures of 870, 890, 910, 930, 950, and 970 °C. The results showed that by temperature increase from 930 to 950 °C, the dominant phase turned into SmCo 5 ; the superior phase was Sm 2 Co 17 before this step. The TG/DTA analysis indicated that at reduction temperature of 950 °C and higher, the Sm 2 Co 17 phase is formed at the beginning, then releasing more Sm atoms results in the phase transformation to SmCo 5 . Meanwhile, after the temperature of 930 °C, the particle’s morphology was also changed from the nanoplates and turned into lumps. Reduced particles at 910 °C, had a maximum coercivity, and the highest amount of remanence ratio. Eventually, to increase the coercivity of SmCo 5 nanoparticles, the Sm atoms were substituted by Yb atoms as Co: Sm: Yb = 60: 40-x: x, x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0. The results showed that at x = 2.0, the particle’s morphology was changed from the nanoplates and turned into micron sized lumps. The EDS test results showed that the distribution of Yb in the samples on a micrometer scale is uniform; however in samples x = 2.5, 3.0, phase separation of Co was observed in micrometer size. The VSM test results showed that the addition of Yb atoms increased the coercivity of the samples and with a 30% increase compared to the sample x = 0.0 could enhance its value to 7186 Oe in the sample x = 1.0. The FORC analysis on sample x =1.0 fixed with adhesive indicated that there is a strong exchange-coupling interaction between the two hard and soft phases; the cobalt phase particles are multi-domain and the SmCo phase particles are single-domain and the coercivity of the hard phase particles is in the range of 9–12 kOe. Performing the same test on sample x = 1.0 in the non-adhesive state showed that the system operates in a single-phase mode and it was predicted that if a large external field was applied on a sample fixed with adhesive and magnetize it to saturation, then the sample behaves as a single-phase system.

چکيده نانوذرات مغناطيسي تبادلي-جفتشدهي سخت/نرم جزء مواد پيشرفته محسوب ميشوند و کاربردهاي مهمي از جمله در ساخت آهنرباهاي دائمي دارند. با اين حال ساخت اين نانوذرات به ويژه به صورت خودآرا و همچنين هنگامي که فاز سخت از آلياژهاي عناصر خاکي نادر- فلز واسطه تشکيل شده باشد، بسيار چالشبرانگيز است. از طرف ديگر در اين نانوذرات با کاهش ابعاد فاز سخت در حالت تکحوزه، وادارندگي آنها کاهش مييابد تا جايي که در حد ابرپارامغناطيس به صفر ميرسد. يکي از روشهاي افزايش وادارندگي نانوذرات مغناطيسي، افزايش ناهمسانگردي مغناطوبلوري آنها است. در اين تحقيق، در ابتدا نانوذرات تبادلي-جفتشدهي SmCo/Co به روش پچيني و به دنبال آن فرايند احيا-نفوذ ساخته شدند. در ادامه با تغيير نسبت مولي مواد اوليه، نمونههايي با فازهاي SmCo 5 و Sm 2 Co 17 به عنوان فاز غالب بدست آمدند. سپس اثر هر يک از عوامل مقدار احياگر کلسيم هيدريد و دماي احيا بر ترکيب فازي، مورفولوژي و خواص مغناطيسي نانوذرات محصول بررسي شد. در انتها نيز با هدف افزايش وادارندگي نانوذرات SmCo 5 ، اتمهاي Sm به طور جزئي با اتمهاي خاکي نادر سنگين Yb به صورت x : x-40 :60 = Co:Sm:Yb و با مقادير 3، 5/2، 2، 5/1، 1، 5/0، 0 = x جايگزين شده و ترکيب فازي، مورفولوژي و خواص مغناطيسي محصولات مورد بررسي قرار گرفتند. آزمونهايXRD، FESEM، TG/DTA، EDS، VSM و FORC براي بررسي نوع و ميزان هر يک از فازهاي موجود در نمونهها، مورفولوژي محصولات، نحوهي انجام واکنشها، نحوهي توزيع عناصر و خواص مغناطيسي محصولات استفاده شدند. نتايج نشان داد که با تغيير نسبت وزني مقدار کلسيم هيدريد به پودر اکسيدي، فاز غالب از SmCo 5 به Sm 2 Co 17 و سپس به Co تغيير مييابد. با توجه به پارامترهاي مورد بررسي، مناسبترين نسبت وزني به صورت 3 به 1 براي مقدار کلسيم هيدريد به پودر اکسيدي بدست آمد و در آن فاز Sm 2 Co 17 به صورت نانوصفحات مجزا با ضخامت ميانگين nm 32 حاصل شد. در بررسي اثر دماي احيا، نتايج نشان داد که در دماي °C910 فاز غالب Sm 2 Co 17 به صورت نانوصفحات مجزا تشکيل ميشود. با افزايش دما از °C930 به °C950 فاز غالب از Sm 2 Co 17 به SmCo 5 و مورفولوژي ذرات از حالت صفحهاي به حالت کلوخهاي تغيير ميکند. تغيير فاز ايجاد شده به افزايش ميزان ساماريوم احيا شده در نمونه و همچنين افزايش نرخ نفوذ به دليل دماي بالاتر نسبت داده شد. در انتها ويژگيهاي مختلف نمونههاي آلاييده با عنصر Yb مورد بررسي قرار گرفت. بررسي اندازه و مورفولوژي نانوذرات توسط FESEM نشان داد که با افزايش مقدار Yb، اندازهي نانوذرات افزايش يافته و از نمونهي 2 = x به بعد، ذرات از حالت صفحهاي با ضخامت نانومتري به ذرات کلوخهاي با ابعاد ميکرومتري تبديل ميشوند. نتايج آزمون EDS نشان داد که توزيع عنصر Yb در نمونهها در مقياس ميکرومتري به صورت يکنواخت انجام شده است ولي افزايش مقدار آن در نمونههاي 3 و 5/2 = x باعث جدايش فازي بين فازهاي Co و Sm-Co و رشد فاز Co در مقياس ميکرومتري شده است. در بررسي خواص مغناطيسي محصولات، نتايج آزمون VSM نشان داد که با جانشاني اتمهاي Yb وادارندگي نمونه افزايش يافته و در نمونهي 1= x با %30 افزايش نسبت به نمونهي0 = x به حداکثر مقدار خود يعني Oe 7190 ميرسد. همچنين مشخص شد که ذرات تکحوزهي فاز Sm-Co به دليل ناهمسانگردي مغناطوبلوري بالا و اندازهي نانومتري ميتوانند در هنگام اعمال ميدان خارجي شروع به چرخش در جهت ميدان کنند. در نهايت انجام آزمون FORC بر روي نمونهي 1= x در حالت ثابتشده با چسب نشان داد که بين دو فاز سخت و نرم برهمکنش قوي تبادلي-جفتشدگي برقرار است; ذرات فاز کبالت به صورت چند حوزهاي و ذرات فاز Sm-Co به صورت تکحوزهاي در نمونه وجود دارند و وادارندگي ذرات فاز سخت در بازهي kOe 12-9 قرار دارد. انجام همين آزمون بر روي نمونهي 1= x در حالت بدون چسب نشان داد که سيستم به شکل تکفاز عمل ميکند و با توجه به آن پيشبيني شد که اگر بر روي نمونهي ثابتشده با چسب ميدان خارجي بزرگي اعمال شود و مغناطش آن را به حالت اشباع برساند، آنگاه نمونه به صورت يک سيستم تکفاز رفتار ميکند.