SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Hamidreza Salimi jazi
فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) حمیدرضا سلیمی جزی (استاد راهنما)
STUDENT
Mojtaba Najarzadegan
مجتبی نجارزادگان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Fabrication and optimization of exchange-coupled hard/soft Sm-Co/Co magnetic nanoparticles and investigation of the Yb substitution on magnetic properties of products
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.
نانوذرات مغناطیسی تبادلی-جفتشدهی سخت/نرم جزء مواد پیشرفته محسوب میشوند و کاربردهای مهمی از جمله در ساخت آهنرباهای دائمی دارند. با این حال ساخت این نانوذرات به ویژه به صورت خودآرا و همچنین هنگامی که فاز سخت از آلیاژهای عناصر خاکی نادر- فلز واسطه تشکیل شده باشد، بسیار چالشبرانگیز است. از طرف دیگر در این نانوذرات با کاهش ابعاد فاز سخت در حالت تکحوزه، وادارندگی آنها کاهش مییابد تا جایی که در حد ابرپارامغناطیس به صفر میرسد. یکی از روشهای افزایش وادارندگی نانوذرات مغناطیسی، افزایش ناهمسانگردی مغناطوبلوری آنها است. در این تحقیق، در ابتدا نانوذرات تبادلی-جفتشدهی SmCo/Co به روش پچینی و به دنبال آن فرایند احیا-نفوذ ساخته شدند. در ادامه با تغییر نسبت مولی مواد اولیه، نمونههایی با فازهای SmCo 5 و Sm 2 Co 17 به عنوان فاز غالب بدست آمدند. سپس اثر هر یک از عوامل مقدار احیاگر کلسیم هیدرید و دمای احیا بر ترکیب فازی، مورفولوژی و خواص مغناطیسی نانوذرات محصول بررسی شد. در انتها نیز با هدف افزایش وادارندگی نانوذرات SmCo 5 ، اتمهای Sm به طور جزئی با اتمهای خاکی نادر سنگین Yb به صورت x : x-40 :60 = Co:Sm:Yb و با مقادیر 3، 5/2، 2، 5/1، 1، 5/0، 0 = x جایگزین شده و ترکیب فازی، مورفولوژی و خواص مغناطیسی محصولات مورد بررسی قرار گرفتند. آزمونهایXRD، FESEM، TG/DTA، EDS، VSM و FORC برای بررسی نوع و میزان هر یک از فازهای موجود در نمونهها، مورفولوژی محصولات، نحوهی انجام واکنشها، نحوهی توزیع عناصر و خواص مغناطیسی محصولات استفاده شدند. نتایج نشان داد که با تغییر نسبت وزنی مقدار کلسیم هیدرید به پودر اکسیدی، فاز غالب از SmCo 5 به Sm 2 Co 17 و سپس به Co تغییر مییابد. با توجه به پارامترهای مورد بررسی، مناسبترین نسبت وزنی به صورت 3 به 1 برای مقدار کلسیم هیدرید به پودر اکسیدی بدست آمد و در آن فاز Sm 2 Co 17 به صورت نانوصفحات مجزا با ضخامت میانگین nm 32 حاصل شد. در بررسی اثر دمای احیا، نتایج نشان داد که در دمای °C910 فاز غالب Sm 2 Co 17 به صورت نانوصفحات مجزا تشکیل میشود. با افزایش دما از °C930 به °C950 فاز غالب از Sm 2 Co 17 به SmCo 5 و مورفولوژی ذرات از حالت صفحهای به حالت کلوخهای تغییر میکند. تغییر فاز ایجاد شده به افزایش میزان ساماریوم احیا شده در نمونه و همچنین افزایش نرخ نفوذ به دلیل دمای بالاتر نسبت داده شد. در انتها ویژگیهای مختلف نمونههای آلاییده با عنصر Yb مورد بررسی قرار گرفت. بررسی اندازه و مورفولوژی نانوذرات توسط FESEM نشان داد که با افزایش مقدار Yb، اندازهی نانوذرات افزایش یافته و از نمونهی 2 = x به بعد، ذرات از حالت صفحهای با ضخامت نانومتری به ذرات کلوخهای با ابعاد میکرومتری تبدیل میشوند. نتایج آزمون EDS نشان داد که توزیع عنصر Yb در نمونهها در مقیاس میکرومتری به صورت یکنواخت انجام شده است ولی افزایش مقدار آن در نمونههای 3 و 5/2 = x باعث جدایش فازی بین فازهای Co و Sm-Co و رشد فاز Co در مقیاس میکرومتری شده است. در بررسی خواص مغناطیسی محصولات، نتایج آزمون VSM نشان داد که با جانشانی اتمهای Yb وادارندگی نمونه افزایش یافته و در نمونهی 1= x با %30 افزایش نسبت به نمونهی0 = x به حداکثر مقدار خود یعنی Oe 7190 میرسد. همچنین مشخص شد که ذرات تکحوزهی فاز Sm-Co به دلیل ناهمسانگردی مغناطوبلوری بالا و اندازهی نانومتری میتوانند در هنگام اعمال میدان خارجی شروع به چرخش در جهت میدان کنند. در نهایت انجام آزمون FORC بر روی نمونهی 1= x در حالت ثابتشده با چسب نشان داد که بین دو فاز سخت و نرم برهمکنش قوی تبادلی-جفتشدگی برقرار است; ذرات فاز کبالت به صورت چند حوزهای و ذرات فاز Sm-Co به صورت تکحوزهای در نمونه وجود دارند و وادارندگی ذرات فاز سخت در بازهی kOe 12-9 قرار دارد. انجام همین آزمون بر روی نمونهی 1= x در حالت بدون چسب نشان داد که سیستم به شکل تکفاز عمل میکند و با توجه به آن پیشبینی شد که اگر بر روی نمونهی ثابتشده با چسب میدان خارجی بزرگی اعمال شود و مغناطش آن را به حالت اشباع برساند، آنگاه نمونه به صورت یک سیستم تکفاز رفتار میکند.