Плазмодинамический синтез ультрадисперсного оксида железа в кислосодержащей атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Томский политехнический университет

ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ОКСИДА ЖЕЛЕЗА В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ АТМОСФЕРЕ

А.А. Ломакина, А.А. Сивков, А.С. Ивашутенко

Аннотация

Статья посвящена получению ультрадисперсного оксида железа новым плазмодинамическим методом. В статье приведены исследования магнитных характеристик, определен качественный и количественный состав полученного материала.

Ключевые слова: плазмодинамический синтез, коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, оксид железа, гематит, магнетит, эпсилон.

Основная часть

Область применения порошков оксида железа достаточно широка. В биомедицине магнитные частицы, возможно, применять как магниторезонансный контраст, для гипертермии (локальный нагрев раковых клеток в организме), направленная доставка лекарственных средств [1-5]. Касаемо технологий это устройства для записи и хранения информации, функциональные элементы для магнитных сенсоров [6], а так же в достаточно новом направлении электроники - спинтроника. В том числе есть возможность применения магнитных частиц как радиопоглощающие покрытия на основе метастабильной фазы е-Fe₂O₃.

Работа по синтезу ультрадисперсных фаз оксидов железа проводился на коаксиальном магнитоплазменном ускорителе. Установка включает в себя два основных составляющих: сильноточный импульсный коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (КМПУ) и экспериментальный стенд, главным элементом которого является емкостной накопитель энергии (ЕНЭ). Условия для синтеза гетерофазных продуктов создаются плазменным потоком сверзвуковой скорости в ускорительном канале КМПУ, а так же истечением потока в пространство камеры-реактора (КР) [7].

Экспериментальная установка. В данной работе используется импульсный сильноточный коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (КМПУ), разработанный в Томском политехническом университете [8].

Метод плазмодинамического синтеза позволяет получить ультрадисперсные фазы системы Fe-O, который так же базируется на использовании КМПУ эрозионного типа, представленного на рис. 1.

1 - Центральный электрод, 2 - Электрод-ствол, 3 - Изолятор центрального электрода, 4 -Электровзрывающиеся проводники, 5 - Индуктор, 6 - Изоляция, 7 - Плазменная структура разряда

Рис. 1 Схема, устройство и принцип действия КМПУ

При реализации данных экспериментов центральный электрод (рис.1,1) диаметром 12 мм и электрод-ствол (рис.1,2) изготавливались из малоуглеродистой стали (сталь 3). Толщина стенки ствола составила 2,5 мм и имеет ускорительный канал (УК) диаметром d_ук = 16 мм и длинной ?_ук = 200 мм. В исходном состоянии электроды КМПУ электрически соединяющейся перемычкой в виде фонтанообразного пучка из восьми стальных проволочек (рис.1, 4) диаметром 0,3 мм и длиной 14 мм.

В разрабатываемом методе металлический ствол КМПУ является расходным материалом. Его электроэрозионный износ (наработка материала для синтеза) по поверхности УК в серии из нескольких последовательных выстрелов должен быть максимально возможным при сохранении целостности стенки. В процессе работы КМПУ железо - основной прекурсор синтеза нарабатывается электроэрозионным путем с поверхности УК стального ствола при горении и перемещении в нем сильноточного дугового разряда, температура плазмы которого составляет порядка 10⁴ К.

За регистрацию выходных электрических параметров, полученных в процессе получения ультрадисперсного оксида железа, отвечали осциллографы Tektronix 1012. Осциллограммы импульса рабочего тока i(t), напряжения на электродах ускорителя u(t), кривые мощности разряда P(t) и потребляемой ускорителем энергии W(t) приведены на рис.2.

Рис. 2 Осциллограммы рабочего тока и напряжения, кривые мощности разряда и потребляемой ускорителем энергии

Истечение плазменной струи происходит в закрытый объем камеры-реактора заполненной в различных процентных соотношениях кислорода и аргона при давлении в 1 атм. Аргон выступает в качестве инертного газа, не вступая в химическую реакцию с другими элементами. Данная газообразная среда позволяет получить продукт более чистых фаз без дополнительных примесей. Содержание атмосферы и весовое значение полученного продукта при проведении экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Аналитические исследования полученного порошка. Дисперсный продукт плазмодинамического синтеза собирался со стенок КР после полного осаждения. Получены типичные рентгенограммы на дифрактометре Shimadzu XRD-7000S ультрадисперсных порошков, синтезированных при различных содержаниях O₂ в газообразной смеси (рис.3). Предварительный анализ показал отсутствие влияния типа инертного газа (аргона) на основные кристаллографические параметры.

Приведены рентгенограммы дисперсных продуктов при разных концентрациях кислорода в смеси с аргоном (рис.3, a-d) при расчете использовались модели представленные в PDF-2: 88-315, 24-72, 16-653 соответственно. Рентгенофазовый анализ позволил определить фазы оксидов железа следующего состава: магнетит Fe₃O₄ (кубическая), гематит б-Fe₂O₃ (ромбоэдрическая), ?-Fe₂O₃ (моноклинная).

Рис. 3 Рентгенограммы дисперсных порошков в среде кислород-аргон

оксид железо плазмодинамический ультрадисперсный

Основным доказательством присутствия в продуктах ?-Fe₂O₃ является наличие на всех рентгенограммах сдвоенного рефлекса на интервале 2И от ~32,5 град. до ~33,5 град, где вторая часть рефлекса принадлежит гематиту б-Fe₂O₃. Из сравнения рентгенограмм на рис.3 видно, что повышение концентрации кислорода в газообразной смеси в КР сопровождается увеличением интенсивности рефлексов ?-Fe₂O₃ при соответственном снижении интенсивности рефлексов б-Fe₂O₃.

Кроме этого наблюдается заметное снижение интенсивности сильнейшего отражения кубической фазы магнетита Fe₃O₄ при увеличении концентрации O₂ до 80%. Следствием этого является некоторое смещение в направлении увеличения 2И положения максимума фазы гематита б-Fe₂O₃.

Однако, при еще большем содержании кислорода в камере-реакторе, в частности около 100%, содержание магнетита в продукте вновь возрастает, о чем свидетельствует повторное возрастание интенсивности сильнейшего отражения на рентгенограмме для продукта в этих условиях.

Оценочные численные значения основных характеристик дисперсных продуктов плазмодинамического синтеза в системе Fe-O, проводились с использованием программы полнопрофильного структурного анализа PowderCell 2.4 (таблица 2). В диапазоне изменения концентрации кислорода от 10% до 80% происходит увеличение массового содержания кристаллической фазы ?-Fe₂O₃ от ~30% до ~50% в основном за счет снижения содержания кристаллического недоокисленного железа магнетита от 71% до 39%.

Таблица 2

Исследования магнитных свойств гетерофазных продуктов, синтезированных при разной концентрации кислорода, проведены с использованием магнитометра H-04 в полях до 20 кЭ.

На рис.4а приведены кривые намагничивания, положения которых качественно и оценочно количественно соответствуют условиям получения материалов и процентному соотношению в них по массе магнитных фаз оксидов железа. Уменьшение содержания кислорода в газовой смеси в камере-реакторе при прочих близких условиях приводит к повышению содержания в продукте высокомагнитной шпинели магнетита при удельной намагниченности у=80,0 Гс·см³/г. По литературным данным значение намагниченности насыщения для объемного магнетита составляет около 87-92 Гс·см³/г [9,10].

Рис. 4 Кривые намагниченности продуктов полученных при разной концентрации кислорода (a) и температурные кривые магнитной проницаемости для порошка при 80% содержании кислорода в КР (б)

Так же проведены исследования магнитной проницаемости материала полученного при 50% содержании кислорода в КР. Кривая на рис.4б показывает практически точное соответствие температуры Кюри для магнетита, так как в порошке в большом количестве содержатся очень крупные полые сфероиды. Однако, как на ветви нагрева, так и на ветви обратного температурного хода имеют место заметные отклонения в окрестностях температур Кюри для е-Fe₂O₃ Т_с=235°С.

Заключение. Порошок, полученный плазмодинамическим методом, состоит из гетерофазной смеси кристаллических фаз: гематита б-Fe₂O₃, магнетита Fe₃О₄ и е-Fe₂O₃. Доказана возможность регулирования фазового состава продукта синтеза и его магнитных характеристик, посредством изменения газообразной атмосферы в камере-реакторе. Так же стоит отметить сохранение уникальной фазы оксида железа е-Fe₂O₃, при различных атмосферных условиях в КР.

Библиографический список

1. Woo, K. Sol-gel mediated synthesis of Fe₂O₃ nanorods / K. Woo, H.J. Lee, J.-P. Ahn, Y.S. Park. Adv. Mater. 15 (2003). pp. 1761-1764.

2. Chen, J. б-Fe₂O₃ nanotubes in gas sensor and lithium-ion battery applications / J. Chen, L. Xu, W. Li, X. Guo. Adv. Mater. 17 (2005). pp. 582-586.

3. Wang, Y. Pulling nanoparticles into water: phase transfer of oleic acid stabilized monodisperse nanoparticles into aqueous solutions of б-cyclodextrin / Y. Wang, J.F. Wong, X.W. Teng, X.Z. Lin, H. Yang. Nano Lett. 3 (2003). pp. 1555-1559.

4. Ramimoghadam, D. Progress in electrochemical synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles/ D. Ramimoghadam, S. Bagherin, S. Hamid. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 368 (2014). pp. 207-229.

5. Barick, K. Structural and magnetic properties of г- and е-Fe₂O₃ nanoparticles dispersed in silica matrix / K. Barick, B. Varaprasad, D. Bahadur. Journal of Non-Crystalline Solids. Volume 356. Issue 3. 2010. Pages 153-159.

6. Горин, Д.А. Морфология поверхности, оптические и магнитные свойства мультислойных наноразмерных пленок полиэлектролит/наночастицы магнетита / Д.А. Горин, А.М. Ященок, Ю.А. Кокшаров, А.А. Невешкин, А.А. Сердобинцев, Д.О. Григорьев, Г.Б. Хомутов. Журнал технической физики. 2009. Т. 79. С. 113-119.

7. Сивков, А.А. Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы/ А.А. Сивков, Е.П. Найден, Д.Ю. Герасимов. Сверхтвердые материалы. 2008. №5(175). С. 33-39.

8. Сивков А.А., Найден Е.П., Сайгаш А.С., Герасимов Д.Ю. Плазмодинамический синтез ультрадисперсных оксидов железа / А.А. Сивков, Е.П. Найден, А.С. Сайгаш. Известия высших учебных заведений. Физика. Т.56. №2. 2013. С. 3-8.

9. Дикий, Н.П. Структура и магнитные свойства гамма-активированных наночастиц магнетита / Н.П. Дикий, Е.П. Медведева. Вестник Харьковского университета. №859. 2009. вып.2(42). С. 89 - 94.

10. Усенко, А.Е. Твердофазный синтез магнетита из гематита в восстановительной атмосфере паров этилового спирта / А.Е. Усенко, В.В. Паньков, А.С. Собеский. Вестник БГУ. № 3(2). 2013. С. 16-21.

Размещено на Allbest.ru