بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به ساخت و مطالعهی ساختارهای یکبعدی فریت استرانسیوم - SrFe12O19 - ، فریت کبالت-روی Co0.6Zn0.4Fe2O4 - - و ساختار هسته-پوستهی آنها پرداخته شده است. روش ساخت مورد استفاده، سنتز پیشماده به روش الکتروریسی تکسوزنه و انجام عملیات حرارتی است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که به علت ساختار یکبعدی این فریتها ناهمسانگردی شکل افزایش پیدا کرده و موجب افزایش میدان وادارندگی شده است؛ همچنین در نمونهی هسته-پوسته، برهمکنش تبادلی-ارتجاعی میان قسمت سخت - فریت - SrFe12O19 و نرم - فریت - Co0.6Zn0.4Fe2O 4 مغناطیسی به وجود میآید که با کنترل ضخامت هسته و پوسته میتوان به برهمکنش تبادلی ارتجاعی بهینه دست یافت.
مقدمه
فریتها به علت ویژگیهایی همچون قیمت کم، ناهمسانگردی مغناطوبلوری زیاد، دمای کوری بالا، مغناطش اشباع قابل ملاحظه و میدان وادارندگی بالا از پرکاربردترین مواد مغناطیسیاند.[1] ویژگیهای مغناطیسی فریتها به عوامل مختلفی مانند روش ساخت، آلایش دیگر عناصر در آنها و... وابسته است. یکی از مشخصههای اصلی فریتها، میدان وادارندگی است که تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند ناهمسانگردی مغناطوبلوری، ناهمسانگردی شکل، آلایش عناصر مختلف، اندازهی ذره و تکحوزه بوده و با کنترل این عوامل میتوان میدان وادارندگی را به بیشترین مقدار خود - در مواد مغناطیسی سخت - وکمترین مقدار خود - در مواد مغناطیسی نرم - رساند.[2]
به علت پتانسیل بالای ساختارهای یک بعدی - مانند نانوسیم، نانو لوله و... - در افزایش ناهمسانگردی شکل و همچنین تغییر در ابعاد بحرانی تک حوزهها، در این مقاله به بررسی و ساخت ساختارهای یکبعدی فریتها پرداخته شده است. ناهمسانگردی شکل وابسته به اندازهی قطر و نسبت طول به قطر الیاف بوده و هرچه نسبت طول به قطر افزایش پیدا کند ناهمسانگردی شکل نیز افزایش خواهد یافت. بر اساس مدل استونر-والفارت میدان وادارندگی به صورت فرمول H c M s hc بیان میشود که در آن hc میدان وادارندگی کاهش یافته است و تنها به زاویه بین محور آسان مغناطیسی و میدان مغناطیسی خارجی وابسته است. Hc میدان وادارندگی، Ms مغناطش اشباع و Ku ضریب ناهمسانگردی است و بنابراین با ثابت بودن جهت میدان و افزایش ناهمسانگردی شکل میدان وادارندگی افزایش پیدا خواهد کرد.
علاوه بر این به علت تغییر در شکل فریتها ابعاد تک حوزه افزایش یافته و شاهد تغییر در میدان وادارندگی خواهیم بود.[3] موضوع دیگری که میتوان مورد بررسی قرار داد، ساختار یک بعدی فریتهای سخت و نرم به صورت هسته-پوسته است. در واقع فریتهای سخت مغناطش اشباع پایین و میدان وادارندگی بالایی دارند، در حالی که فریتهای نرم مغناطش اشباع بالا و میدان وادارندگی پایینی دارند. هنگامی که مواد مغناطیسی سخت و نرم دارای فصل مشترک باشند، برهمکنش تبادلی-ارتجاعی میان آن ها در فصل مشترکشان بوجود میآید و موجب این میشود که قسمتهای نرم و سخت به صورت فازهای جداگانه عمل نکنند و به این ترتیب ویژگیهای مغناطیسی بهینه، یعنی میدان وادارندگی و مغناطش اشباع دلخواه حاصل شود.[4] اما این نوع برهمکنش در محدودههای خاصی بخوبی عمل کرده و قسمتهای سخت و نرم مغناطیسی ابعاد بحرانیای را در این زمینه خواهند داشت. با کنترل اندازهی شعاعهای قسمتهای هسته و پوسته، برهمکنش تبادلی ارتجاعی بهینه اتفاق خواهد افتاد که به موجب آن میتوان به انرژی مغناطیسی بالایی دست یافت.
روشهای آزمایش
برای ساخت فریت استرانسیوم - SrFe12O19 - یکبعدی به روش الکتروریسی، ابتدا مواد اولیه Sr - NO3 - 2 - و - Fe - NO3 - 3.9H2O را وزن کرده و آن را به مقدار مشخصی از آب اضافه میکنیم. سپس محلول حاصل را با مقدار مشخصی از محلول پلی وینیل پیرولیدون - PVP - و اتانول مخلوط میکنیم. سپس محلول به دست آمده را به درون سرنگ ریخته و عملیات الکتروریسی را انجام میدهیم و پس از آن الیاف ریسیده شده را در دمای 800œC به مدت 13ساعت قرار میدهیم تا فاز مورد نظر تشکیل شود. همانطور که اشاره شد در پژوهش به منظور ساخت الیاف فریت از روش الکتروریسی استفاده شده است که به صورت شماتیک در شکل1 توصیف شده است. برای ساخت فریت کبالت-روی - Co0.6Zn0.4Fe2O4 - پس از توزین مواد اولیه همچنین برای ساخت ساختار هسته-پوستهی - Co0.6Zn0.4Fe2O4 - - - SrFe12O19 - به همان ترتیبی که در بالا ذکر شد، سُل هر دو ماده را آماده نموده و آنها را درون سرنگ هم محور قرار داده و عملیات الکتروریسی را انجام میدهیم والیاف ریسیده شده را در درون کوره در دمای [5 ,1]800œC به مدت 13ساعت حرارت دهی میکنیم تا ساختار مورد نظر تشکیل شود. در شکل2 شماتیک سرنگ هممحور برای الکتروریسی نشان داده شده است.
نتایج و بحث
در شکل3 الگوی پراش پرتو ایکس سه نمونهی فریت کبالت-روی، استرانسیوم و ساختار هسته-پوستهی این دو نمایش داده شده است. همانطور که مشخص است فریت کبالت-روی - بر اساس کارت استاندارد JCPDS شماره - 22-1086 و استرانسیوم - بر اساس کارت استاندارد JCPDS شماره - 33-1340 به صورت تک فاز و خالص سنتز شده اند؛ همچنین نمونهی هسته-پوسته نیز تمامی قلههای اصلی الگوی پراش دو جزء تشکیل دهندهاش را داراست. شکل:3 الگوی پراش پرتو ایکس - a - فریت استرانسیوم - b - ساختار هسته-پوستهی فریت استرانسیوم و فریت کبالت-روی - c - فریت کبالت-روی در شکل4 تصاویر مربوط به میکروسکوپ الکترونی روبشی الیاف نمایش داده شده است. شکل-4الف الیاف مربوط به فریت استرانسیوم قبل از عملیات حرارتی را نشان میدهد که به صورت روبانشکل درآمدهاند. شکل-4ب تصویر مربوط به فریت استرانسیوم بعد از حرارتدهی در دمای 800œC است. همانطور که مشخص است این فریتها شکل الیاف گونهی خود را پس از عملیات حرارتی و حذف مواد اضافی و pvp نیز حفظ کرده اند. در شکل5 نتایج مربوط به آزمون مغناطشسنج ارتعاشی برای هر سه فریت استرانسیوم، کبالت-روی و هسته-پوستهی آنها آورده شده است.
نتایج این آنالیز نشان میدهد که به علت افزایش ناهمسانگردی شکل، فریت استرانسیوم دارای میدان وادارندگی بالایی - 6300 Oe - است. در مطالعات قبلی انجام شده، مقادیر
میدان وادارندگی مربوط به نانوذرات فریت استرانسیوم در حدود 5200 Oe گزارش شده است.[7 , 6] این مقادیر نشان از میدان - الف - - ب - شکل:4 تصاویر SEM - الف - الیاف فریت استرانسیوم قبل از عملیات حرارتی و - ب - بعد از عملیات حرارتی در دمای 800œC وادارندگی بالای فریت استرانسیوم یکبعدی ساخته شده به روش الکتروریسی دارد. همانطور که انتظار میرفت فریت کبالت-روی به علت آلایش شدن روی در فریت کبالت به صورت یک مادهی مغناطیسی نرم رفتار کرده و میدان وادارندگی پایین - 140 Oe - و مغناطش اشباع بالایی - 77 emu/gr - دارد. در واقع فریت کبالت میدان وادارندگی نسبتا بالایی - 1000 Oe - دارد اما با جایگزینی روی بجای کبالت، مغناطش اشباع افزایش و میدان وادارندگی کاهش مییابد.[8] با توجه به نمودار، مغناطش ساختار هسته-پوسته کمتر از مغناطش اشباع فریت کبالت-روی و بیشتر از فریت استرانسیوم است. همچنین میدان وادارندگی آن بیشتر از میدان وادارندگی فریت کبالت-روی و کمتر از فریت استرانسیوم است. این رفتار نشاندهندهی شکل گیری برهمکنش تبادلی-ارتجاعی میان فاز سخت و نرم مغناطیسی است. در واقع با ایجاد ساختارهای و تغییر درصد فازهای سخت و نرم، میتوان به ویژگی های مغناطیسی دلخواه دست یافت.
