机械球磨对CoF

2009年 11月 吉林师范大学学报(自然科学版) l . 4 第4期 Journal of Jilin Normal University (Natural Science Edition) Nov. 2009 收稿日期: 2009-10-07 基金项目:吉林省科技发展项目(20060803) 第一作者简介:孟祥东( 1975-) ,男,吉林省四平市人,现为吉林师范大学物理学院讲师,博士.研究方向:纳米功能材料. * 通讯作者:李海波( 1962-) ,男,教授,博士.研究方向:无机纳米材料. 机械球磨对 CoFe1. 8Y0. 2O4结构和磁特性的影响 孟祥东,刘 宇,李海波* (吉林师范大学 凝聚态物理与材料科学研究所,吉林 四平 136000) 摘 要:采用溶胶 ) 凝胶自燃烧法制备 CoFe1. 8Y0.2O4 铁氧体纳米粉末, 并对样品进行机械球磨处理.利用 X射 线衍射仪( XRD) , 扫描电子显微镜( SEM)和振动样品磁强计( VSM)对样品的晶体结构、晶粒尺寸和磁性进行了分 析,研究球磨时间对样品的微观结构和磁性的影响.结果明, 随着球磨时间的增加,晶粒细化, 矫顽力从 1 990 Oe减小到 589 Oe,比饱和磁化强度从 27. 89 emu/ g减少到 19. 5 emu/ g. 关键词:溶胶 ) 凝胶; 铁氧体;机械球磨; 磁性 中图分类号: O482. 5 文献标识码: A 文章编号: 1674-3873- ( 2009) 04-0034-03 0 引言 铁氧体材料因其在许多技术领域应用的重要性而一直受到人们的极大关注, 特别是纳米尖晶石结构 钴铁氧体有可能成为磁光材料的替代材料并在高密度数据存储方面有很大应用前景. 单纯的稀土金 属并不显现强磁光效应, 只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体和合金薄膜等光学材料之中,才会显 现强磁光效应[ 1] .由于三价稀土离子对铁氧体的结构和性能有很好的修饰作用,以稀土元素掺入铁氧体中 替代晶格中 B位的 Fe3+ 离子, 能够改善材料磁性能,开发出新型的性能优异的铁氧体材料.本文以机械合 金化方法代替热处理工艺,研究了球磨时间对溶胶 ) 凝胶自燃烧法制备的 CoFe1. 8Y0. 2O4 铁氧体粉末的微 观结构、颗粒尺寸和磁性的影响,并探讨其机理. 1 实验 采用溶胶 ) 凝胶自燃烧法制备了 CoFe1. 8Y0. 2O4 铁氧体粉末, 实验细节见文献[ 2] . 将自燃烧 (AP)的 CoFe1. 8Y0. 2O4 铁氧体粉末,放入GN2高能球磨机中球磨,球料比20: 1, 电压140 V,高纯氩气保护.等量的粉 末分别经 2、4、6、8、10 h的球磨后取出进行X射线衍射( XRD) ,扫描电子显微镜( SEM)和振动样品磁强计 (VSM)表征. X射线衍射在理学D/ max-RA X射线衍射仪上进行,所用射线为 CuKA( K= 0. 154 06 nm) ,石墨 晶体单色器,管流 150 mA, 管压 50 kV; 利用日立 S-570扫描电镜对样品的形貌进行分析; 利用吉林大学 JDM-13型振动样品磁强计( VSM)测试其室温磁性,最大磁场 1. 9 T . 2 结果与讨论 2. 1 XRD结果分析 图1为不同球磨时间的 CoFe1. 8Y0. 2O4铁氧体粉末的XRD图. 从图 1中看出,球磨 2 h后, CoFe1. 8Y0. 2O4 的衍射峰强度减弱, 并且衍射峰宽化.这是由于在球磨过程中,介质球与粉体之间有冲击、摩擦、剪切和挤 压的作用,粉料经过介质球的高速撞击,剪切作用使粉末晶粒中产生晶格畸变和位错,使粉料内部有很大 的内应力产生, 使晶格有序度降低, 晶粒细化.随着球磨时间的增加, 衍射峰的强度逐渐增加, 但峰位没有 变化. 晶粒细化和微观应变的存在, 导致衍射峰宽化. 利用 Jade软件计算样品的平均晶粒尺寸, 结果列在 表1中. #34# 2. 2 形貌变化 从图 2中可以看出,自燃烧后样品的颗 粒呈球形, 分布较均匀,没有明显硬团聚体. 两个小时球磨后,颗粒聚集在一起很难区分 其形状,经 4到 6 h球磨后, 可以明显看出一 些颗粒聚合在一起, 粉末样品表面受挤压聚 合.球磨后,粉末颗粒由于冷焊的作用开始发 生集聚,粉末之间形成具有一定原子结合力 且呈层片状的复合颗粒, 细小粉末颗粒开始 大量集聚,没有明显的界面.随着球磨时间的 延长, 颗粒经历着破碎,集聚复合,层状结构 更明显. 图 1 不同球磨时间的 XRD谱线 表 1 不同球磨时间样品的晶粒尺寸 样品编号 AP 2 h 4 h 6 h 平均晶粒尺寸/nm 100 42 30 15 图 2 不同球磨时间后 CoFe1. 8Y0. 2O4的 SEM图 2. 3 磁特性变化 图3为 CoFe1. 8Y0. 2O4 样品经 2 h、4 h和 6 h球磨后, 矫顽力和比饱和磁化强度的变化曲线.图 3( a)表 明,随着球磨时间的增加, 矫顽力呈减小的趋势.自燃烧后粉末晶粒尺寸接近磁单畴尺寸[ 2, 3] ,所以有较高 的矫顽力 1 990 Oe.随球磨时间的增加,矫顽力减小,球磨 6 h后减小到589 Oe. 这是由于球磨后,细小的晶 粒团聚在一起, 形成多畴壁,晶粒之间存在强烈的交换耦合作用, 阻止晶粒界面处的磁矩沿各自易磁化方 向取向,使其从一个晶粒的易磁化方向连续改变到另一个晶粒的易磁化方向,削弱了材料磁晶各向异性的 #35# 影响,使有效各向异性减小.而材料的矫顽力与磁晶各向异性和多畴壁的形成密切相关,各向异性的减小 和多畴壁增多导致磁体的矫顽力下降[ 4, 5] . 从图 3( b)中看出随球磨时间增加到 6 h, 比饱和磁化强度呈现 逐渐减小趋势. 从X射线衍射结果分析可知,晶粒不断细化,晶格发生畸变,减弱了晶格中总的 A 位和 B 位变换作用,使总磁矩减小. 图 3 矫顽力和比饱和磁化强度随球磨时间的变化曲线 3 结论 根据以上讨论,采用溶胶 ) 凝胶自燃烧法制备的 CoFe1. 8Y0. 2 O4 铁氧体粉末, 并经 2、4和 6 h球磨. X 射线衍射和扫描电镜的结果表明, 球磨时间的增加使晶粒细化, 有层状结构出现. 振动样品磁强计的测试 结果表明,随着球磨时间的增加,矫顽力从 1 990 Oe减小 589 Oe, 比饱和磁化强度减少,在球磨 6 h后达到 最小值19. 5 emu/ g. 参 考 文 献 [ 1]郑子樵,李红英.稀土功能材料 [M ]1北京:化学工业出版社, 20031 [ 2]孟祥东,刘 梅,陈敬艳.溶胶 ) 凝胶自燃烧法制备纳米 CoY xFe2- xO4 铁氧体的特性[ J] .硅酸盐学报, 2007, 35: 550~ 553. [ 3] Sato. T, Li jlmao T and Seki M , et al. Magnetic propert ies of ultrafineferrite particles[ J] . J Magn Magn Mater, 1987, 65: 252~ 256. [ 4]Hadjipanayis G C.Nanophase hard magnets[ J] . J. Magn.Magn.Mater. 1999, 200: 373~ 3911 [ 5] J Arcas, A.Hernando, J M . Barandiaran and C. Prados, et al. Soft to hard magnet ic anisotropy in nanostructured magnets[ J] . Phys. Rev. B, 1998, 58: 5193 ~ 5196. Effect of Mechanical Bal-l milling on the Structure and Magnetic Properties of CoFe1. 8Y0. 2O4 Ferrite MENG Xiang-dong, LIU Yu, LI Hai-bo ( Inst itute of Condensed Matter Physics and Materials Science, Jilin Normal University, Siping 136000,China) Abstract:The CoFe1. 8Y0. 2O4 ferrite powder was synthesized by the so-l gel sel-f combustion method and mechanical bal-l milling.The structure, grain size, morphology and magnetic properties of powders were investigated by X-ray dif- fract ion ( XRD) , scanning electron microscope ( SEM ) and vibrating sample magnetometer ( VSM) . The effect of different bal-l milling t ime for crystal structure and magnetic properties were studied. The results indicated that with the increase of bal-l milling time, the grain size and coercivity gradual decreased, in particular decreased from the 1 990 Oe to 589 Oe for the coercivity. We also found the saturation magnetization of the particle decreased from the 27. 9 emu/ g to 19. 5 emu/ g. Key words: so-l gel; ferrite; mechanical bal-l milling; magnetic property #36#