镧掺杂锰锌铁氧体制备及性能研究

镧掺杂锰锌铁氧体制备及性能研究

徐宝盈;刘传值;张景淞;汪俊辰;杨宇川;赵海涛

【摘要】采用溶剂热法合成稀土元素镧掺杂的Mn0.5Zn0.5Fe2-xLaxO4(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04)粉体,通过XRD、SEM、VSM、IR等多种手段对样品表征.结果表明,当掺杂La3+后,La3+会进入Mn-Zn铁氧体晶格中,面心立方尖晶石相晶格结构逐渐被破坏;La3+掺杂量x=0.04时,产物中开始出现杂相;随着x值不断增大,铁氧体球状形貌被破坏,分散性变差.Mn0.5Zn0.5Fe2-xLaxO4颗粒在室温下表现出亚铁磁性.饱和磁化强度随着La含量的增加而增大,当x=0.03时,饱和磁化强度达到最大值64.9 emu·g-1.在50kHz交变磁场作用

下,Mn0.5Zn0.5Fe1.97La0.03O2颗粒温度可升温至64.8℃,表现出较好的磁热性能.

【期刊名称】《沈阳理工大学学报》

【年(卷),期】2018(037)004

【总页数】6页(P32-36,87)

【关键词】锰锌铁氧体;稀土;La掺杂;溶剂热法

【作者】徐宝盈;刘传值;张景淞;汪俊辰;杨宇川;赵海涛

【作者单位】沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159

【正文语种】中文

【中图分类】TB332;TM25

锰锌铁氧体是一种用途广、用量大、价格低廉的材料,已被广泛应用于开关电源变压器磁芯、电视接收机中的行输出变压器铁心和录音机磁头等一系列电子设备中。最近的研究还发现纳米铁氧体具有良好的生物相容性、优异的磁热性能、较低的居里温度和低毒性等特点[1],已经引起了国内外学者的广泛关注,被认为是一种理想的自发控温型肿瘤磁热材料[2-3]。随着工业4.0时代的到来,制备性能优越的铁氧体材料尤为重要。因而,铁氧体材料的工艺及性能成为国内外科学家研究的热点。稀土元素具有独特的物理和化学性质,是一类被最外层电子所屏蔽的未成对4f电子的元素,因而可进一步改善锰锌铁氧体材料的稳定性并提高材料的某些性能。选择稀土元素进行掺杂,对于探究铁氧体的物相结构、形貌和磁学性能等方面有着举足轻重的影响,并且可极大地扩展选择材料的范围。Naik等[4]采用燃烧法制备了

Mn0.6Zn0.4Fe2-xNdxO4(x =0、 0.04、0.06、0.08、0.1),研究表明:Nd离子的掺杂打破了原始的离子分布平衡,提高了铁氧体的磁性能。Zipare等[5]采用化学共沉淀法制备了Mn0.5Zn0.5DyxFe2-xO4(x =0.05、 0.1、 0.15、 0.2),结果表明饱和磁化强度随着Dy掺杂量的增加而降低。Abdellatif等[6]用陶瓷法制备了Gd、Sm和Dy掺杂的MnCr0.5R0.02Fe1.48O4铁氧体,其中Gd掺杂的Mn-Cr铁氧体的巨磁阻抗在电场频率为10kHz时下降可达60%。

目前,制备稀土掺杂铁氧体的方法主要有化学共沉淀法[7-8]、水热合成法[9-10] 、溶剂热法[11]和热分解法[12]等。溶剂热法是制备铁氧体的一种常见方法,与其他方法相比较,该方法具有的优点主要有实验仪器简单、便于操作、产量高、费用低,易于大规模批量化生产等。到目前为止,采用溶剂热法制备稀土掺杂锰锌铁氧体并对

其磁性能进行研究鲜见文献报道。本文采用溶剂热法制备掺杂La3+的锰锌铁氧体,并分析掺杂量变化对锰锌铁氧体形貌、物相以及磁热性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 试样的制备

以MnCl2·4H2O、ZnCl2、FeCl3·6H2O、LaCl3为原料,乙二醇为溶剂,聚乙二醇(PEG)为分散剂,按照分子式Mn0.5Zn0.5Fe2-xLaxO4(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04)中的金属离子摩尔比,称量MnCl2·4H2O、ZnCl2、FeCl3·6H2O和LaCl3,倒入100mL的烧杯中,向烧杯中加入50mL的乙二醇,磁力搅拌器搅拌1h得到均匀

的黄褐色溶液,加入NH4Ac和PEG混合液中,继续搅拌1h。将得到混合溶液超声0.5h,转移到200mL高温反应釜中,180℃保温12h。反应结束后,让反应釜自然冷

却至室温。将反应液转移至烧杯中磁性分离,倾倒出上层清液得到黑色沉淀物,分别

用适量的蒸馏水和乙醇进行洗涤数次。分离后的黑色样品,置于60℃真空箱中干燥反应物12h,最后得到粉末状样品并留待与后续表征。

1.2 试样的表征

用UltimaIV X射线衍射仪(日本理学株式会社公司)进行物相分析，S-3400N扫描电子显微镜(日本日立公司)观察粉体的形貌，VSM-220振动样品磁强计(长春英普磁电技术开发有限公司)分析产物磁性能，GHF-30AB高频感应加热设备(深圳市聚力感应技术有限公司)测试磁热性能，IR Prestige21傅里叶变换红外光谱仪(岛津)

分析表面修饰情况。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为制备的Mn-Zn铁氧体XRD图谱。

图1 Mn0.5Zn0.5Fe2-xLaxO4粒子的XRD图谱

从图1a曲线中可以观察出,Mn0.5Zn0.5Fe2O4在2θ=30.21°、35.19°、42.31°、

53.42°、57.33°、62.31°处出现较强的衍射峰,分别对应于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)晶面的衍射峰,这与锰锌铁氧体的XRD的标准谱图(卡片号PDF74-2402)一致,表明采用溶剂热法所合成的粉体具有面心立方尖晶石结构。随着La3+浓度增加,Mn-Zn铁氧体尖晶石结构特征峰强度逐渐减弱,表明完整的尖晶石结构部分被破坏[13]。由图1 可见,La3+掺杂量x≤0.03时产物都是单相,没有出现杂相,La3+离子进入八面体B位晶格。而当La3+掺杂量x=0.04时,产物的XRD 图谱出现一定量杂峰,晶格结构被掺杂镧离子破坏。Fe3+被其他离子替换的程度,往往取决于替代离子的有效半径,因La3+的半径(0.106nm)相比Fe3+的半径(0.064nm)大许多,所以产物晶格中La3+取代Fe3+的能力有限,体系中剩余La3+依附晶界处逐渐形成了LaFeO3和La2O3。上述实验结果表明,由于稀土元素

La3+的半径远大于Fe3+的半径,所以La3+取代Fe3+只能在一定范围内进行,掺入量过大将会出现杂相。

2.2 红外光谱分析

图2为溶剂热法制备的Mn0.5Zn0.5Fe2O4和Mn0.5Zn0.5Fe1.98La0.02O4粉体的傅里叶红外光谱图(4400～400cm-1)。

图2 粒子的红外光谱图

从图2a曲线中可以观察到,410～610cm-1处出现2个明显的吸收峰,这些峰是尖晶石结构的特征峰[14],610cm-1附近的吸收峰归于四面体A位Fe3+—O2-的伸缩振动产生的吸收峰,在419cm-1出现的吸收峰为八面体B位Fe3+—O2-伸缩振动所产生的吸收峰。1406cm-1处的吸收峰为羧酸盐—COOM(M为金属离子)耦合反对称和对称伸缩振动吸收峰。2360cm-1附近处出现的吸收峰为CO2的特征峰。在3418cm-1和1576cm-1为—OH特征吸收峰,这可能是纳米铁氧体表面吸水造成的,H2O分子中的—OH伸缩振动造成的。从红外谱图2b曲线中还可以观察到,La元素掺杂的锰锌铁氧体出现特征谱带红移现象,由于La3+半径较大,当