Синтез, структура и магнитные свойства кобальт-цинкового наноферрита для магнитореологических жидкостей

Аннотация

Перспективным направлением применения микро- и наноразмерных магнитных частиц является создание магнитореологических жидкостей (МРЖ) для систем управляемых устройств гидроавтоматики, в которых такие частицы являются компонентом комплексной дисперсной фазы. Наибольшее значение при поиске магнитных материалов для МРЖ имеет высокое значение напряжения сдвига в суспензиях на основе магнитных частиц при приложении магнитного
поля, а также низкие значения коэрцитивной силы. Целью работы являлось изучение структуры, морфологии, магнитных свойств нанопорошков твердого раствора Co,Zn-ферритов и оценка их эффективности в магнитных полях по реологическим свойствам МРЖ, изготовленным с их использованием.
Методом распылительной сушки с последующим обжигом в инертной матрице синтезирован порошкообразный кобальт-цинковый наноферрит. С использованием методов магнитного анализа, рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии исследованы его структурные и микроструктурные особенности, магнитные свойства.
Порошокообразный наноферрит Co_0.65Zn_0.35Fe₂O₄, применяющийся в качестве наполнителя комплексной дисперсной фазы магнитореологических жидкостей, имеет следующие значения коэрцитивной силы Hc (10 K) = 10.8 kOe, Hc (300 K) = 0.4 kOe, а также приведенной остаточной намагниченности Mr/Ms (10 K) = 0.75, Mr/Ms(300 K) = 0.24.
Предложенная методика синтеза позволяет получать закристаллизованные частицы ферритов с размерами, не превышающими 50 нм, обладающими при этом высоким напряжением сдвига в магнитореологических суспензиях.
Разработанметод управления магнитным и свойства микобальт- цинкового ферритака к
компонентамагнитореологических суспензий путем замещения ионов кобальта в структуре Co,Zn-шпинели немагнитным двухвалентным катионом в данном случае цинком. Установлено, что возможно уменьшать коэрцитивную силу и увеличивать намагниченность вплоть до состава максимальным содержанием кобальта, соответствующего Co_0,65Zn_0,35Fe₂O₄. Высокое значение напряжения сдвига (1 кПа) при сравнительно невысокой индукции магнитного поля (от 600 мТл и выше) позволяют считать полученный материал перспективным для использования в качестве дополнительного функционального наполнителя для магнитореологических суспензий
демпферных устройств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коробко Е. В., Паньков В. В., Котиков Д. А., Новикова З. А., Новик Е. С., Нанодисперсные наполнители на основе оксида железа для комплексной дисперсной фазы магнитоправляемых гидравлических жидкостей. Наноструктуры в конденсированных средах: Сборник научных статей. 20–23 августа 2018, Минск. Минск: Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси; 2018. c. 156–161.
2. Dragašius E., Korobko E., Novikava Z., Sermyazhko E. Magnetosensitive Polymer composites and effect of magnetic fi eld directivity on their properties. Solid State Phenomena. 2016;251: 3–7. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/SSP.251.3
3. Joseph A., Mathew S. Ferrofluids: synthetic srategies, stabilization, physicochemical features, characterization, and applications. ChemPlusChem. 2014;79(10): 1382−1420. DOI: https://doi.org/10.1002/cplu.201402202
4. Genc S., Derin B. Synthesis and rheology of ferrofl uids: a review. Current Opinion in Chemical Enginiring. 2014;3(2): 118−124. DOI: https://doi.org/10.1016/j.coche.2013.12.006
5. Vekas L., Avdeev M. V., Bica D. Magnetic nanofl uids: synthesis and structure. In: Donglu  Shi (ed.) Nanoscience in biomedicine. Springer Berlin Heidelberg; 2009. 729 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-49661-8
6. Фролов Г. И., Бачина О. И., Завьялова М. М., Равочкин С. И., Магнитные свойства наночастиц 3d-металлов. Журнал технической физики. 2008;78(8): 101–106. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/9485
7. Baraton M. I. Synthesis, functionalization, and surface treatment of nanoparticles, LA: Am. Sci. Publ.; 2002. 236 p.
8. Martínez B., Obradors X., Balcells L., Rouanet A., Monty C. Effect of aluminium doping on structural and magnetic properties of Ni–Zn ferrite nanoparticles. Physical Review Letters. 1998;80(1): 181–184. DOI: https://doi.org/10.4236/wjnse.2015.53009
9. Миттова И. Я., Сладкопевцев Б. В., Миттова В. О., Nguyen Anh Tien, Копейченко Е. И., Хороших Н. В., Варначкина И. А., Формирование пленок системы (Y₂O₃–Fe₂O₃) наноразмерного диапазона толщины на монокристаллическом InP. Конденсированные среды и межфазные границы. 2019;21(3): 406–418. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/1156
10. Mayekar J., Dhar V., Radha S. Synthesis, characterization and magnetic study of zinc ferrite nanoparticles. International Journal of Innovative Re-search in Science, Engineering and Technology. 2016;5(5): 8367–8371. DOI: https://doi.org/10.15680/IJIRSET.2016.0505268
11. Jansi Rani B., Ravina M., Saravanakumar B., Ravi G., Ganesh V., Ravichandran S., Yuvakkumar R. Ferrimagnetism in cobalt ferrite (CoFe₂O₄) nanoparticles. Nano-Structures & Nano-Objects. 2018;14: 84–91. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2018.01.012
12. Manouchehri S., Ghasemian Z., Shahbazi-Gahrouei D., Abdolah M. Synthesis and characterization of cobalt-zinc ferrite nanoparticles coated with DMSA. Chem Xpress. 2013;2(3): 147–152.
13. Singhal S., Namgyal T., Bansal S., Chandra K. Effect of Zn Substitution on the magnetic properties of cobalt ferrite nano particles prepared via sol-gel route. Journal of Electromagnetic Analysis and Applications. 2010;2(6): 376–381. DOI: https://doi.org/10.4236/jemaa.2010.26049
14. Rajendra S. G., Sang-Youn Ch., Rajaram S. M., Sung-Hwan H., Oh-Shim J. Cobalt ferrite nanocrystallites for sustainable hydrogen production application. International Journal of Electrochemistry. 2011;2011: 1– 6. DOI: https://doi.org/10.4061/2011/729141
15. Chandrashekhar A., Ladole V. Cobalt Ferrite Nanocrystallites for Sustainable Hydrogen Production Application. International Journal of Chemical Science. 2012;10(3): 1230–1234. DOI: https://doi.org/10.4061/2011/729141
16. Raghuvanshi S., Kane S. N., Tatarchuk T. R., Mazaleyrat F. Effect of Zn addition on structural, magnetic properties, antistructural modeling of Co_1–xZn_xFe₂O₄ nano ferrite. AIP Conference Proceedings 1953. 2018; 030055. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5032390
17. Sawadzky G. A., Van der Woude F., Morrish A. H. Cation distributions in octahedral and tetrahedral sites of the ferrimagnetic spinel CoFe2O4. Journal of Applied Physics. 1968; 39(2): 1204–1206. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1656224
18. Петрова Е. Г., Шавшукова Я. А., Котиков Д. А., Янушкевич К. И., Лазнев К. В., Паньков В. В. Применение метода термолиза распыленных суспензий для получения высококристалличных наночастиц ферритов-шпинелей. Журнал Белорусского государственного университета. Химия. 2019;1: 14–21. Режим доступа: https://journals.bsu.by/index.php/chemistry/article/view/1258
19. Ranjani M., Jesurani S., Priyadharshini M., Vennila S. Sol-gel synthesis and characterization of zinc substituted cobalt ferrite magnetic nanoparticles. International Journal of Advanced Research. 2016;4(7): 53–58. DOI: https://doi.org/10.21474/ijar01/1148
20. Lin Q., Xu J., Yang F., Lin J., Yang H., He Y. Magnetic and mцssbauer spectroscopy studies of zincsubstituted cobalt ferrites prepared by the sol-gel method. Materials. 2018;11(10) :1799. DOI: https://doi.org/10.3390/ma11101799
21. Copolla P., da Silva F.G., Gomide G., Paula F. L. O., Campos A. F. C., Perzynski R., Kern C., Depeyrot G., Aquino R. Hydrothermal synthesis of mixed zinc–cobalt ferrite nanoparticles: structural and magnetic properties. Journal of Nanoparticle Research. 2016;18(138): 1–15. DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-016-3430-1
22. Yafet Y. , Kittel C. Antiferromagnetic arrangements in ferrites. Physical Review Journal. 1952;87(2): 290–294. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.87.290
23. Praveena K., Sadhana K. Ferromagnetic properties of zn substituted spinel ferrites for high frequency applications. International Journal of Scientifi c and Research Publications. 2015;5(4): 1–21. Режим доступа: http://www.ijsrp.org/research-paper-0415.php?rp=P403877
24. Комогорцев С. В., Патрушева Т. Н., Балаев Д. А., Денисова Е. А., Пономаренко И. В. Наночастицы кобальтового феррита на основе мезопористого диоксида кремния. Письма в ЖТФ. 2009;35(19): 6–11. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/13984
25. Комогорцев С. В., Исхаков Р. С., Балаев А. Д., Кудашов А. Г., Окотруб А. В., Смирнов С. И. Магнитные свойства ферромагнитных наночастиц Fe₃C, капсулированных в углеродных нанотрубках. ФТТ. 2007;49(4): 700–703. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/3003
26. Ивашенко Д. В., Петрова Е. Г., Миттова И. Я., Иванец А. И., Паньков В. В. Синтез наночастиц кобальт-цинкового феррита методом модифицированного аэрозольного пиролиза. Альтернативные источники сырья и топлива – 2019: Материалы VII Международной научно-технической конференции, Минск, 28–30 мая 2019. Минск: 2019. с. 120.
27. Gözüak, F., Koseoglu, Y., Baykal, A., Kavas H. Synthesis and characterization of Co_xZn_1−xFe₂O₄ magnetic nanoparticles via a PEG-assisted route. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009;321(14): 2170–2177. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.01.008
28. Abdallah H. M. I., Moyo T., Ezekiel I. P., Osman N. S. E. Structural and magnetic properties of Sr_0.5Co_0.5Fe₂O₄ nanoferrite. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014;365(9): 83–87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.04.041