Ученые смогли «настроить» свойства керамики из магнитных микросфер
Ученые-энергетики Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая представили новый двухступенчатый способ получения высокомагнитной керамики из материала в форме полых сфер. Подход политехников позволяет «настраивать» свойства готовых изделий и снизить энергозатраты при их производстве.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 24-79-10113). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Materials Characterization (Q1, IF: 5,5).
Магнитные материалы из полых микросфер благодаря своим характеристикам (большая удельная площадь поверхности, низкая плотность и способность инкапсулировать различные вещества) широко используются в технологиях поглощения электромагнитного излучения, энергетике, спинтронике и магнитно-резонансной томографии. Существует ряд методов получения таких материалов, однако они или сложны в производстве, или приводят к потере ферромагнитных свойств готового изделия.
Ученые Томского политеха вместе с коллегами из Китая представили новый способ получения высокомагнитных порошков на основе магнетита Fe3O4 в форме полых сфер, из которых затем могут быть созданы объемные керамические изделия.
«Предложенный нами подход основан на двухступенчатой процедуре изготовления высокомагнитных материалов. Сначала мы формируем микроразмерные полые частицы магнетита в процессе плазмодинамического синтеза. Механизм образования микроразмерных полых частиц в нашем случае происходит благодаря специфическим условиям взаимодействия плазмы с газовой средой. Далее спекаем синтезированный порошок при контролируемых температуре и давлении, чтобы получить на выходе образцы твердой керамики. Благодаря уникальной структуре наших порошков удается сохранить высокие магнитные свойства в готовых керамических объемных образцах», — отмечает один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Иван Шаненков.
Политехники протестировали метод создания магнетита в разных газовых средах – смесях аргона, азота и гелия с кислородом. Результаты исследований показали, что выбор инертного газа влияет на фазовый состав, размер частиц и их структуру. Контролируемое снижение концентрации кислорода в газовой смеси в исследованном диапазоне приводит к росту содержания магнетита и уменьшению количества примесей, а также формированию полых сфер размером до десятков микрометров.
«Дополнительно мы искали пути повышения намагниченности насыщения готовых материалов, в частности с помощью добавления кобальта в реакционную систему. Полученный в итоге продукт (феррит кобальта) как в форме порошка, так и в виде готовой керамики продемонстрировал очень высокую намагниченность насыщения (до 101 А∙м2/кг). Что примечательно – нам удалось избежать существенного снижения плотности объемных изделий, а значит и магнитных свойств. Относительная плотность конечных материалов составляет не менее 92 %», — добавляет ученый.
Получение керамических изделий из магнитных микросфер производилось с помощью искрового плазменного спекания при температуре от 600 до 1100 °C в течение 600 секунд. При этом политехники установили оптимальные режимы работы электрофизического оборудования для сохранения магнитных свойств готовых изделий.
По словам ученых, предложенная методика позволит синтезировать многокомпонентные высокомагнитные керамические материалы с улучшенными магнитными свойствами и снизить энергозатраты при ее производстве.
В исследовании принимали участие ученые отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Томского политеха, Чанчуньского университета (Китай) и Цзилиньского университета (Китай).
Информация и фото предоставлены пресс-службой Томского политехнического университета
Разместила: Наталья Сафронова