液相還原法制備fe-co合金粉末的微結構及形狀

co-feli作為一種軟磁材料，具有高飽和磁強、高主導磁強和最大磁強、磁速窄、高耐磁性和高潮濕等優點。當含量為35%時，其比飽和磁強為240akg-1。因此，它通常被用作高飽和磁強材料和高溫軟磁材料。尤其當Fe-Co合金粉末粒徑減小至亞微米級(<1μm)甚至納米級時,由于材料具有大的比表面積,在滿足趨膚深度的條件下,與電磁波接觸面積增大,可以有效地吸收電磁波,加之金屬微粒具有良好的鐵磁性,因此與電磁波相互作用增強,可更有效地衰減電磁波,如再配與高溫性能良好的陶瓷材料作為基體,超細Fe-Co合金粉末顆粒有望成為頻帶寬、高衰減、耐高溫的吸波材料。本文采用液相還原法,在水相中合成出了不同成分比例的Fe-Co合金粉末顆粒,采用XRD,SEM等對反應條件的影響進行了分析,系統研究了不同生成條件對顆粒形貌等微觀結構及磁性能的影響。1實驗1.1工作原理將CoCl2·6H2O,FeSO4·7H2O及適量的表面活性劑溶于去離子水中,攪拌溶解,配制成不同濃度澄清透明鹽溶液;將適量的加入到水合聯氨中,調節混合溶液pH值為堿性;將CoCl2·6H2O和FeSO4·7H2O及表面活性劑的混合溶液逐滴加入到水合聯氨及的混合溶液中,在不同的溫度(50～90℃)下發生反應。反應過程中有氣體放出,溶液的顏色由藍逐漸變乳白色,后變灰,直至變黑。當溶液的顏色完全變黑后,反應完全,將溶液分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌至中性,將得到的黑色潮濕粉體放入真空干燥箱40℃干燥,待粉體干燥后取出。離子反應方程式:1.2顆粒形貌及尺寸觀察采用MSALXD2型X射線衍射分析儀(X-raydiffraction,XRD)對不同制備條件得到的Fe1-xCox合金粉末顆粒的物相結構進行測定及分析;采用PhilipsXL30型掃描電鏡對顆粒形貌和尺寸進行觀察;采用美國Lakeshore7410型振動樣品磁強計,在常溫下對樣品進行磁測量。2鐵對鐵亞-fe結構的影響Fe1-xCox合金粉末顆粒X射線物相分析結果如圖1所示。由圖可以看出,當鈷的摩爾分數x為0.1,0.3,0.5,0.7時,鐵鈷合金為單一的體心立方(bcc)結構,這是由于鈷原子溶于鐵的原子晶格中,形成α-Fe(Co)置換固溶體,此時合金整體所呈現的晶格結構與α-Fe相同,為bcc結構;當鈷的質量分數x為0.9時,鐵鈷合金為面心立方(fcc)和密堆六方(hcp)兩相共存結構。從圖中還可以看出,隨著鈷含量的增加,衍射峰位向高角度方向移動,這說明隨著鈷含量的增加,合金納米顆粒的晶格常數減小。3反應條件對金屬粉末顆粒形狀的影響3.1反應溫度對金屬粉末形狀的影響由圖2可看出,不同溫度下制備得到的合金粉末均為近似的圓球狀,且隨著反應溫度的升高,合金形核速度逐漸增加,生成顆粒的粒徑減小。3.2粒度大小由圖3可以看出,不同反應液初始濃度所生成的合金顆粒為近似球形,粒度相差不大。但當溶液初始濃度降低的時候,在同樣的反應條件下,形核的誘發期相應加長,反應速度變慢,在已形成Fe-Co合金的情況下,表面粗糙度增大。4反應條件對金屬粉末磁能的影響4.1鐵對合金顆粒的表面氧化和矯正特性Fe1-xCox(0.1≤x≤0.9)合金顆粒的比飽和磁化強度及矯頑力變化曲線如圖4所示。測量結果表明(圖4(a)),合金顆粒的σs隨鈷含量的增大先增大然后減小:鈷含量x為0.1時,σs為220.77A·m2·kg-1;隨鈷含量的增加,當x為35%時,σs達到最大值231.19A·m2·kg-1;當鈷含量繼續增大直至x為0.9,σs減小至157.37A·m2·kg-1,這與斯萊特-泡利曲線是一致的,也與鐵鈷合金塊體材料σs的變化曲線是一致的。但合金顆粒的比飽和磁化強度σs均低于相應的塊體值。鐵鈷合金粉末顆粒σs降低的主要原因是表面氧化層。將鐵鈷合金顆粒的結構看作由兩部分組成,顆粒的內部為鐵鈷合金,表面為氧化層,根據core-shell模型,對于一個表面覆蓋一層氧化層的鐵鈷合金顆粒,假設其氧化層的體積為V0,金屬核的體積為Vm,則實際所測得的飽和磁化強度為σs=σalloyρalloyValloy+σoxideρoxideVoxideρalloyValloy+ρoxideVoxide(1)σs=σalloyρalloyValloy+σoxideρoxideVoxideρalloyValloy+ρoxideVoxide(1)式中σalloy,σoxide分別為和合金和氧化物的比飽和磁化強度,ρalloy,ρoxide分別為合金和氧化物的密度,Valloy,Voxide分別為合金和氧化物的體積。鐵和鈷的二價金屬氧化物的σs為零,三價金屬氧化物的σs也遠遠低于合金的飽和磁化強度,因此鐵鈷合金顆粒的表面氧化導致了比飽和磁化強度的降低。Fe1-xCox(0.1≤x≤0.9)合金顆粒粉體的矯頑力隨成分的變化曲線如圖4(b)。從圖中可以看出,合金的矯頑力隨鈷含量的增加而增加。材料矯頑力的大小主要是由各種因素(如磁晶各向異性、摻雜、晶界等)對疇壁的不可逆位移和疇壁不可逆轉動的阻滯作用的大小來決定,阻滯越大,矯頑力就越大。材料總的矯頑力可以寫成HC=aKU1μ0Ms+bλsσμ0Ms+cMs(2)ΗC=aΚU1μ0Μs+bλsσμ0Μs+cΜs(2)式中右邊三項依次序分別是磁晶各向異性、應力各向異性和形狀各向異性的貢獻,a,b,c是和晶體結構顆粒取向分布有關的系數。文獻中列出了a,b,c相應值,由表1可以看出,隨鈷含量的增大,當鈷以置換的方式替代晶格點陣上的鐵時,整個合金顆粒的矯頑力是逐漸增大的。4.2制備溫度對制備線s的影響鐵鈷合金粉末的σs及矯頑力隨反應制備溫度的變化關系曲線如圖5。隨制備溫度的升高,σs先增大,在80℃時達到最高值231.19A·m2·kg-1,然后隨溫度的繼續升高而降低;矯頑力則隨溫度的升高逐漸增大。4.3moll-1由圖6可以看出,當溶液濃度由1.5mol·L-1減小至1.0和0.5mol·L-1時,出現了四氧化三鐵的峰值,此時由于氧化層的增厚,使得合金的比飽和磁化強度減小。矯頑力則由于表面粗糙度的增加而增大。5fcc與hcp的混合結構采用液相還原法,在不同條件下,成功制備出了Fe1-xCox超細鐵鈷合金粉末顆粒。1.XRD測試表明,鈷質量分數x為0.1～0.7時,生成的合金顆粒為單一的bcc結構,x為0.9時,生成的合金顆粒為fcc與hcp的混合結構。2.SEM結果表明,隨著還原溫度的升高,得到的合金粉末粒徑逐漸減小;還原液初始濃度對合金粉末的粒徑影響不大,但隨著溶液初始濃度的降低,得到的粉末顆粒的表面粗糙度增大。3.磁性能測量結果表明,合金粉末的σs隨鈷含量的變化趨勢與塊體材料是相同的,但由于表面氧化,粉末顆粒的σ