Введение к работе
Актуальность темы
Актуальной задачей науки о материалах является поиск и изучение новых материалов с необычными и практически важными свойствами. Для изготовления изделий методами порошковой металлургии большое значение имеет выбор порошков-прекурсоров, поскольку от их свойств во многом зависят характеристики конечного продукта. Современные тенденции в развитии порошковой металлургии связаны с получением материалов на основе частиц сплавов и композиционных материалов, поскольку они позволяют существенно расширить диапазон прикладных свойств изделий. В этой связи важным является синтез и исследование новых порошков сплавов и композиционных порошков. Развитие методов синтеза и исследования материалов, полученных в форме порошков, также является необходимым условием прогресса в порошковой металлургии.
Объектом повышенного интереса в порошковой металлургии являются высокодисперсные порошки (порошки с размерами частиц от 0,01 до 3 мкм). Например, высокодисперсные порошки оксида алюминия показали свою эффективность при модификации и упрочнении твердосплавных композитов [1]. Высокодисперсные порошки Со-Р являются интересным объектом с точки зрения функциональных магнитных характеристик - высокой температуры Кюри, высоких намагниченности насыщения и коэрцитивной силы. Структура таких порошков, полученных методом химического осаждения, представляет собой неравновесные твердые растворы фосфора в ГЦК, ГПУ и аморфном кобальте. Изменение содержания фосфора, а, следовательно, и соотношения фаз, в частице позволяет проводить «тонкую настройку» такого параметра материала как константа обменного взаимодействия. В характеризации порошков высокодисперсных, в том числе ультрадисперсных, магнитных частиц важную роль играет магнитный фазовый анализ. В случае порошков неравновесных сплавов традиционный магнитный фазовый анализ не применим, так как необратимые превращения начинаются при температурах значительно меньших температуры Кюри. Здесь является актуальной разработка новых модификаций метода магнитного фазового анализа, позволяющих преодолеть указанную трудность.
Композиционные порошки Со-Р/Си, полученные методом химического осаждения, продемонстрировали ряд необычных характеристик, явились перспективным решением проблемы ускорения механохимического синтеза неравновесных твердых растворов СоСи [2]. Получение методом химического осаждения композиционных частиц, сочетающих магнитный металл с немагнитным компонентом, и исследование свойств этих частиц представляется новой и интересной задачей.
Наночастицы металлов и сплавов в последнее время весьма привлекают исследователей как в связи с новыми свойствами этих объектов, так и в связи с вызовами сегодняшнего дня, обусловленными взрывообразным развитием нанотехнологий. Изучение и использование наночастиц Зё-металлов осложнено тем, что в обычных атмосферных условиях наночастицы или окисляются полностью, или покрыты окисной пленкой, сопоставимой по толщине с размером самой частицы.
Решением проблемы окисления поверхности наночастиц является их получение внутри углеродных нанотрубок. Такие композиционные порошки Зё-металл -углеродная нанотрубка являются новым материалом, требующим тщательного изучения особенностей структуры и физических свойств.
Цель работы:
Получение и исследование новых наноструктурированных композиционных порошков с частицами магнитный Зё-металл (Со-Р) - немагнитный диэлектрик (корунд, наноалмазы), характеризация полученных частиц, характеризация частиц Fe-Ni в углеродных нанотрубках, а также развитие новой модификации метода магнитофазового анализа для данных частиц.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Получить методом химического осаждения композиционные порошки: ультрадисперсный алмаз/Со-Р, ультрадисперсный корунд/Со-Р - с различным содержанием немагнитной фазы.
-
Исследовать структурные и магнитные характеристики порошков Со-Р и композиционных порошков: ультрадисперсный алмаз/Со-Р, ультрадисперсный корунд/Со-Р. Экспериментально исследовать кривые намагничивания и температурные зависимости намагниченности насыщения исследуемых порошков с целью определения магнитных характеристик исследуемых материалов: константы Блоха, поля локальной магнитной анизотропии, - которые позволяют в дальнейшем рассчитать фундаментальные магнитные характеристики: константу обменного взаимодействия и константу локальной магнитной анизотропии.
-
Исследовать структурные и магнитные характеристики наночастиц железоникелевых сплавов в углеродных нанотрубках. Экспериментально исследовать кривые намагничивания и температурные зависимости намагниченностей насыщения исследуемых порошков с целью определения поля локальной магнитной анизотропии, константы Блоха.
-
Разработать новую модификацию метода магнитофазового анализа высоко дисперсных порошков. Опробовать данный метод для характеризации фазового состава высокодисперсных порошков Со-Р.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались современные сертифицированные методы исследований и оборудование. Исследование магнитных свойств образцов проводилось при использовании измерительной системы PPMS-9 и вибрационного магнетометра, структура материалов изучалась с помощью дифрактометра ДРОН-3, морфология образцов исследовалась на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO 60 и просвечивающем электронном микроскопе JEOL 100С.
Положения, выносимые на защиту
1 Способ получения композиционных порошков методом химического
осаждения в водных растворах.
2 Результаты экспериментальных исследований кривых намагничивания и
температурных зависимостей намагниченности насыщения исследуемых порошков
с целью определения магнитных характеристик исследуемых материалов.
З Новая модификация метода магнитофазового анализа высокодисперсных порошков. Результаты количественной оценки фазового состава порошков Со-Р с размерами частиц от 0,1 до 3 мкм в области концентраций фосфора от 0 до 18 ат. % с помощью магнитофазового анализа.
Достоверность научных результатов
Представленные в работе экспериментальные исследования были проведены с использованием современных и апробированных методик на высокоточных приборах и установках. Результаты, представленные в диссертации, не противоречат экспериментальным и теоретическим данным других исследователей, опубликованным в открытой печати.
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:
1 Разработана технология получения композиционных порошков:
ультрадисперсный алмаз/Со-Р, ультрадисперсный корунд/Со-Р - методом
химического осаждения. Впервые получены высоко дисперсные композиционные
порошки: ультрадисперсный алмаз/Со-Р, ультрадисперсный корунд/Со-Р.
Исследованы магнитные свойства композитов с различным содержанием
немагнитной фазы.
2 Экспериментально исследована величина коэрцитивной силы и поля
локальной магнитной анизотропии наночастиц железоникелевых сплавов в
углеродных нанотрубках. Обнаружено, что величины коэрцитивной силы и
среднеквадратической флуктуации поля локальной магнитной анизотропии
значительно превышают аналогичные величины для объемных железоникелевых
сплавов. Предложено объяснение высоких гистерезисных свойств и магнитной
анизотропии частиц на основе химического размерного эффекта. В частицах с
составом, близким к инварному, наблюдается необычный рост коэрцитивной силы и
поля локальной магнитной анизотропии с ростом температуры.
3 Предложена новая модификация метода фазового анализа гетерофазных
веществ на основе магнитофазового анализа. С его помощью проведена оценка
фазового состава высокодисперсных порошков Со-Р с размерами частиц от 0,1 до
3 мкм в области концентраций фосфора от 0 до 18 ат.%.
Личный вклад автора
Непосредственно автором в представленной работе получены образцы для исследований: ультрадисперсный алмаз/Со-Р, ультрадисперсный корунд/Со-Р; выполнена их паспортизация. При участии автора в лаборатории физики магнитных пленок Института физики СО РАН проведены магнитные измерения на вибрационном магнитометре, проведен анализ всех полученных данных, а также данных, полученных на установке PPMS-9 в Красноярском региональном центре коллективного пользования Красноярского научного центра СО РАН. Непосредственно автором выполнены все теоретические расчеты. Задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научными руководителями. Обсуждение и интерпретация полного набора экспериментальных данных проводились совместно с научными руководителями и соавторами публикаций.
Научно-практическая значимость работы
Использованный в работе метод количественной оценки фазового состава многофазного ферромагнитного сплава, основанный на измерениях зависимостей намагниченности от температуры и внешнего поля, имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционным магнитофазовым анализом. Во-первых, оценка фазового состава проводится в условиях низких температур, что делает метод пригодным для характеризации неравновесных сплавов. Во-вторых, при использовании данного метода необязательно знать объем либо массу ферромагнитного материала, что делает метод полезным при характеризации композитов, где определение массы либо объема магнитной компоненты может быть затруднительным.
Экспериментальные данные относительно фазовых диаграмм и магнитных характеристик могут быть рекомендованы для использования в качестве справочных данных.
Диссертация соответствует специальностям 05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы (области исследований «Изучение закономерностей физико-механических, физико-химических процессов получения дисперсных систем в виде частиц и волокон (в том числе и наноразмерных) из материалов на основе металлов, сплавов, интерметаллидов, керамики, углеродных, органических и других соединений»), 01.04.07 - физика конденсированного состояния (области исследований «Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами»).
Апробация работы и публикации
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» 28 июня - 4 июля 2009 г., Москва; Всероссийская Байкальская конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам. 16 - 22 августа 2009 г.; Научно-техническая конференция с международным участием Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. V Ставеровские чтения: 15-16 октября 2009 г., Красноярск; IV Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism»: Nanospintronics. EASTMAG - 2010, June 28 - July 2, 2010, Ekaterinburg; V Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» 21 - 25 сентября 2010 г., Иркутск.; IV Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО - 2011», 01-04 марта 2011 г., Москва; Joint International Conference «Advanced Carbon Nanostructures» ACN'2011, Russia, July 4-8, 2011., St Petersburg; Moscow International Symposium on Magnetism, 21-24 августа 2011 г., Москва; XXII Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» 17-21 сентября 2012 г., Астрахань; V Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» 21 - 25 сентября 2012 г., Иркутск.
По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах: Solid State Phenomena (2012), Материаловедение (2012), Физика металлов и металловедение (2013).
В рамках диссертационной работы были выполнены следующие проекты:
-
«Синтез методом химического осаждения и исследование магнитных свойств наноструктурированных композитных порошков металл-металл и металл-диэлектрик» проект РФФИ 11-03-00471-а.
-
«Развитие современных методов получения и исследования наноструктурированных материалов с различными морфологическими модификациями» проекты № 2.1.1/2584 и 2.1.1/11470 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».
-
«Комплексное исследование структурных и магнитных свойств ансамблей магнитных наночастиц, синтезированных различными технологическими приемами». Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук».
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включает 111 страниц текста, 36 рисунков, 4 таблицы. Библиографический список содержит 120 наименований.
