Структура и свойства постоянных магнитов на основе SrFe2o19

Гексаферриты М-типа представляют собой твёрдые оксидные соединения с общей формулой MFe12О19 (М = Ва2+ , Sr2+ , Pb2+) и изоморфны минералу магнетоплюмбиту, примерный состав которого описывается формулой Pb2Fe15Mn7AlTiO38. Кристаллическая структура гексагональна и может быть представлена комбинацией двух типов блоков: шпинельных блоков S (с осью, направленной вдоль оси с кристаллической решётки) и гексагональных блоков R. Блок S состоит из двух слоев атомов кислорода, содержащих 8 ионов кислорода и 6 ионов железа. Блок R состоит из трёх кислородных слоев и содержит 11 ионов кислорода, 6 ионов железа и один ион М2+ . Блоки чередуются в структуре по типу SRS*R* где S* и R* блоки повернуты на 180° относительно предыдущих (рис.2).

Рис. 2. Элементарная ячейка Рис. 3. Координационные полиэдры Fe3+ в гексаферрита M-типа. структуре гексаферрита М-типа

Иначе кристаллическую решётку можно представить следующим образом. Ионы кислорода образуют гексагональную плотную упаковку, и последовательность слоев перпендикулярно направлению [001] выглядит как АВАВ... или АСАС.... В каждом пятом слое один из ионов О2- заменён на М2+ , что возможно вследствие близости ионных радиусов. Ионы железа занимают полости в кладке ионов кислорода. Ион железа Fe3+ находится в трех позициях: октаэдрической (FeO6), тетраэдрической (FeO4) и гексаэдрической (FeO5, отсутствует в шпинельных структурах). Рис. 2.

Элементарная ячейка Рис. 3. Координационные полиэдры Fe3+ в гексаферрита M-типа. структуре гексаферрита М-типа. Элементарная ячейка содержит две формульные единицы MFe12О19. Параметры решётки SrFe12O19 имеют значения около а = 5.8 и с = 23.03

Магнитная структура

Ионы железа в структуре гексаферрита расположены в пяти различных кристаллографических позициях: двух октаэдрических, двух тетраэдрических и одной тригонально-бипирамидальной (рис. 3). Взаимодействие между ионами железа может быть как ферромагнитным, так и антиферромагнитным. В блоках S магнитные моменты ионов железа упорядочены так же, как и в шпинели, т. е. спины четырёх ионов в октаэдрических позициях антипараллельны спинам двух ионов в тетраэдрических позициях. Гексаферриты М-типа имеют ферримагнитную структуру с пятью подрешетками атомов железа.

Магнитный гистерезис

Зависимость намагниченности образцов ферро- и ферримагнитных материалов от внешнего магнитного поля имеет нелинейный характер и называется магнитным гистерезисом (рис. 4). Нелинейность обусловлена необратимыми процессами, протекающими при намагничивании – смещением доменных частиц и ростом одних доменов за счет других.

Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная намагниченность (MR), коэрцитивная сила (HC), намагниченность насыщения (MS), максимальная плотность магнитной энергии (BH)max .

Рис. 4. Типичная петля гистерезиса.

Намагниченность насыщения для гексаферрита стронция при 300 К составляет 74,3 , а значение константы магнитной анизотропии (при комнатной температуре) равно . Значение температуры Кюри для монокристалла – 740 К На рисунке 5 приведены температурные зависимости намагниченности насыщения и константы магнитной анизотропии, измеренные на монокристаллах и .

S.Y. An и соавторы в работе приводят несколько отличающиеся значения намагниченности насыщения и температуры Кюри для частиц гексаферритов стронция и бария со средним размером 80-85 нм, полученных золь-гель методом. M_s для гексаферритов стронция и бария (при комнатной температуре) составляет 60,5 и 61,6 , Т_с - 790 и 775 К соответственно. Важной характеристикой магнитожестких материалов является коэрцитивная сила, ее значение не является постоянным для соединения и, в частности, для дисперсных систем зависит от размеров и формы кристаллов.

Принципиальная зависимость силы от размера кристаллита приведена на рисунке

В случае когда размер частицы не превышает размер одного домена, процессы перемагничивания осуществляются за счет движения доменных стенок. Частицы характеризуются низкими значениями коэрцитивной силы.

Максимальная коэрцитивная сила достигается для однодоменных частиц. В частности, для гексаферрита стронция критический размер однодоменности составляет 0.5-0.7 мкм. Формирование доменных стенок для однодоменных частиц энергетически не выгодно, и процесс перемагничивания осуществляется за счет поворота вектора намагниченности, направленного вдоль оси легкого намагничивания (ось с), через ось трудного намагничивания.

Частицы, объем которых меньше критического объема, составляющего для гексаферрита стронция , проявляют суперпарамагнитные свойства. Это связано с тем, что частицы становятся такими маленькими, что их энергия теплового колебания становится больше энергии магнитной анизотропии, и намагниченность перестает быть связанной с определенным кристаллографическим направлением. Частица начинает вести себя как гигантский парамагнитный ион, и гистерезис не наблюдается.

В общем виде значение коэрцитивной силы однодоменной частицы с учетом ее формы можно оценить по формуле:

(1)

где — константа магнитокристаллической анизотропии, - намагниченность насыщения, N|| и Ni - размагничивающие факторы параллельно и перпендикулярно оси легкого намагничивания. Для тонкой пластины, сферы и палочки разница составляет соответственно . Подставляя в формулу значения константы магнитной анизоторопии и намагниченности насыщения для , находим, что максимально возможное значение коэрцитивной силы для тонкой пластинки составляет 6700 Э, для сферы - 9000 Э, а для длинного цилиндра - 10100 Э. То есть, частицы с большим отношением толщины к размеру в плоскости должны обладать большей коэрцитивной силой.