液相还原法制备fe-co合金粉末的微结构及形状

液相还原法制备fe-co合金粉末的微结构及形状

co-feli作为一种软磁材料，具有高饱和磁强、高主导磁强和最大磁强、磁速窄、高耐磁性和高潮湿等优点。当含量为35%时，其比饱和磁强为240akg-1。因此，它通常被用作高饱和磁强材料和高温软磁材料。尤其当Fe-Co合金粉末粒径减小至亚微米级(<1μm)甚至纳米级时,由于材料具有大的比表面积,在满足趋肤深度的条件下,与电磁波接触面积增大,可以有效地吸收电磁波,加之金属微粒具有良好的铁磁性,因此与电磁波相互作用增强,可更有效地衰减电磁波,如再配与高温性能良好的陶瓷材料作为基体,超细Fe-Co合金粉末颗粒有望成为频带宽、高衰减、耐高温的吸波材料。本文采用液相还原法,在水相中合成出了不同成分比例的Fe-Co合金粉末颗粒,采用XRD,SEM等对反应条件的影响进行了分析,系统研究了不同生成条件对颗粒形貌等微观结构及磁性能的影响。1实验1.1工作原理将CoCl2·6H2O,FeSO4·7H2O及适量的表面活性剂溶于去离子水中,搅拌溶解,配制成不同浓度澄清透明盐溶液;将适量的加入到水合联氨中,调节混合溶液pH值为碱性;将CoCl2·6H2O和FeSO4·7H2O及表面活性剂的混合溶液逐滴加入到水合联氨及的混合溶液中,在不同的温度(50～90℃)下发生反应。反应过程中有气体放出,溶液的颜色由蓝逐渐变乳白色,后变灰,直至变黑。当溶液的颜色完全变黑后,反应完全,将溶液分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤至中性,将得到的黑色潮湿粉体放入真空干燥箱40℃干燥,待粉体干燥后取出。离子反应方程式:1.2颗粒形貌及尺寸观察采用MSALXD2型X射线衍射分析仪(X-raydiffraction,XRD)对不同制备条件得到的Fe1-xCox合金粉末颗粒的物相结构进行测定及分析;采用PhilipsXL30型扫描电镜对颗粒形貌和尺寸进行观察;采用美国Lakeshore7410型振动样品磁强计,在常温下对样品进行磁测量。2铁对铁亚-fe结构的影响Fe1-xCox合金粉末颗粒X射线物相分析结果如图1所示。由图可以看出,当钴的摩尔分数x为0.1,0.3,0.5,0.7时,铁钴合金为单一的体心立方(bcc)结构,这是由于钴原子溶于铁的原子晶格中,形成α-Fe(Co)置换固溶体,此时合金整体所呈现的晶格结构与α-Fe相同,为bcc结构;当钴的质量分数x为0.9时,铁钴合金为面心立方(fcc)和密堆六方(hcp)两相共存结构。从图中还可以看出,随着钴含量的增加,衍射峰位向高角度方向移动,这说明随着钴含量的增加,合金纳米颗粒的晶格常数减小。3反应条件对金属粉末颗粒形状的影响3.1反应温度对金属粉末形状的影响由图2可看出,不同温度下制备得到的合金粉末均为近似的圆球状,且随着反应温度的升高,合金形核速度逐渐增加,生成颗粒的粒径减小。3.2粒度大小由图3可以看出,不同反应液初始浓度所生成的合金颗粒为近似球形,粒度相差不大。但当溶液初始浓度降低的时候,在同样的反应条件下,形核的诱发期相应加长,反应速度变慢,在已形成Fe-Co合金的情况下,表面粗糙度增大。4反应条件对金属粉末磁能的影响4.1铁对合金颗粒的表面氧化和矫正特性Fe1-xCox(0.1≤x≤0.9)合金颗粒的比饱和磁化强度及矫顽力变化曲线如图4所示。测量结果表明(图4(a)),合金颗粒的σs随钴含量的增大先增大然后减小:钴含量x为0.1时,σs为220.77A·m2·kg-1;随钴含量的增加,当x为35%时,σs达到最大值231.19A·m2·kg-1;当钴含量继续增大直至x为0.9,σs减小至157.37A·m2·kg-1,这与斯莱特-泡利曲线是一致的,也与铁钴合金块体材料σs的变化曲线是一致的。但合金颗粒的比饱和磁化强度σs均低于相应的块体值。铁钴合金粉末颗粒σs降低的主要原因是表面氧化层。将铁钴合金颗粒的结构看作由两部分组成,颗粒的内部为铁钴合金,表面为氧化层,根据core-shell模型,对于一个表面覆盖一层氧化层的铁钴合金颗粒,假设其氧化层的体积为V0,金属核的体积为Vm,则实际所测得的饱和磁化强度为σs=σalloyρalloyValloy+σoxideρoxideVoxideρalloyValloy+ρoxideVoxide(1)σs=σalloyρalloyValloy+σoxideρoxideVoxideρalloyValloy+ρoxideVoxide(1)式中σalloy,σoxide分别为和合金和氧化物的比饱和磁化强度,ρalloy,ρoxide分别为合金和氧化物的密度,Valloy,Voxide分别为合金和氧化物的体积。铁和钴的二价金属氧化物的σs为零,三价金属氧化物的σs也远远低于合金的饱和磁化强度,因此铁钴合金颗粒的表面氧化导致了比饱和磁化强度的降低。Fe1-xCox(0.1≤x≤0.9)合金颗粒粉体的矫顽力随成分的变化曲线如图4(b)。从图中可以看出,合金的矫顽力随钴含量的增加而增加。材料矫顽力的大小主要是由各种因素(如磁晶各向异性、掺杂、晶界等)对畴壁的不可逆位移和畴壁不可逆转动的阻滞作用的大小来决定,阻滞越大,矫顽力就越大。材料总的矫顽力可以写成HC=aKU1μ0Ms+bλsσμ0Ms+cMs(2)ΗC=aΚU1μ0Μs+bλsσμ0Μs+cΜs(2)式中右边三项依次序分别是磁晶各向异性、应力各向异性和形状各向异性的贡献,a,b,c是和晶体结构颗粒取向分布有关的系数。文献中列出了a,b,c相应值,由表1可以看出,随钴含量的增大,当钴以置换的方式替代晶格点阵上的铁时,整个合金颗粒的矫顽力是逐渐增大的。4.2制备温度对制备线s的影响铁钴合金粉末的σs及矫顽力随反应制备温度的变化关系曲线如图5。随制备温度的升高,σs先增大,在80℃时达到最高值231.19A·m2·kg-1,然后随温度的继续升高而降低;矫顽力则随温度的升高逐渐增大。4.3moll-1由图6可以看出,当溶液浓度由1.5mol·L-1减小至1.0和0.5mol·L-1时,出现了四氧化三铁的峰值,此时由于氧化层的增厚,使得合金的比饱和磁化强度减小。矫顽力则由于表面粗糙度的增加而增大。5fcc与hcp的混合结构采用液相还原法,在不同条件下,成功制备出了Fe1-xCox超细铁钴合金粉末颗粒。1.XRD测试表明,钴质量分数x为0.1～0.7时,生成的合金颗粒为单一的bcc结构,x为0.9时,生成的合金颗粒为fcc与hcp的混合结构。2.SEM结果表明,随着还原温度的升高,得到的合金粉末粒径逐渐减小;还原液初始浓度对合金粉末的粒径影响不大,但随着溶液初始浓度的降低,得到的粉末颗粒的表面粗糙度增大。3.磁性能测量结果表明,合金粉末的σs随钴含量的变化趋势与块体材料是相同的,但由于表面氧化,粉末颗粒的σ