Структура и свойства Li феррита, синтезированного из порошков Fe2O3–Li2CO3–Sm2O3
https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-1-63-74
EDN: XZSYPF
Аннотация
Цели. Исследование структуры и свойств литиевых ферритов, полученных путем предварительного твердофазного синтеза образцов на основе порошковых смесей Fe2O3-Li2CO3-Sm2O3 с различной концентрацией оксида самария (0, 4.7, 14.7 мас. %) при 900°С и последующего их высокотемпературного спекания при 1150°С.
Методы. Структурные и морфологические характеристики синтезированных и спеченных образцов исследованы методами рентгенофазового и термогравиметрического анализов, дифференциально-сканирующей калориметрии и сканирующей электронной микроскопии.
Результаты. В результате предварительного синтеза происходит образование двухфазной композиционной структуры, содержащей незамещенный литиевый феррит Li0.5Fe2.5O4 со структурой шпинели и перовскитоподобную фазу SmFeO3. Увеличение содержания Sm2О3 с 4.7 до 14.7 мас. % в исходной смеси Fe2O3-Li2CO3-Sm2O3 приводит к увеличению во время синтеза количества вторичной фазы SmFeO3 с 4.9 до 18.2 мас. % в образцах. Высокие значения температуры Кюри, равные 631–632°С, а также полученные значения энтальпии фазовых переходов a→b в литиевом феррите свидетельствуют об основном образовании упорядоченной a-фазы Li0.5Fe2.5O4 во всех синтезированных образцах. Последующее спекание при повышенной температуре приводит к уменьшению содержания фазы SmFeO3 и увеличению фазы литиевого феррита. При этом образец, не модифицированный самарием, содержит значительное количество разупорядоченной b-фазы Li0.5Fe2.5O4, что было подтверждено заниженными значениями температуры Кюри и энтальпии фазового перехода. Плотность такого образца 4.4 г/см3. Введение ионов самария приводит к сохранению во время спекания упорядоченной a-фазы Li0.5Fe2.5O4. При этом плотность спеченных образцов уменьшилась до 4.3 и 4.1 г/см3 с увеличением концентрации вводимого на этапе синтеза оксида самария соответственно до 4.7 и 14.7 мас. %.
Выводы. Введение малых концентраций оксида самария (до 4.7 мас. %) при синтезе феррита приводит к формированию во время спекания двухфазной композиционной структуры, характеризующейся основным содержанием незамещенной литиевой ферритовой фазы с более правильными многогранными зернами и небольшим содержанием вторичной перовскитоподобной фазы. Формирование вторичной фазы, которая имеет отличные от феррита свойства, а также полученные характеристики для таких образцов, включающие незначительное уменьшение их плотности с сохранением высокого значения температуры Кюри, соответствующей основной магнитной фазе, делают ферриты, модифицированные низкими концентрациями редкоземельных элементов, перспективными для дальнейшего изучения их электромагнитных свойств в сверхвысокочастотном диапазоне.
Ключевые слова
При поддержке: Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (проект FSWW-2023-0011).
Об авторах
Е. Н. Лысенко
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия
Конфликт интересов:
Россия
Лысенко Елена Николаевна, д.т.н., профессор, заведующая лабораторией, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов
Scopus Author ID 25027787100, ResearcherID K-1582-2013
634050, г. Томск, пр-т Ленина, д. 30
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
В. А. Власов
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия
Конфликт интересов:
Россия
Власов Виталий Анатольевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов
Scopus Author ID 7202194125, ResearcherID K-1257-2013
634050, г. Томск, пр-т Ленина, д. 30
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Ю. С. Елькина
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия
Конфликт интересов:
Россия
Елькина Юлия Сергеевна, аспирант, инженер, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов
Scopus Author ID 58892380200, ResearcherID HHS-0003-2022
634050, г. Томск, пр-т Ленина, д. 30
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
А. П. Суржиков
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия
Конфликт интересов:
Россия
Суржиков Анатолий Петрович, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой – руководитель отделения на правах кафедры, Отделение контроля и диагностики, Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности
Scopus Author ID 6603494148, ResearcherID K-1224-2013
634050, г. Томск, пр-т Ленина, д. 30
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Trukhanov A.V., Tishkevich D.I., Timofeev A.V., et al. Structural and electrodynamic characteristics of the spinel-based composite system. Ceram. Int. 2024;50(12):21311–21317. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.03.241
2. Костишин В.Г., Вергазов Р.М., Меньшова С.Б., Исаев И.М. Перспективы применения ферритов с высокими значениями магнитной и диэлектрической проницаемостей в качестве радиопоглощающих материалов. Russ. Technol. J. 2020;8(6):87–108. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-6-87-108
3. Kostishin V.G., Isaev I.M., Salogub D.V. Radio-Absorbing Magnetic Polymer Composites Based on Spinel Ferrites: A Review. Polymers. 2024;16(7):1003. https://doi.org/10.3390/polym16071003
4. Шерстюк Д.П., Стариков А.Ю., Живулин В.Е., Жеребцов Д.А., Михайлов Г.Г., Винник Д.А. Изучение влияния замещения кобальтом на структуру никель-цинкового феррита. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2020;20(2):51–56. https://doi.org/10.14529/met200205
5. Никишина Е.Е. Гетерофазный синтез феррита кобальта. Тонкие химические технологии. 2021;16(6):502–511. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-6-502-511
6. Гаврилова М.А., Гаврилова Д.А., Кондрашкова И.С., Красилин А.А. Формирование нанокристаллов Zn0.5Ni0.5Fe2O4 в условиях растворного горения: влияние типа “топлива” на структуру и морфологию. Физика и химия стекла. 2023;49(4):459–470. https://doi.org/10.31857/S013266512260090X
7. Ahmad M., Shahid M., Alanazi Y.M., ur Rehman A., Asif M., Dunnill C.W. Lithium ferrite (Li0.5Fe2.5O4): synthesis, structural, morphological and magnetic evaluation for storage devices. J. Mater. Res. Technol. 2022;18:3386–3395. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.113
8. Askarzadeh N., Shokrollahi H. A review on synthesis, characterization and properties of lithium ferrites. Results in Chemistry. 2024;10:101679. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2024.101679
9. Nikolaeva S.A., Lysenko E.N., Nikolaev E.V., Vlasov V.A., Surzhikov A.P. Microstructure and electromagnetic properties of Li0.65Fe1.6Ti0.5Zn0.2Mn0.05O4–Bi2O3–ZrO2 composite ceramics. J. Alloy. Compd. 2023;941:169025. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169025
10. Lysenko E., Nikolaev E., Vlasov V., Surzhikov A. Microstructure and reactivity of Fe2O3-Li2CO3-ZnO ferrite system ball-milled in a planetary mill. Thermochim. Acta. 2018; 664:100–107. https://doi.org/10.1016/j.tca.2018.04.015
11. Мартинсон К.Д., Иванов А.А., Пантелеев И.Б., Попков В.И. Предкерамические наноструктурированные порошки LiZnMn-феррита: получение, структура и электромагнитные свойства. Стекло и керамика. 2020;6:16–23.
12. Исаев И.М., Костишин В.Г., Коровушкин В.В., Шипко М.Н., Тимофеев А.В., Миронович А.Ю., Салогуб Д.В., Шакирзянов Р.И. Кристаллохимия и магнитные свойства поликристаллических ферритов-шпинелей Li0.33Fe2.29Zn0.21Mn0.17O4. Журн. неорган. химии. 2021;66(12): 1792–1800. https://doi.org/10.31857/S0044457X21120059
13. Mahmoudi M., Kavanlouei M., Maleki-Ghaleh H. Effect of composition on structural and magnetic properties of nanocrystalline ferrite Li0.5SmxFe2.5–xO4. Powd. Metal. Metal. Ceram. 2015;54: 31–39. https://doi.org/10.1007/s11106-015-9676-9
14. Slimani Y., Almessiere M.A., Güner S., Kurtan U., Shirsath S.E., Bayka A., Ercan I. Magnetic and microstructural features of Dy3+ substituted NiFe2O4 nanoparticles derived by sol–gel approach. J. Sol-Gel Sci. Techn. 2020;95:202–210. https://doi.org/10.1007/s10971-020-05292-1
15. Jacob B.P., Thankachan S., Xavier S., Mohammed E.M. Effect of Tb3+ substitution on structural, electrical and magnetic properties of sol–gel synthesized nanocrystalline nickel ferrite. J. Alloys Compd. 2013;578:314–319. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.04.147
16. Heiba Z.K., Mohamed M.B., Arda L., Dogan N. Cation distribution correlated with magnetic properties of nanocrystalline gadolinium substituted nickel ferrite. Magn. Magn. Mater. 2015;391:195–202. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.05.003
17. Ahmad S.I., Ansari S.A., Kumar D.R. Structural, morphological, magnetic properties and cation distribution of Ce and Sm co-substituted nano crystalline cobalt ferrite. Mater. Chem. Phys. 2018;208:248–257. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.01.050
18. Nikumbh A.K., Pawar R.A., Nighot D.V., Gugale G.S., Sangale M.D., Khanvilkar M.B., Nagawade A.V. Structural, electrical, magnetic and dielectric properties of rareearth substituted cobalt ferrites nanoparticles synthesized by the co-precipitation method. Magn. Magn. Mater. 2014;355: 201–209. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.11.052
19. Ahmad I., Abbas T., Ziya A.B., Maqsood A. Structural and magnetic properties of erbium doped nanocrystalline Li–Ni ferrites. Ceram. Int. 2014;40(6):7941–7945. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.12.142
20. Junaid M., Khan M.A., Iqbal F., Murtaza G., Akhtar M.N., Ahmad M., Shakir I., Warsi M.F. Structural, spectral, dielectric and magnetic properties of Tb–Dy doped Li-Ni nano-ferrites synthesized via microemulsion route. Magn. Magn. Mater. 2016;419:338–344. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.06.043
21. Al-Hilli M.F., Li S., Kassim K.S. Structural analysis, magnetic and electrical properties of samarium substituted lithium–nickel mixed ferrites. Magn. Magn. Mater. 2012;324(5):873–879. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2011.10.005
22. Li D.-Y., Sun Y.-K., Xu Y., Ge H.-L., Wu Q., Yan C. Effects of Dy3+ substitution on the structural and magnetic properties of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 nanoparticles prepared by a sol-gel self-combustion method. Ceram. Int. 2015;41(3B):4581–4589. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.11.156
23. Zhao L., Yang H., Yu L., Cui Y., Feng S. Effects of Gd2O3 on structure and magnetic properties of Ni–Mn ferrite. J. Mater. Sci. 2006;41:3083–3087. https://doi.org/10.1007/s10853-005-1545-3
24. Almessiere M.A., Slimani Y., Guner S., Nawaz M., Baykal A., Aldakheel F., Sadaqat A., Ercan I. Effect of Nb substitution on magneto-optical properties of Co0.5Mn0.5Fe2O4 nanoparticles. J. Mol. Struct. 2019;1195:269–279. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2019.05.075
25. Lin Q., Yuan G., He Y., Wang L., Dong J., Yu Y. The Influence of La-substituted Cu0.5Co0.5Fe2O4 nanoparticles on its structural and magnetic properties. Mater. Des. 2015;78: 80–84. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.04.029
26. Lysenko E.N., Vlasov V.A., Nikolaeva S.A., Nikolaev E.V. TG, DSC, XRD, and SEM studies of the substituted lithium ferrite formation from milled Sm2O3/Fe2O3/Li2CO3 precursors. J. Therm. Anal. Calorim. 2023;148:1445–1453. https://doi.org/10.1007/s10973-022-11665-1
27. Ridley D.H., Lessoff H., Childress J.D. Effect of lithium and oxygen losses on magnetic and crystallographic properties of spinel lithium ferrite. J. Am. Ceram. Soc. 1970;53(6):304–311. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1970.tb12113.x
28. Surzhikov A.P., Frangulyan T.S., Ghyngazov S.A., Lysenko E.N. Investigation of structural states and oxidation processes in Li0.5Fe2.5O4−δ using TG analysis. J. Therm. Anal. Calorim. 2012;108:1207–1212. https://doi.org/10.1007/s10973-011-1734-z
29. Lysenko E.N., Malyshev A.V., Vlasov V.A., Nikolaev E.V., Surzhikov A.P. Microstructure and thermal analysis of lithium ferrite pre-milled in a high-energy ball mill. J. Therm. Anal. Calorim. 2018;134:127–133. https://doi.org/10.1007/s10973018-7549-4.
30. Berbenni V., Marini A., Capsoni D. Solid state reaction study of the system Li2CO3/Fe2O3. Z. Naturforschung – Sect. J. Phys. Sci. 1998;53:997–1003. https://doi.org/10.1515/zna-1998-1212
31. An S.Y., Shim I.B., Kim C.S. Synthesis and magnetic properties of LiFe5O8 powders by a sol–gel process. Magn. Magn Mater. 2005;290–291:1551–1554. https://doi:10.1016/j.jmmm.2004.11.244
32. Mazen S.A., Abu-Elsaad N.I. Characterization and magnetic investigations of germanium-doped lithium ferrite. Ceram. Int. 2014;40:11229–11237. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.03.167
33. Ahniyaz A., Fujiwara T., Song S.-W., Yoshimura M. Low temperature preparation of β-LiFe5O8 fine particles by hydrothermal ball milling. J. Solid State Ion. 2002;151: 419–423. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00548-9
Дополнительные файлы
|
|
1. Кристаллическая решетка SmFeO3 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Посмотреть
(78KB)
|
Метаданные ▾ | |
- Получены литиевые ферриты путем предварительного синтеза при 900°С образцов на основе порошковых смесей Sm2O3–Fe2O3–Li2CO3 и последующего их высокотемпературного спекания при 1150°С керамическим методом с добавлением оксида самария различной концентрации.
- В процессе синтеза и спекания замещенные ферриты лития не образовывались, но были получены композиты, состоящие из чистого литиевого феррита Li5Fe2.5O4 (α и β модификаций) и перовскитовой фазы SmFeO3, что было подтверждено методами рентгенофазового и термогравиметрического анализов и дифференциально-сканирующей калориметрией.
- Полученные данные позволят использовать литиевые ферриты в исследованиях их электромагнитных свойств в СВЧ-диапазоне.
Рецензия
Для цитирования:
Лысенко Е.Н., Власов В.А., Елькина Ю.С., Суржиков А.П. Структура и свойства Li феррита, синтезированного из порошков Fe2O3–Li2CO3–Sm2O3. Тонкие химические технологии. 2025;20(1):63-74. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-1-63-74. EDN: XZSYPF
For citation:
Lysenko E.N., Vlasov V.A., Elkina Yu.S., Surzhikov A.P. Structure and properties of Li ferrite synthesized from Fe2O3–Li2CO3–Sm2O3 powders. Fine Chemical Technologies. 2025;20(1):63-74. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-1-63-74. EDN: XZSYPF
Просмотров:
662
Послать статью по эл. почте 
