Синтез, структура и магнитные свойства кобальт-цинкового наноферрита для магнитореологических жидкостей
Authors: Haiduk Yulyan S. , Korobko Evguenia V. , Sheutsova Kristsina A. , Kotsikau Dzmitry A. , Svito Ivan A. , Usenka Alexandra E. , Ivashenka Dzimitry U. , Fahmi Amir , Pankov Vladimir V. 
Published: March 2020

Перспективным направлением применения микро- и наноразмерных магнитных частиц является создание магнитореологических жидкостей (МРЖ) для систем управляемых устройств гидроавтоматики, в которых такие частицы являются компонентом комплексной дисперсной фазы. Наибольшее значение при поиске магнитных материалов для МРЖ имеет высокое значение напряжения сдвига в суспензиях на основе магнитных частиц при приложении магнитногополя, а также низкие значения коэрцитивной силы. Целью работы являлось изучение структуры, морфологии, магнитных свойств нанопорошков твердого раствора Co,Zn-ферритов и оценка их эффективности в магнитных полях по реологическим свойствам МРЖ, изготовленным с их использованием.Методом распылительной сушки с последующим обжигом в инертной матрице синтезирован порошкообразный кобальт-цинковый наноферрит. С использованием методов магнитного анализа, рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии исследованы его структурные и микроструктурные особенности, магнитные свойства.Порошокообразный наноферрит Co0.65Zn0.35Fe2O4, применяющийся в качестве наполнителя комплексной дисперсной фазы магнитореологических жидкостей, имеет следующие значения коэрцитивной силы Hc (10 K) = 10.8 kOe, Hc (300 K) = 0.4 kOe, а также приведенной остаточной намагниченности Mr/Ms (10 K) = 0.75, Mr/Ms(300 K) = 0.24.Предложенная методика синтеза позволяет получать закристаллизованные частицы ферритов с размерами, не превышающими 50 нм, обладающими при этом высоким напряжением сдвига в магнитореологических суспензиях.Разработанметод управления магнитным и свойства микобальт- цинкового ферритака ккомпонентамагнитореологических суспензий путем замещения ионов кобальта в структуре Co,Zn-шпинели немагнитным двухвалентным катионом в данном случае цинком. Установлено, что возможно уменьшать коэрцитивную силу и увеличивать намагниченность вплоть до состава максимальным содержанием кобальта, соответствующего Co0,65Zn0,35Fe2O4. Высокое значение напряжения сдвига (1 кПа) при сравнительно невысокой индукции магнитного поля (от 600 мТл и выше) позволяют считать полученный материал перспективным для использования в качестве дополнительного функционального наполнителя для магнитореологических суспензийдемпферных устройств.

ЛИТЕРАТУРА

Коробко Е. В., Паньков В. В., Котиков Д. А., Новикова З. А., Новик Е. С., Нанодисперсные наполнители на основе оксида железа для комплексной дисперсной фазы магнитоправляемых гидравлических жидкостей. Наноструктуры в конденсированных средах: Сборник научных статей. 20–23 августа 2018, Минск. Минск: Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси; 2018. c. 156–161.
Dragašius E., Korobko E., Novikava Z., Sermyazhko E. Magnetosensitive Polymer composites and effect of magnetic fi eld directivity on their properties. Solid State Phenomena. 2016;251: 3–7. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/SSP.251.3
Joseph A., Mathew S. Ferrofluids: synthetic srategies, stabilization, physicochemical features, characterization, and applications. ChemPlusChem. 2014;79(10): 1382−1420. DOI: https://doi.org/10.1002/cplu.201402202
Genc S., Derin B. Synthesis and rheology of ferrofl uids: a review. Current Opinion in Chemical Enginiring. 2014;3(2): 118−124. DOI: https://doi.org/10.1016/j.coche.2013.12.006
Vekas L., Avdeev M. V., Bica D. Magnetic nanofl uids: synthesis and structure. In: Donglu Shi (ed.) Nanoscience in biomedicine. Springer Berlin Heidelberg; 2009. 729 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-49661-8
Фролов Г. И., Бачина О. И., Завьялова М. М., Равочкин С. И., Магнитные свойства наночастиц 3d-металлов. Журнал технической физики. 2008;78(8): 101–106. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/9485
Baraton M. I. Synthesis, functionalization, and surface treatment of nanoparticles, LA: Am. Sci. Publ.; 2002. 236 p.
Martínez B., Obradors X., Balcells L., Rouanet A., Monty C. Effect of aluminium doping on structural and magnetic properties of Ni–Zn ferrite nanoparticles. Physical Review Letters. 1998;80(1): 181–184. DOI: https://doi.org/10.4236/wjnse.2015.53009
Миттова И. Я., Сладкопевцев Б. В., Миттова В. О., Nguyen Anh Tien, Копейченко Е. И., Хороших Н. В., Варначкина И. А., Формирование пленок системы (Y2O3–Fe2O3) наноразмерного диапазона толщины на монокристаллическом InP. Конденсированные среды и межфазные границы. 2019;21(3): 406–418. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/1156
Mayekar J., Dhar V., Radha S. Synthesis, characterization and magnetic study of zinc ferrite nanoparticles. International Journal of Innovative Re-search in Science, Engineering and Technology. 2016;5(5): 8367–8371. DOI: https://doi.org/10.15680/IJIRSET.2016.0505268
Jansi Rani B., Ravina M., Saravanakumar B., Ravi G., Ganesh V., Ravichandran S., Yuvakkumar R. Ferrimagnetism in cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles. Nano-Structures & Nano-Objects. 2018;14: 84–91. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2018.01.012
Manouchehri S., Ghasemian Z., Shahbazi-Gahrouei D., Abdolah M. Synthesis and characterization of cobalt-zinc ferrite nanoparticles coated with DMSA. Chem Xpress. 2013;2(3): 147–152.
Singhal S., Namgyal T., Bansal S., Chandra K. Effect of Zn Substitution on the magnetic properties of cobalt ferrite nano particles prepared via sol-gel route. Journal of Electromagnetic Analysis and Applications. 2010;2(6): 376–381. DOI: https://doi.org/10.4236/jemaa.2010.26049
Rajendra S. G., Sang-Youn Ch., Rajaram S. M., Sung-Hwan H., Oh-Shim J. Cobalt ferrite nanocrystallites for sustainable hydrogen production application. International Journal of Electrochemistry. 2011;2011: 1– 6. DOI: https://doi.org/10.4061/2011/729141
Chandrashekhar A., Ladole V. Cobalt Ferrite Nanocrystallites for Sustainable Hydrogen Production Application. International Journal of Chemical Science. 2012;10(3): 1230–1234. DOI: https://doi.org/10.4061/2011/729141
Raghuvanshi S., Kane S. N., Tatarchuk T. R., Mazaleyrat F. Effect of Zn addition on structural, magnetic properties, antistructural modeling of Co1–xZnxFe2O4 nano ferrite. AIP Conference Proceedings 1953. 2018; 030055. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5032390
Sawadzky G. A., Van der Woude F., Morrish A. H. Cation distributions in octahedral and tetrahedral sites of the ferrimagnetic spinel CoFe2O4. Journal of Applied Physics. 1968; 39(2): 1204–1206. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1656224
Петрова Е. Г., Шавшукова Я. А., Котиков Д. А., Янушкевич К. И., Лазнев К. В., Паньков В. В. Применение метода термолиза распыленных суспензий для получения высококристалличных наночастиц ферритов-шпинелей. Журнал Белорусского государственного университета. Химия. 2019;1: 14–21. Режим доступа: https://journals.bsu.by/index.php/chemistry/article/view/1258
Ranjani M., Jesurani S., Priyadharshini M., Vennila S. Sol-gel synthesis and characterization of zinc substituted cobalt ferrite magnetic nanoparticles. International Journal of Advanced Research. 2016;4(7): 53–58. DOI: https://doi.org/10.21474/ijar01/1148
Lin Q., Xu J., Yang F., Lin J., Yang H., He Y. Magnetic and mцssbauer spectroscopy studies of zincsubstituted cobalt ferrites prepared by the sol-gel method. Materials. 2018;11(10) :1799. DOI: https://doi.org/10.3390/ma11101799
Copolla P., da Silva F.G., Gomide G., Paula F. L. O., Campos A. F. C., Perzynski R., Kern C., Depeyrot G., Aquino R. Hydrothermal synthesis of mixed zinc–cobalt ferrite nanoparticles: structural and magnetic properties. Journal of Nanoparticle Research. 2016;18(138): 1–15. DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-016-3430-1
Yafet Y. , Kittel C. Antiferromagnetic arrangements in ferrites. Physical Review Journal. 1952;87(2): 290–294. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.87.290
Praveena K., Sadhana K. Ferromagnetic properties of zn substituted spinel ferrites for high frequency applications. International Journal of Scientifi c and Research Publications. 2015;5(4): 1–21. Режим доступа: http://www.ijsrp.org/research-paper-0415.php?rp=P403877
Комогорцев С. В., Патрушева Т. Н., Балаев Д. А., Денисова Е. А., Пономаренко И. В. Наночастицы кобальтового феррита на основе мезопористого диоксида кремния. Письма в ЖТФ. 2009;35(19): 6–11. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/13984
Комогорцев С. В., Исхаков Р. С., Балаев А. Д., Кудашов А. Г., Окотруб А. В., Смирнов С. И. Магнитные свойства ферромагнитных наночастиц Fe3C, капсулированных в углеродных нанотрубках. ФТТ. 2007;49(4): 700–703. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/3003
Ивашенко Д. В., Петрова Е. Г., Миттова И. Я., Иванец А. И., Паньков В. В. Синтез наночастиц кобальт-цинкового феррита методом модифицированного аэрозольного пиролиза. Альтернативные источники сырья и топлива – 2019: Материалы VII Международной научно-технической конференции, Минск, 28–30 мая 2019. Минск: 2019. с. 120.
Gözüak, F., Koseoglu, Y., Baykal, A., Kavas H. Synthesis and characterization of CoxZn1−xFe2O4 magnetic nanoparticles via a PEG-assisted route. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009;321(14): 2170–2177. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.01.008
Abdallah H. M. I., Moyo T., Ezekiel I. P., Osman N. S. E. Structural and magnetic properties of Sr0.5Co0.5Fe2O4 nanoferrite. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014;365(9): 83–87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.04.041