Диаграмма состояния и магнитные свойства сплавов системы Gd4Bi3-Yb4Sb3

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ________________________________________2010, том 53, №5_____________________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 546.657, 87:669.0.17.1

М.А.Балаев, В.Д.Абулхаев, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев, Н.Ш.Холов

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Gd4BÍ3-Yb4Sb3

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан

В статье приведены результаты исследования диаграммы состояния и магнитные свойства твердых растворов системы Gd4Bi3-Yb4Sb3 (х= 0.4-3.6; y= 0.3-2.7). Кристаллохимический анализ показал, что твердые растворы Gd4-xBi3-yYbxSby (х= 0.4-3.6; y= 0.3-2.7) системы Gd4Bi3-Yb4Sb3 кристаллизуются в кубической структуре типа anti-Th3P4. Определены температура Кюри и магнитные моменты ионов Gd3+ и Yb3+.

Ключевые слова: сплавы системы Gd4Bi3-Yb4Sb3 - диаграмма состояния - твердые растворы - температура Кюри — магнитная восприимчивость.

Ранее в [1, 2] были исследованы полные диаграммы состояния систем Gd - Bi и Yb - Sb. В указанных системах установлено образование соединений: Gd5Bi3, Gd4Bi3, GdBi, GdBi2, a-Yb5Sb3, P-Yb5Sb3, Yb4Sb3, Yb„Sb10, YbSb, YbSb2.

Физические и химические свойства данных соединений изучены крайне мало. Нами при изучении магнитных свойств сплавов и соединений указанных систем установлено, что Gd4Bi3 и Yb4Sb3 являются парамагнетиками с парамагнитной температурой Кюри 364 и 10 К соответственно [3, 4].

Целью данной работы явилось исследование диаграммы состояния Gd4Bi3 - Yb4Sb3 и магнитных свойств сплавов, образующихся в этой системе в диапазоне температур 298-800 К.

Сплавы системы были приготовлены через каждые 10 мол.% Yb4Sb3. В качестве исходных компонентов использовали предварительно синтезированные Gd4Bi3 и Yb4Sb3.

Сплавы системы Gd4Bi3 - Yb4Sb3 получали следующим образом. Порошки предварительно синтезированных соединений - Gd4Bi3 и Yb4Sb3, отвечающие конкретному химическому составу сплава Gd4-xBi3-yYbxSby (х= 0.4-3.6; y= 0.3-2.7), тщательно смешивали, спрессовывали, помещали в герметичный молибденовый тигель и нагревали (со скоростью 40 К/мин) в среде гелия марки ВЧ. Оптимальная температура синтеза составляла 1723±50 К. При этой температуре образцы выдерживали 4-6. После этого печь выключали, и тигель с веществом охлаждали до комнатной температуры.

Установлено, что скорость нагрева и охлаждения не играет существенной роли при синтезе сплавов системы Gd4Bi3-Yb4Sb3. Существенное значение при синтезе имеют конечная температура синтеза и время выдержки реакционной смеси при этой температуре. Так, при продолжительности менее 4 ч не достигается полная гомогенизация продукта, а продолжительность синтеза более 6 ч не имеет смысла, поскольку дальнейшее продолжение времени синтеза не влияет на фазовый состав

Адрес для корреспонденции: Абулхаев Владимир Джалолович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: abulkhaev-48@mail.ru

полученного гомогенного продукта. Синтез при температуре ниже 1673оС приводит к образованию негомогенного продукта вследствие неполного взаимодействия Gd4BiЗ с Yb4SЬЗ.

Сплавы Gd4Bi3-Yb4Sb3 синтезировали при одном и том же температурном и временном реДиаграмму состояния системы Gd4Bi3-Yb4Sb3 исследовали методами дифференциального термического

(ДТА), рентгенофазового (РФА) и металлографического анализов.

ДТА сплавов осуществляли на установке ВДТА-8М3, при скоростях нагревания и охлаждения 30-80 град./мин. Погрешность в определении температур термических эффектов не превышала ±1%.

РФА сплавов проводили на дифрактометре ДРОН-2 с использованием отфильтрованного -излучения (№-

фильтр). Погрешность в определении параметров элементарной ячейки сплавов составляла ±0.0005 нм.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы вс14Шз-¥Ь4Шз Металлографический анализ

сплавов выполняли на приборе №ор^^ 21. Шлифы полировали алмазной пастой, нанесенной на нейлоновую ткань. Микротвердость кристаллов измеряли на микротвердомере ПМТ-2.

Плотность сплавов определяли по стандартной методике.

Молярную магнитную восприимчивость (хм) сплавов измеряли в диапазоне температур 298800 К по методике, приведенной в [5].

Диаграмма состояния системы Gd4Bi3 - Yb4Sb3, построенная по совокупности экспериментальных данных, приведена на рис. 1. Из рисунка видно, что Gd4Bi3 при 1853±15 К плавится инкон-груэнтно, а Yb4Sb3 при 1950±20 К конгруэнтно. Данная диаграмма свидетельствует о неограниченной взаимной растворимости компонентов -Gd4Bi3 и Yb4Sb3 как в жидком, так и в твердом состоянии. При этом РФА и металлографический анализ сплавов указывают на образование во всем исследованном диапазоне концентраций твердых растворов замещения Gd4_xBi3_yYbxSby (х= 0.4-3. 6; у = 0.3-2.7).

По данным РФА, твердые растворы Gd4_xBi3_yYbxSby (х= 0.4-3.6; у= 0.3-2.7), как и исходные компоненты - Gd4Bi3 и Yb4Sb3, также кристаллизуются в кубической сингонии типа апй-'ГЬ^ с пространственной группой І43d. Из табл. 1 следует, что концентрационная зависимость параметра элементарной ячейки твердых растворов во всем исследованном диапазоне концентраций изменяется

жиме, то есть при 1723±50 К и времени выдержки 4-6 ч.

с;а4ві3 20 40 60 80 УЬдБЬз

мол.%

аддитивно. При этом наибольшую микротвердость (5500 МПа) показывает твердый раствор Ш^В^УК^Ъ,.«,. Рассчитана также теоретическая плотность кристаллов твердых растворов.

Таблица 1

Кристаллохимические характеристики висмутидов и твердых растворов Оа4_хБіз_уУЬх8Ьу

Индивидуальные соединения и твердые растворы Параметр элементарной ячейки а, нм Плотность, кг/м3 Микротвердость, МПа

ва4ВІ3 0.9382 10159 3600

Gdз.6BІ2.7Ybo.4Sbo.з 0.9376 1001 4300

Оа3.2ВІ2.4УЬо.88Ьо.6 0.9368 9880 4400

Gd2.8BІ2лYbl.2Sbo.9 0.9362 9737 5500

Gd2.4Bi1.8yb1.6Sb1.2 0.9354 9602 5000

Gd2Bil.5УЬ2SЬl.5 0.9348 9457 5450

Gd1.6Bi1.2yb2.4Sb1.8 0.9339 9321 5100

Gdl.2BІ0.9УЬ2.8SЬ2.l 0.9332 9175 4750

Gd0.8BІ0.6УЬз.2SЬ2.4 0.9326 9035 4450

Gdo.4Bio.зУЬз.6SЬ2.7 0.9318 8893 4360

УЬ4SЬз 0.9312 8748 4200

Установлено, что температурная зависимость обратной величины молярной магнитной восприимчивости твёрдых растворов 0^-хБі3-уУЬх8Ьу (х= 0.4-3.6; у= 0.3-2.7) следует закону Кюри -Вейсса, характерного парамагнитным веществам. На рис. 2, а, б представлена температурная зависимость обратной величины молярной магнитной восприимчивости твёрдых растворов 0^-хВі3-уУЬх8Ьу (х= 0.4-3.6; у= 0.3-2.7) в диапазоне температур 298-800 К.

1/Ї

Рис. 2, а, б. Температурная зависимость обратной молярной магнитной восприимчивости твёрдых растворов ва4-хВі3-уУЬх8Ьу, содержащих: (1)-10, (2)-20, (3)-30, (4)-40, (5)-50, (6)-60, (7)-70, (8)-80, (9)-90 мол.% УЬ48Ь3 в

диапазоне температур 298-800 К.

Значения молярной магнитной восприимчивости (хм) и парамагнитной температуры Кюри (0Р) твёрдых растворов, определенной экстраполяцией линейной части зависимости 1/ хм -Т к оси температур, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Магнитные свойства висмутидов и твердых растворов Gd4-xBiз-yYbxSby

Висмутиды и твердые растворы Молярная магнитная восприимчивость, Хм х 106 при 298 К Парамагнитная температура Кюри, 0р, К Эффективный магнитный момент, д х 1024, А-м2

Gd4Bi3 117878.8 364 73.45

Gd3.6BІ2.7YЬ0.4SЬ0.3 34238.2 180 52.86

Gd3.2BІ2.4YЬ0.8SЬ0.6 23987.4 152 49.15

Gd2 8BІ2 1^1 2Sbo 9 17517.0 127 45.47

Gd2.4BІ1.8YЬ1.6SЬ1.2 12641.3 98 41.73

Gd2Bi1.5YЬ2SЬ1.5 8656.5 57.2 38.02

Gdl.6BІl.2Ybb2.4Sbl.8 7971.7 48 37.09

Gdl 2BІ0 9Yb2 8Sb2 1 7097.6 32 36.16

Gd0.8BІ0.6YЬ3.2SЬ2.4 6738.5 26 35.52

Г" Ы СО ю со £ ел о 53 о ТЗ о 6426.0 18 35.14

УЪ48Ъз 5792.8 10 33.94

Как видно из табл. 2, рост молярной магнитной восприимчивости и парамагнитной температуры Кюри твёрдых растворов проявляется во всем диапазоне концентраций. Это объясняется тем, что гадолиний, замещая атомы иттербия в кристаллической решетке Yb4Sb3, усиливает обменное взаимодействие по линии связи Gd - Yb, влияние которой на магнитные свойства твердых растворов Gd4-xBi3-yYbxSby (х= 0.4-3.6; у= 0.3-2.7) проявляется во всем диапазоне концентраций.

Полученные данные по молярной магнитной восприимчивости и парамагнитной температуры Кюри антимонидов, висмутидов и твердых растворов были использованы для определения эффективного магнитного момента ионов РЗЭ (табл. 2).

Таким образом, результаты нашей работы указывают на возможность получения на основе Gd4Bi3 и Yb4Sb3 твердых растворов с повышенными магнитными свойствами.

Поступило 24.03.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абулхаев В.Д. - Изв. РАН. Металлы, 1993, №1, с. 187.

2. Бобоев И.М., Абухаев В.Д., Ганиев И.Н. - ДАН РТ, 2004, т^УП, № 7-8, с. 86-89.

3. Холов Н.Ш., Абухаев В.Д. и др. - ДАН РТ, 2008, т.51, №8, с. 610.

4. Назаров Х.Х. Твердые растворы систем Gd4Sb3 -Ьп^Ь3 (Ьп = Рг, Ш, ТЬ, Бу, Yb) и ТЬ^Ь3 - Бу^Ь3 . - Автореф. дисс...к.т.н. - Душанбе, 2006, 22 с.

5. Чечерников В.И. - Магнитные измерения. М.: МГУ, 1963, с. 92.

М.А.Балаев, В.Д.Абулх,аев, И.Н.Ганиев, Н.Ш.Холов

ДИАГРАММАИ Х,ОЛАТ ВА ХОСИЯТ^ОИ МАГНИТИМ ХУЛА^ОИ СИСТЕМАИ Gd4Bi3-Yb4Sb3

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон

Дар мадолаи мазкур натичаи тахкидоти диаграммаи холат ва хосиятхои магнитии махлулхои сахти системаи Gd4Bi3-Yb4Sb3 оварда шудааст. Тахлили кристаллохимиявй нишон дод, ки махлулхои сахти Gd4-xBi3-yYbxSby (х= 0.4-3.6; y= 0.3-2.7) системаи Gd4Bi3-Yb4Sb3 дар панчараи кубии намуди anti-Th3P4 кристаллизатсия мешаванд. Хдрорати Кюри ва лахзахои магнитии ионхои Gd3+ ва Yb3+ муайян карда шудаанд.

Калима^ои калиди: хулауои системаи Gd4Bi3-Yb4Sb3 - диаграммаи уолат - маулулуои сахт -уарорати Кюри - таъсирпазирии магнити.

M.A.Balaev, V.D.Abulkhaev, I.N.Ganiev, N.Sh.Kholov PHASE DIAGRAM AND MAGNETIC PROPERTIES OF ALLOYS IN THE Gd4Bi3-Yb4Sb3 SYSTEM

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan The abstract comprises the results of investigation of phase diagram and magnetic properties of alloys which have been formed in the Gd4Bi3-Yb4Sb3 system.Crystallochemical investigations have shown, that solid solutions Gd4-xBi3-yYbxSby (х= 0.4-3.6; y= 0.3-2.7) of the Gd4Bi3 - Yb4Sb3 system crystallizes in cubical anti-Th3P4 structural type. Values of Curie temperatures and magnetic moment of Gd3+, Yb3+ ions wasdefined.

Key words: alloys of the Gd4Bi3-Yb4Sb3 system - phase diagram - solid solutions - Curie temperatures -magnetic susceptibility.