Самораспространяющийся высокотемпературный синтез магнитных материалов
Вступление
Использование энергии горения - вероятно не первая идея, которая приходит на ум для того, чтобы получать новые материалы. Но наша команда исследователей в лондонском колледже в настоящее время использует энергию «управляемого горения», чтобы получить широкий ассортимент керамики. Непохожее на римские свечи или колеса Кэтрин, это так называемое горение – в реальности особо необычные химические реакции, в которых температуры возрастающие до 2000°C произведены за доли секунды, позволяя фактически немедленно сделать однофазовый продукт. Такие процессы называют, самораспространяющимися высокотемпературными реакциями (СВР).
Этот способ изготавливать материалы дает много преимуществ - скорость реакции и температура легко управляются, микроструктура изделия может контролироваться и не нуждается в обработке постпроизводства. В уникальном новом цикле процесса мы нашли, что применение внешних магнитных полей в течение реакции сгорания может, во многих случаях, резко изменять микроструктуру конечного продукта. Это открытие может привести к образованию новых возможностей в синтезе керамики, включая производство миниатюрных устройств с управляемыми магнитными структурами.
Ферриты
Первый класс керамики, производимой новой техникой - ферриты. Ферриты широко используются как твердые и как мягкие магниты. Они включают феррит типа BaFe12019, который используется для постоянных магнитов и как магнитные полосы в банковских пластиковых картах, кубический феррит LiFe5O8 используемый в микроволновой печи и сердечнике запоминающих устройств, и нормальный феррит MgZnFe408, который входит в систему фокусирующих телевизионных систем и в высокочастотных мобильных телефонов.
Обычные методы синтеза против СВС
Утвержденные методы синтеза этих материалов включают в себя многократный размол, нагревание и охлаждение соответствующих составляющих компонентов. Главным образом реакции нуждаются в длительных временных периодах, потому что межраспространение в образцах медленно, даже при высоких температурах. С другой стороны, путь энергии горения быстр и не нуждается во внешнем источнике высокой температуры, чтобы вести реакцию. Эти самораспространяющиеся реакции, которые обеспечивают энергию для преодоления барьера межраспространения в исходных материалах, что является источником экзотермической химической реакции.
СВС реакции
Некоторые СВС реакции известны и используются много лет. Термическая реакция, которая используется в сварке железнодорожных путей, и Goldsmidt реакция, которая все еще используется, чтобы произвести одну треть всемирного хрома, была обнаружена больше чем сто лет назад. СВС реакции были также найдены для синтеза многих сложных межметаллических составов: нитридов, окисей, боридов и карбидов металлов.
Что происходит в течение СВС реакции?
Считается, что СВС реакции называют как «управляемая энергия горения», потому что процедура перехода через распространение волнового фронта, который перемещается из исходного источника воспламенения при равномерной скорости. Большинство химической реакции происходит в короткой расплавленной зоне, созданной этой волной распространения. Эти типичные реакции показывают быстрое нагревание и быстрое охлаждение, и часто производят метастабильные изделия необычной или уникальной стадии или состава. Пример такой реакции показан на рисунке 1.
Рисунок 1. Производство синтеза сгорания BaFe12O9 от Fe, Fe2O3 и BaO2. Твердое пламя распространяется в среде слева направо в кварцовой трубе с постоянным потоком кислорода.
Самые простые СВС реакции могут проводиться при нормальных условиях, используя смесь порошка свободной формы при атмосферном давлении, хотя один недостаток этих условий состоит в том, что изделие может быть очень пористым. Альтернативно, реакции могут быть выполнены в форме или при использовании технологии прессования, чтобы управлять и объединять расплавленную зону реакции, чтобы произвести сложные формовочные изделия. В некоторых случаях эти изделия не нуждаются ни в какой дополнительной обработке постреакции типа механической обработки. В некоторых системах формовочные изделия постреакции должны быть спекаемы, чтобы закончить синтез материала, но во многих случаях СВС реакция достаточна для производства желательного заключительного конечного изделия.
Эффект магнитных полей на СВС
Наше последнее исследование относительно СВС технологий привело к интересному спосособу далее управлять химическим горением. Мы выяснили, что применение магнитного поля в магнитных смесях может влиять на температуру и скорость волны распространения. В ферритах это приводит к изменениям магнитных свойства веществ, с массовой коэрцитивностью остаточного магнетизма и насыщенного намагничивания, меняющегося как функция прикладного напряженного поля. Пропорция ферритовой стадии в прикладном поле в производстве СВС выше тогда, когда не используется магнитное поле. Зерно феррита игольчатой формы образуются лучше в направлении прикладного поля, которое в свою очередь ведет к магнитно - анизотропной макроструктуре. Удивительно, но возможны различия в материалах с основными магнитными свойствами прикладного поля по сравнению с материалами с ‘нулевым напряжением’, которое остается даже после того, как было произведено заземление, прокаливание и перезаземление. Это ясно видно из данных петли гистерезиса, такие как на рисунке 2 для магнитно мягкого феррита, MgZnFe408.
Рисунок 2. Первые петли гистерезиса сектора для магнитно мягкого феррита, MgZnFe4O8, произведенный реакциями синтеза сгорания и без помощи магнитного поля.
Как магнитное поле затрагивает процесс?
Магнитное поле действует на смеси перед сгоранием реагентов, ориентируя некоторые или все составляющие частицы по линиям напряжения и таким образом приводя к выходу плотного текстурованного порошка. В производстве ферритов это применимо особенно к железным частицам, которые являются внутренним топливным источником для СВС реакций. Благодаря этому направлению, окончательное горение быстрее и горячее, чем их копии в нулевом магнитном поле, и уровни нереагировавших примесей в изделии значительно сокращены. И микроструктура, и магнитная структура домена изделия являются структурированными согласно направлению прикладного поля.
Куда это ведет?
Это приведет к беспрецедентным возможностям для производства изделий с управляемыми пространственными изменениями в их магнитных свойствах, которые могут определенно подойти для различных применений, включая миниатюрные устройства. Прикладная область производства СВС технологий для того, чтобы делать такие устройства чрезвычайно гибка, позволяя использовать много различных условий. Мы надеемся провести реакции, используя и предтекстурированные и сложные порошковые смеси или в статической или в зависящих от времени неоднородных прикладных магнитных полях. Эти реакции могут проходит при атмосферном давлении или в состоянии консолидации в статическом или плавном газообразном потоке атмосферного воздуха или другого выбранного газа типа кислорода. Изделия, сделанные, используя наш доказанный СВС метод, вероятно, будут достаточно плотными для практического использования без потребности в интенсивной обработке постреакции. Исследователи зарегистрировали патент и применяют его в консультациях в промышленности, наблюдая за использованием наших процессов.