S2-BYQ06

Mejora en las propiedades magnéticas de la ferrita de bario, mediante la
Substitución selectiva de iones férricos
M.I. Patricia Torres Falcón. Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología
Avanzada del IPN Unidad Querétaro José Siurob # 10 Col. Alameda C.P. 76040.
Santiago de Querétaro, e-mail: [email protected]
Resumen
Uno de los materiales magnéticos más empleados a nivel industrial es la ferrita de bario
(Ba Fe12 O19) y la vía más usual para su elaboración es la metalurgia de polvos, obtenida
a partir de carbonatos. Las aplicaciones más comunes de las ferritas son en electrónica,
medicina, industria automotriz, etc.
Durante los últimos años se han hecho esfuerzos en diferentes laboratorios a nivel
mundial por mejorar las propiedades magnéticas de las ferritas. Se han intentado
substituciones de hierro por cobalto, de bario por otros elementos y se han planteado
diferentes metodologías para su elaboración1.
En este trabajo se trata la substitución selectiva de hierro en ferrita de bario.
Concretamente, se desea sustituir selectivamente ciertos iones férricos de la celda
unitaria de la red cristalina, cuyos momentos magnéticos no se encuentran alineados con
el momento magnético total, es decir, los iones de las posiciones 4f6 y 4f4.
Para obtener esta substitución selectiva hemos realizado experimentos empleando Zn y
bismuto. En el caso de Zn se observa que para fracciones atómicas menores que 0.8 se
obtiene una mejora en la magnetización de saturación a temperatura ambiente. Esta
mejora esta correlacionada con un cambio en la población de las posiciones 4f según
muestran los espectros de Mössbauer. En los resultados preliminares obtenidos con
bismuto hasta el momento también se observa un cambio en las poblaciones de las
posiciones 4f respecto del material sin substituir.
Koichi Haneda,Choji Miyakawa, and Hiroshi Kojima, “Preparation of High Coercivity
BaFe12O19,” J.Am.Cer.Soc. 57[8] 354-357 (1974)
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Mejora en las propiedades magnéticas de la Ferrita de Bario, mediante la
sustitución selectiva de iones férricos.
M.I. Patricia Torres Falcón. Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología
Avanzada del IPN Unidad Querétaro José Siurob # 10 Col. Alameda C.P. 76040. Santiago
de Querétaro. E-mail: [email protected]
Introducción
Las propiedades magnéticas de todo material se caracterizan en su curva de histéresis, en la
cuál se grafica la magnetización M (emu/g), en función del campo aplicado H (Oe), el máximo
valor de magnetización que se obtiene se llama magnetización en saturación.
En el presente trabajo se trata de obtener un material a partir de la ferrita de bario que tenga
propiedades magnéticas mejoradas respecto de la ferrita de bario pura BaFe12O19; para este
propósito se realizará una sustitución selectiva de iones férricos.
La ferrita de bario se obtiene habitualmente a nivel industrial empleando el método cerámico,
es decir haciendo reaccionar BaCO3 y Fe2O3 a altas temperaturas obteniendo la ferrita:
BaFe12O19 . Esta ferrita tiene magnetizaciones en saturación de alrededor 60 emu/g.
Los responsables del comportamiento magnético son los iones férricos, donde no todos los
iones tienen la magnetización en la misma dirección. De los 12 iones disponibles por celda
unitaria, ocho tienen un momento magnético en una dirección y 4 tienen un momento
magnético exactamente en la dirección opuesta, resultando en que sólo 8 iones contribuyen a
la magnetización resultante.
El propósito de este trabajo es sustituir por iones no férricos justamente a esos 4 iones que se
contraponen a la magnetización total y así poder incrementar la magnetización en saturación.
Existen diferentes metodologías que se pueden emplear para la preparación de las muestras.
Se puede emplear el método cerámico pero también se pueden emplear otros más como son,
co-precipitación química o sol-gel.
La co-precipitación química tiene sobre el método cerámico la ventaja de poder obtener una
muestra muy homogénea ya que se parte de sales en soluciones. En contraste, en el método
cerámico las partículas rara vez pueden ser molidas por debajo de un micrómetro.
En el presente trabajo se emplea el método de co-precipitación química para introducir Zn en
ferrita de bario con la esperanza de que sustituya selectivamente alguno o varios de los 4 iones
de fierro (Fe3+) en cuestión. También se emplea el método cerámico para introducir iones de
bismuto en la ferrita de bario con el mismo propósito, dado que el método de co-precipitación
química no se puede emplear ya que las sales de bismuto reaccionan explosivamente con el
agua.
Metodología
Para la preparación de muestras se emplea el método cerámico en unas ocasiones y en otras
el método de coprecipitación quimica.
Método Cerámico
Para le método cerámico se parte de óxido de fierro (hematita), carbonato de bario y el oxido
del metal que se quiere introducir. En nuestro caso empleamos oxido de bismuto. Se pesan en
una balanza analítica las partes que permitan obtener las muestras con la estequiometria que
se busca, se mezclan, se muelen finamente empleando un mortero de ágata y se tamizan con
un tamiz de malla fina. Este procedimiento se repite por lo menos tres veces para garantizar la
homogeneidad de la muestra. Posteriormente se calcinan a 1000 ºC por espacio de una hora
en aire. Las muestras así obtenidas se analizan por difracción de rayos-X (XRD) y con
espectroscopia Mössbauer.
Método de coprecipitación química
En esta metodología se fuerza la precipitación simultanea de sales insolubles de los metales
que se quiere incorporar a la ferrita de bario. Habitualmente se parte de cloruros , cloruro de
fierro, cloruro de bario y , en nuestro caso, de cloruro de zinc. Se pesan en una balanza
analitica las proporciones en funcion de la estequiometria que se quiere obtener y se disuelven
en una misma solucion todos los cloruros completamente. Se prepara una segunda solucion
disolviendo un carbonato que reaccionara con los cloruros formando sales insolubles.
Seguidamente se vierte lentamente la solucion primera en la segunda, se espera hasta que los
precipitados se asientesn, se decanta la solucion, se filtra y enjuaga varias veces.
Posteriormente se calcina el precipitado. Las muestras ya se pueden analizar con XRD.
Difracción de rayos X
Se emplea un difractómetro de rayos X con radiación K alpha (poner en griego) del cobre para
obtener un patrón de difracción y con esto poder determinar las fases cristalinas que se
encuentran en las muestras. Se registra en un archivo la intensidad de los picos de difracción
en función del ángulo de incidencia de los rayos-x y posteriormente se comparan los picos
contra los datos de la base de datos. De esta comparación se determinan las fases presentes
en la muestra.
Espectroscopia Mossbauer
En esta espectroscopia se prepara una muestra delgada que se coloca en transmisión entre la
fuente de rayos gamma y el detector. La fuente de rayos gamma se mueve con velocidades
lineales ente -12 mm/s y + 12 mm/s para que los rayos gamma puedan se absorbidos por los
núcleos de Fe57. La velocidad a la cual es absorbido un rayo gamma depende de la condición
magnética del nucle ode Fe57. De esta manera se obtiene un espectro que contiene
información de la estructura magnética de los iones de fierro en la muestra y permite analizar
finamente la conformación de estructuras magnéticas distintas. En el caso de la ferrita de bario
se pueden separar las contribuciones de cada una de las 5 subredes al espectro.
Resultados y conclusiones
La figura 1 muestra una secuencia de espectros de rayos x de muestras con la introducción de
Zn en diferentes proporciones como se indica con las fracciones x=0.y en la fórmula de
BaZnxFe12-xO19. Los números “1” indicados en la grafica inferior son los picos que
corresponden a la fase BaFe12O19, mientras que los picos mostrados en el espectro
correspondiente a la fracción x=1.2 muestra la fase ZnFe2O4. Como se puede observar para
fracciones de Zn menores que x=0.8 la fase de BaFe12O19 es la única que se presenta. Para
fracciones de Zn mayores aparece la fase ZnFe2O4. Esta fase no contribuye al
ferrimagnetismo.
.
Figura 1
40
Ba Fe12 O19
Ba Fe11.2Zn0.8 O19
30
Magnetization M (emu/g)
Ba Fe11Zn1 O19
20
Ba Fe10.8Zn1.4 O19
10
0
-10
-20
-30
T = 300 K
-40
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
Applied Field H (Oe)
Figura 2
La figura 2 muestra las curvas de histéresis de fracciones seleccionadas de ferrita de bario con
la substitución de Zn. Todas las muestras fueron obtenidas por el método de coprecipitación en
forma paralela y calcinadas al mismo tiempo. Se observa que la muestra sin Zn alcanza con un
campo aplicado de 10000 Oe una magnetización en saturación de alrededor de 30 emu/g. para
la substitución con 0.8 se observa un incremento en la magnetización en saturación (línea
verde). Para fracciones superiores la magnetización en saturación es contraproducente y se
reduce considerablemente. El hecho de que para 0.8 se obtenga un incremento de la
magnetización en saturación es indicativo de que ha habido una substitución selectiva parcial.
Esta mejora esta correlacionada con un cambio en la población de las posiciones 4f según
muestran los espectros de Mössbauer (no se muestra aquí).
Con bismuto se han obtenido hasta el momento resultados preliminares. La figura 3 muestra
los espectros de <rayos X de las diferentes muestras con la introducción de Bismuto. Los
numeros “0 ” ,muestran la estructura de la hexaferrita, mientras que los números 1 muestran la
estructura En este caso aparentemente no aparece ninguna estructura diferente de la ferrtia de
bario.
La figura 4 muestra los espectros Mössbauer obtenidos para las mismas muestras. Como se
puede observar se notan ligeras variaciones entre ellos, variaciones que son indicativas que las
poblaciones de las diferentes subredes están variando.
Figura 3
1.000
Intensidad (u.a.)
0.995
0.990
0.985
0.980
-10
-5
0
5
10
velocidad (mm/s)
BaFe12O19
BaBi0.2Fe11.8O19
BaBi0.4Fe11.6O19
2400
2200
Intensidad XRD (u.a.)
2000
1800
1600
1
1400
1200
1
1000
800
600
0
400
0
0
1
200
0
0
0
1
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2  (Grados)
Figura 4
Estos hallazgos pemiten concluir que en el caso del Zn se obtiene una substitución parcial de
los iones fierro que se contraponen a la magnetización total, mientras que en el caso de la
introducción de bismuto hay indicio de que un proceso similar esta sucediendo.
Bibliografía
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