颗粒形状对SrFe12O19/CoxFey复合材料磁性能的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Influence of particle shape on magnetic behavior of SrFe 12O 19/Co xFe y composites

本研究制备了SrFe12O19/Co2Fe和SrFe12O19/CoFe2软硬磁复合材料，采用手动混合和超声处理方法，发现CoFe2纳米颗粒的延展形貌显著提升复合材料剩余磁化强度达12%，透射电镜证实形状各向异性和软磁相定向排列是增强磁性能的关键因素。

　　

V. Bilovol|A. Quesada|A. Kmita|D. Lachowicz|M. Gajewska

克拉科夫AGH大学材料与纳米技术学术中心，Mickiewicza大街30号，30-059克拉科夫，波兰

摘要

在本研究中，我们探讨了具有不同磁性的复合材料的磁性质，特别是SrFe₁₂O₁₉/Co₂Fe和SrFe₁₂O₁₉/CoFe₂复合材料。前驱体材料以90:10的质量比通过手动混合和超声波处理方法结合在一起。结果表明，SrFe₁₂O₁₉/CoFe₂复合材料的剩磁强度显著提高，比纯SrFe₁₂O₁₉高出约12%。透射电子显微镜图像显示，这种性能的提升可能归因于CoFe₂纳米颗粒的拉长形态，而Co₂Fe颗粒则更为球形。这种各向异性形状可能通过增强形状各向异性和改善软磁相在复合基质中的排列来提升磁性质。

引言

提高永磁体的能量积仍然是科学家和工程师的重要目标。然而，由于适用于此类应用的材料范围有限，尤其是对环保、非关键或战略材料的需求不断增加，这一目标变得具有挑战性[[1], [2], [3]]。这促使人们对无稀土永磁体产生了越来越多的兴趣（见表1）。

一种有前景的方法是设计由硬磁相和具有高磁化率的软磁材料组成的复合材料[4,5]。在这些系统中，两种相共存，理想情况下可以产生具有更高磁化率和足够矫顽力的磁体，从而提高能量积，超过单一硬磁相的性能。 寻找最佳复合材料配置的工作仍在进行中，许多因素（如各相的相对含量、颗粒大小和形状以及空间分布）都会影响磁相互作用。适当调整这些参数可以促进相间的交换耦合，从而可能增强剩磁强度和最大能量积等关键性能[[6], [7], [8]]。 由于难以实现显著的性能提升，即使是轻微的改进也被视为有价值，尤其是在无稀土替代品持续被终端用户评估和采用的情况下。尽管进行了大量研究，但在硬磁相和软磁相界面实现有效的交换耦合仍然是一个持续讨论的话题[[9], [10], [11]]。 特别是基于锶六铁氧体（SrFe12O19）和软铁氧化物的复合材料已经得到了广泛研究，并发表了一些值得注意的结果。通过一步溶胶-凝胶自燃法制备的0.8SrFe12O19/0.15Co0.8Ni0.2Fe2O4复合材料显示出最大能量积(BH)max提高了10.5% [12]。此外，通过球磨后热处理合成的0.9SrFe12O19/0.1CoFe2O4复合材料显示出最大能量积(BH)max提高了20% [6]。然而，仍存在挑战，包括剩磁强度的提升有限和矫顽力显著下降[13,14]，这继续激励着进一步的研究，以开发新的合成方法并探索新型软磁组分[15]。 在这里，我们通过探索软磁组分为金属合金而非氧化物的复合材料来扩展软磁材料的应用。其中一种变体的颗粒呈拉长形状，与传统使用的球形颗粒不同。为此，制备了SrFe12O19/Co2Fe和SrFe12O19/CoFe2复合材料。通过综合的成分、结构和磁性质表征表明，含有部分拉长CoFe2颗粒的SrFe12O19/CoFe2复合材料比纯SrFe12O19具有更高的剩磁强度。

实验部分

商业购买的锶铁氧体粉末（SrFe12O19，纯度99.99%）来自Max Baermann GmbH（德国-中国）。该粉末采用标准的固态反应方法使用Fe2O3和SrCO3作为前驱体制备，颗粒呈片状，具有双峰粒度分布，大颗粒的平均直径D为1.26 μm，小颗粒的平均直径D为0.2 μm [16]。将适量的CoCl2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O在50 ml甲醇中通过磁力搅拌混合

结果与讨论

图1显示了作为复合材料软磁部分的两种样品（Co₂Fe和CoFe₂）的实验XRD图谱。两种样品的(110)、(200)和(211)衍射峰均归属于单相立方结构Pm-3m（空间群221，ICSD 56273 [17]）。利用Scherrer方程[18]和(110)布拉格峰计算出晶格参数a分别为2.828 ?（Co₂Fe）和2.847 ?（CoFe₂）。由于铁的原子半径（156 pm）大于钴的原子半径

结论

使用市售的硬磁相SrFe12O19以及合成的软磁相Co2Fe和CoFe2合金制备了磁性复合材料，采用了两种方法：手动混合（MM）和在乙醇中的超声波处理（US）。选择这些合金作为软磁材料是因为它们具有极高的饱和磁化率（均超过200 emu/g）。TEM图像显示CoFe2颗粒更为拉长，而Co2Fe颗粒则更为圆润。 虽然手动混合方法并未显著提高剩磁强度（Mr）

CRediT作者贡献声明

V. Bilovol：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。 A. Quesada：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，资源获取，概念化。 A. Kmita：撰写 – 审稿与编辑，方法论。 D. Lachowicz：方法论。 M. Gajewska：撰写 – 审稿与编辑，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

VB感谢克拉科夫AGH大学的资助（项目编号11223，IDUB）。