Effect of rare earth elements addition on magnetic properties of nickel-zinc ferrites
Nadir toprak elementleri ilavesinin nikel-çinko ferritlerin manyetik özelliklerine etkisi
- Tez No: 884267
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Manyetik malzemeler, telekomünikasyondan enerji üretimine ve veri depolamaya kadar çeşitli endüstriyel alanlardaki uygulamalarda yaygın olarak kullanıldıkları için günümüz teknolojik gelişmelerinde önemli bir yere sahiptir. Havacılık, elektrik-elektronik, otomotiv gibi birçok mühendislik alanında, bobinlerin, transformatörlerin ve transdüserlerin çekirdek malzemeleri olarak veya anahtarlama ve depolama cihazlarının koruyucu malzemeleri olarak çok büyük ölçekte ve farklı türlerde manyetik malzemeye ihtiyaç duyulmaktadır. Manyetik malzemelerden biri olan ferritler, yüksek elektrik direnci, düşük girdap akımı kayıpları, yüksek doygunluk manyetizasyonu ve yüksek geçirgenlik gibi çeşitli faydalar sunar. Ferritler kristal yapı açısından spinel (kübik), altıgen, garnet ve ortoferrit olmak üzere dört gruba ayrılırken, manyetik özelliklerine göre yumuşak ve sert ferritler olarak sınıflandırılırlar. Spinel ferritler çeşitli uygulamalara sahip yumuşak manyetik malzemelerdir. MeFe2O4 genel formülüyle tanımlanırlar. Yumuşak ferritler, manyetik alan kaldırıldığında mıknatıslanmalarını kaybeden ferrimanyetik malzemelerdir, yani yalnızca harici bir manyetik alanın varlığında ferromanyetizma sergilerler. Keskin bir artışa sahip bir mıknatıslanma eğrisi, dar bir histerezis döngüsü ve mıknatıslanma sırasında çok az enerji kaybı gösterirler. Isıtma ve ardından yavaş soğutma işlemi yoluyla üretilen bu malzemeler, zahmetsizce mıknatıslanma ve manyetikliği giderme özelliğine sahiptir; bu da onları, alternatif dalga formları da dahil olmak üzere çeşitli dalga formlarında manyetik enerjinin depolanması veya iletilmesi için uygun hale getirir. Sert ferritler ise mıknatıslanma işleminden sonra bile mıknatıslıklarını korurlar, bu özelliği sayesinde kalıcı manyetik malzemeler olarak da anılırlar. Bu malzemeler, sürekli artan bir mıknatıslanma eğrisi, geniş bir histerezis döngüsü ve mıknatıslanma boyunca büyük enerji kayıpları gibi özellikler sergiler. Bu ferritler, renkleri koyu griden siyaha kadar değişen, sertlikleri ve kırılganlıkları ile bilinen önemli bir seramik malzeme kategorisini oluşturur. Maliyet düşüklüğü, hammadde bolluğu ve kimyasal stabiliteleri nedeniyle kalıcı mıknatıs pazarında önemli bir konuma sahiptirler. Ferritlerin birincil ticari varyasyonları, sırasıyla NiZnFe2O4 ve MnZnFe2O4 olarak gösterilen nikel (Ni) ve mangan (Mn) ferritleridir. Ni-Zn ferrit (NZF), yumuşak ferritlerin en önemli türlerinden biridir ve karışık spinel yapısıyla tanınır. Bu ferrit malzemelerin yapılarında demir (Fe3+) ve çinko iyonları (Zn2+) A-bölgelerinde yani tetrahedral bölgelerde yer alırken, nikel iyonları (Ni2+) ve ferromanyetik demir iyonları B-bölgelerinde yani oktahedral bölgelerde yer alır. NZF'ler düşük manyetik koersiviteye, düşük dielektrik sabitine, üstün korozyon direncine, yüksek dirence ve yüksek geçirgenliğe sahiptir. Bu ferrit malzemelerin fiziksel görünüm ve manyetik özellikler gibi özellikleri, bileşimlerinden ve mikro yapılarından büyük ölçüde etkilenir ve elbette bunlar büyük ölçüde kullanılan sentez yöntemlerine bağlıdır. Hazırlama süreci, sinterleme koşulları ve metal oksitlerin, safsızlıkların veya katkı elementlerinin seviyeleri bu özelliklerin belirlenmesinde önemli rol oynar. Bu nedenle yüksek kaliteli ferrit üretimi için uygun tekniğin seçilmesi önemlidir. Sol-jel, birlikte çökeltme ve katı-hal gibi her birinin kendine göre avantaj ve dezavantajları olan birçok farklı sentez yöntemi vardır. Literatürde geleneksel seramik yöntemi olarak da bilinen katı hal yöntemi, ferrit malzemelerin üretiminde en yaygın kullanılan yaklaşımdır. Yöntem, çeşitli metal oksitler, karbonatlar, oksalatlar ve diğer malzemelerin istenilen oranlarda karışım oluşturularak, karışımın öğütülmesi ve yüksek sıcaklıklarda ısıtılması şeklinde gerçekleştirilir. NZF'lerin elektrik ve manyetik özelliklerinin iyileştirilmesi, yalıtım özellikleri ve yüksek dirençleri ile bilinen nadir toprak oksitlerinin katkılanmasıyla sağlanabilir. Eşlenmemiş 4f elektronları ve güçlü spin-yörünge eşleşmesi ile karakterize edilen nadir toprak iyonları, spinel kafesine katkılandığında Fe3+ iyonlarının yerini alır, yapısal bozulmalara ve strese neden olarak spinel kafes çözünürlüğünü azaltır. Bunun sonucunda ferritlerin elektriksel ve manyetik özelliklerinde değişme meydana gelir. Bu değişim, malzemedeki manyeto-kristalin anizotropiyi etkileyen 4f-3d etkileşimlerinden kaynaklanmaktadır. Bu çalışmanın amacı farklı RE elementleri ilavesinin NZF'lerin manyetik özelliklerine etkisini araştırmaktır. Ni0.5Zn0.5RExFe(2-x)O4 bileşiğine gadolinyum (Gd), itriyum (Y), öropiyum (Eu), disprozyum (Dy), samaryum (Sm) ve skandiyum (Sc) gibi altı farklı RE elementi eklenmiştir; burada x, ekleme miktarları 0,025 ve 0,05 olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlardan yola çıkarak, sadece Sc dopantı için 0,1 kompozisyonu denenmiştir. Toz numunelerin üretiminde katı hal yöntemi tercih edilmiştir. Metal oksitler hassas terazi yardımıyla hesaplanan stokiyometrik oranlarda tartıldıktan sonra, içerisinde 30 adet alümina bilya bulunan öğütücü jara aktarılmıştır. Jar içerisine etil alkol ilave edildikten sonra numuneler ıslak öğütme işlemine tabii tutulmuştur. Islak öğütme işlemi gezegen tipi bir öğütücüde, 13 saat boyunca 300 rpm hızında gerçekleştirilmiştir. İşlem sonrası elde edilen karışım bir gün boyunca 100 oC sıcaklıkta etüv içerisinde bekletilerek, alkolün karışım içerisinden uzaklaştırılması sağlanmıştır. Kuru hale gelen toz yeniden içerisinde 30 adet alümina bilya bulunan öğütücü jara aktarılıp, gezegen tipi öğütücüde 15 dakika boyunca 300 rpm hızında kuru öğütme işlemine tabii tutulmuştur. Elde edilen ince toza içerisindeki fazların stabil hale gelmesini sağlamak için 1000 oC sıcaklıkta ve hava atmosferinde 6 saat boyunca kalsinasyon işlemi uygulanmıştır. Kalsine edilen toz numunelere X-ışını difraktometresi (XRD) yardımıyla faz analizi yapıldıktan sonra, uygun şekilde paketlenerek soğuk izostatik pres (CIP) işlemi ile küresel bir şekil alacak şekilde preslenmiş ve sinterleme işlemine hazır hale getirilmiştir. Üretilen numunelere hava ve azot (N2) olmak üzere iki farklı atmosferde, 1350 oC'de 6 saat boyunca bir tüp fırın içerisinde sinterleme işlemi yapılmıştır. Sinterleme işleminin yapılma amacı, kalsinasyon işlemi sayesinde stabil hale getirilen fazların yoğunluğunun artmasını sağlamaktır ve daha yüksek sıcaklıklara çıkılarak katkı maddeleri ile matris atomları arasında gerçekleşen reaksiyonlarının tamamlanması sağlanmıştır. Sinterleme adımı da tamamlandıktan sonra numuneler karakterize edilmeye hazır hale gelmiştir. Üretilen numuneler faz analizine, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile morfolojik karakterizasyona, ve titreşimli numune manyetometresi (VSM) ile manyetik karakterizasyona tabii tutulmuştur. XRD sonuçları Sc hariç eklenen tüm katkılarda REFeO3 olarak da adlandırılabilecek ikincil faz pikini net bir şekilde göstermiştir. Sinterleme işlemiyle birlikte eklenen katkı maddesinin spinel kafesindeki çözünürlüğünün arttığı, yani ikincil faz oluşumunun azaldığı görülmüştür. Ayrıca her bir katkı maddesi için 0,025 ilave miktarında, 0,05 miktarına kıyasla ikincil faz oluşumu daha azdır. Sc diğer dopantlara kıyasla daha küçük iyonik yarıçapa sahip olduğundan, yapı içerisine girip demir iyonlarının yerini alması daha kolay olmuş ve ikincil faz oluşumu neredeyse gözlenmemiştir. Morfoloji incelemelerinde homojen partikül dağılımı gözlenmiştir. SEM görüntülerinden katkı maddesi ilavesinin tozların sinterlenebilirliğini arttırdığı görülmüştür. Her bir numune için ortalama tane boyutları incelendiğinde, katkı ilavesi yapılan numuneler, tüm miktarlarda ve sinterleme atmosferi koşullarında katkısız numunelere göre çok daha küçük parçacık boyutlarına sahiptir. Atmosfer koşulları karşılaştırıldığında, hava atmosferinde sinterleme işlemi sonrası elde edilen parçacık boyutları, N2 atmosferinde elde edilenlere göre daha küçüktür. Sc katkı maddesi, hem ekleme miktarları hem de atmosferik koşullar açısından diğer nadir toprak elementleriyle karşılaştırıldığında en büyük ortalama parçacık boyutunu sağlamıştır. XRD sonuçlarının da gösterdiği gibi, Sc katkısı düşük iyonik yarıçapı sayesinde yapı içerisine girmiş, ve distorsiyon meydana getirerek tanelerin büyümesine neden olmuştur. Manyetik ölçümlerden elde edilen histerezis eğrileri, yumuşak ferritin özellikleriyle tutarlı olarak dar ve dik eğriler sergilemiştir. Koersivite, katkı maddesi içeren ve azot atmosferinde sinterlenmiş numunelerde, içermeyene göre hafif bir artış göstermiştir. Koersivite değerindeki bu artış metal katyon sayısı, spinel kafesindeki iyon etkileşimleri ve manyetik alan gibi parametrelerden kaynaklanabilir. Öte yandan, katkı maddesi ilavesi ile hava atmosferinde sinterleme sonrasında daha küçük taneler elde edildiğinden hava atmosferi için tüm elementler ve miktarlar için koersivite değeri azalmıştır. Beklendiği gibi, katkı maddelerinin tüm türleri ve miktarları, saf numuneyle karşılaştırıldığında doygunluk mıknatıslanmasında bir azalmaya neden olmuştur. Daha yüksek katkı yüzdeleri, daha düşük doygunluk mıknatıslanma değerlerine yol açmıştır. Sc katkı maddesinde, diğer elementlerden farklı olarak, ekleme miktarı 0,025'ten 0,05'e çıktığında doygunluk mıknatıslanma değerinin artması gibi bir istisna dikkat çekmiştir. Oktahedral bölgede Sc3+ iyonları yer aldığında atomlar arasındaki mesafe azalmıştır. Mesafenin azalması sonucunda daha güçlü bir A-B etkileşimi ortaya çıkmış ve manyetizasyon artmıştır. Genel olarak doygunluk mıknatıslanmasındaki bu azalmanın nedeni, iyonik yarıçapları daha büyük olan nadir toprak elementi iyonlarının demir iyonlarının yerini alması ve malzemenin net manyetik momentini azaltmasıdır.
Özet (Çeviri)
Magnetic materials have an important place in today's technological developments, as they are widely used in applications in various industrial fields, from telecommunications to energy production, and data storage. In many engineering fields such as aerospace, and electric-electronics they are required on a very large scale and in different types as core materials of coils, transformers and transducers, or as protective materials of switching and storage devices. Ferrites offer various benefits, such as high electrical resistivity, low eddy current losses, high saturation magnetization and high permeability. Spinel ferrites are soft magnetic materials with diverse applications. Their general formula is represented by MeFe2O4. Soft ferrites are ferrimagnetic substances that lose their magnetization when the magnetic field is took out, meaning they only exhibit ferromagnetism if there is an external magnetic field. Hard ferrites retain their magnetism even after the magnetizing process, thanks to this ability they are also mentioned to as permanent magnets. The properties of ferrites are affected by many parameters like chemical compositions and the preparation methods employed. Ni-Zn ferrite (NZF) is one of the most significant type of soft ferrites and they recognized by a mixed spinel structure. Within these ferrite structures, iron (Fe3+) and zinc ions (Zn2+) take part A-sites, that is tetrahedral sites, while nickel ions (Ni2+) and ferromagnetic iron ions (Fe3+) take part B-sites, that is octahedral sites. NZFs have low coercivity, superior corrosion strength, highly elevated resistivity, and permeability. The characteristics of these ferrite materials such as physical appearance and magnetic properties are greatly affected by structure and composition, and of course that are highly dependent on the synthesis methods utilized. The preparation process, sintering circumstances, and levels of metal oxides, impurities, or doping elements play crucial roles in determining these properties. The improvement of electric and magnetic characteristics of NZFs can be acquired by doping of rare earth (RE) oxides, known for their insulating properties and high resistivities. Therefore, the motivation of this work is to investigate the influence of different RE elements addition on magnetic properties of NZFs. Six different RE elements such as gadolinium (Gd), yttrium (Y) and europium (Eu), dysprosium (Dy), samarium (Sm) and scandium (Sc) were added to the Ni0.5Zn0.5RExFe(2-x)O4 compound; where x, the addition amounts were determined as 0.025 and 0.05. The compositions 0.10 and 0.15 was tried only for the Sc dopant. The powder samples were produced by solid-state method. The phase analysis of the produced samples was conducted with X-ray diffractometer (XRD), and morphological investigation was conducted by using scanning electron microscopy (SEM). Magnetic characteristics were observed by using vibrating sample magnetometer (VSM). According the XRD results, the addition of rare earth dopant increased, the formation of second phase also increased. This is because the dopants added after passing a certain saturation level could not dissolve in the lattice and form secondary phases called REFeO3. The homogeneous particle distribution was observed in morphology examinations. From the SEM pictures, it was obtained that the addition of dopant improved the sinterability of the powders. As a result of VSM analyses, all types and amounts of additives resulted in a decrease in saturation magnetization for both atmospheres compared to the pure sample. The reason for this decrease in saturation magnetization is that RE3+ ions, which have larger ionic radius, replace Fe3+ ions and reducing the net magnetic moment of the material. Coercivity showed a slight increase in samples with additives that sintered in N2 atmospere compared to sample without additives. This increase in coercivity value may be caused by parameters such as the number of metal cations and ion interactions in the spinel lattice. On the contrary, with the addition of dopant, the coercivity value decreased for all elements and amounts for air atmosphere, since smaller grains were obtained after the sintering in air atmosphere. An exception was noted with the Sc additive, unlike other elements, the increase in saturation magnetization value when the addition amount increases from 0.025 to 0.05. When Sc3+ took place in the octahedral region, the distance between the atoms decreased. As a result of the decrement in distance, a stronger A-B interaction emerged and magnetization increased.
Benzer Tezler
- Recycling of waste NdFeB magnets for recovery of rare earth elements by combining pyro- and hydrometallurgy
Piro/hidrometalurjik tekniklerle nadir toprak elementlerinin atık NdFeB mıknatıslardan geri kazanımı
ELİF EMİL KAYA
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
PROF. DR. KARL BERNHARD FRİEDRİCH
- Hidrojen redüksiyon yöntemi ile LaFeSi temelli manyetokalorik malzeme üretimi
LaFeSi based magnetocaloric material production by hydrogen reduction method
SEMİH ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Tabakalar arası çiftlenme ve kuantum faz dalgalanmalarının josephson-bağlı tabakalı süper iletkenlerin fiziksel özelliklerine etkisi
Başlık çevirisi yok
METİN HÜNER
Doktora
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENVER NAKHMEDOV
- Gadolinyum nadir toprak elementinin NiMnSn manyetik şekil hatırlamalı alaşımların dönüşüm sıcaklığı ve fiziksel özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of gadolinium rare earth element on transformation temperature and physical properties of NiMnSn magnetic shape memory alloys
ECEM ÖZEN ÖNER
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEDİHA KÖK