RU2698689C1 - METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ - Google Patents

METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ Download PDF

Info

Publication number
RU2698689C1
RU2698689C1 RU2018126732A RU2018126732A RU2698689C1 RU 2698689 C1 RU2698689 C1 RU 2698689C1 RU 2018126732 A RU2018126732 A RU 2018126732A RU 2018126732 A RU2018126732 A RU 2018126732A RU 2698689 C1 RU2698689 C1 RU 2698689C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oxygen
lutetium
iron
mixture
oxides
Prior art date
Application number
RU2018126732A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лариса Борисовна Ведмидь
Владислав Михайлович Димитров
Ольга Михайловна Федорова
Софья Александровна Петрова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН)
Priority to RU2018126732A priority Critical patent/RU2698689C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2698689C1 publication Critical patent/RU2698689C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G1/00Methods of preparing compounds of metals not covered by subclasses C01B, C01C, C01D, or C01F, in general
    • C01G1/02Oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G49/00Compounds of iron
    • C01G49/0018Mixed oxides or hydroxides
    • C01G49/0054Mixed oxides or hydroxides containing one rare earth metal, yttrium or scandium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G49/00Compounds of iron
    • C01G49/02Oxides; Hydroxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Compounds Of Iron (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to the technology of producing complex oxides which have properties of multiferroic materials, exhibit a magnetoelectric effect, a magnetocaloric effect and can be used in multifunctional devices in information and energy-saving technologies. Method of producing composite lutetium oxide and iron LuFe2O4±δ includes preparation of a mixture of iron (III) and lutetium (III) oxides and annealing of the obtained mixture in a gaseous medium, wherein the initial oxides are mixed in a different from the stoichiometric ratio of Fe2O3:Lu2O3, making 1.00:0.39, homogenised by grinding for at least 60 minutes, and annealing of the prepared mixture is carried out at temperature of 1,090 °C in gas medium, reducing conditions of which are provided using a gas mixture consisting of argon and oxygen, while maintaining a given value of oxygen pressure in range Po2=10-11.24÷10-12.04 atm.
EFFECT: invention enables to obtain a complex oxide of lutetium and iron LuFe2O4±δ with given value of oxygen index based on determination of stability interval relative to partial pressure of oxygen in gaseous medium during isothermal treatment.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технологии получения сложных оксидов, которые обладают свойствами материалов- мультиферроиков, проявляют магнитоэлектрический эффект, магнитокалорический эффект. Эти свойства обусловлены присутствием разновалентных катионов железа (Fe+2 и Fe+3) и дают возможность практического применения таких материалов в области многофункциональных устройств в информационных и энергосберегающих технологиях. Эти вещества обладают широкой областью гомогенности по кислороду, что дает возможность изменять их свойства в зависимости от содержания кислорода в структуре, поэтому особое внимание необходимо уделять качеству синтеза. Сложные оксиды типа RFe2CO4 (R - редкоземельный элемент) со смешанной валентностью катионов удается получить только при пониженных давлениях кислорода.The invention relates to a technology for the production of complex oxides that possess the properties of multiferroic materials, exhibit a magnetoelectric effect, magnetocaloric effect. These properties are due to the presence of multivalent iron cations (Fe + 2 and Fe +3 ) and enable the practical use of such materials in the field of multifunctional devices in information and energy-saving technologies. These substances have a wide range of homogeneity with respect to oxygen, which makes it possible to change their properties depending on the oxygen content in the structure; therefore, special attention must be paid to the quality of synthesis. Complex oxides of the type RFe 2 CO 4 (R is a rare-earth element) with a mixed valence of cations can be obtained only at low oxygen pressures.

Известен способ получения сложных оксидов металлов VB группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, в котором оксид металла VB группы, например V2O5, Nb2O5 или Ta2O5, перемешивают с оксалатом щелочного металла, например Na2C2O4. Смесь помещают в платиновый тигель и нагревают в печи в вакууме 10-2-10-3 мм рт.ст до 625-650°С в течение 8-9 ч., затем полученный продукт охлаждают вместе с печью. Результатом является получение однофазных сложных оксидов металлов VB группы различного состава, например Na0,83V2O5, Na0,7V2O5, Na2Nb8O21, Na2Ta4O11, с содержанием металла VB группы в различных степенях окисления, например соотношение V4+/V5+ составляет 0,319-0,326, Nb4+/Nb5+ - 0,01. (Патент РФ №2209769, МПК C01G 31/02, оп. 10.08.2003).A known method of producing complex metal oxides of the VB group of the periodic system of elements D.I. Mendeleev, in which the metal oxide of the VB group, for example V 2 O 5 , Nb 2 O 5 or Ta 2 O 5 , is mixed with alkali metal oxalate, for example Na 2 C 2 O 4 . The mixture is placed in a platinum crucible and heated in a furnace in a vacuum of 10 -2 -10 -3 mm Hg to 625-650 ° C for 8-9 hours, then the resulting product is cooled together with the furnace. The result is the production of single-phase complex metal oxides of the VB group of various compositions, for example, Na 0 , 83 V 2 O 5 , Na 0,7 V 2 O 5 , Na 2 Nb 8 O 21 , Na 2 Ta 4 O 11 , with a metal content of VB group in various degrees of oxidation, for example, the ratio of V 4+ / V 5+ is 0.319-0.326, Nb 4+ / Nb 5+ is 0.01. (RF patent No. 2209769, IPC C01G 31/02, op. 08/10/2003).

Недостатком способа является достаточно высокое давление кислорода при обжиге исходных компонентов и низкие температуры синтеза, при которых невозможно получение сложных оксидов железа и лантаноидов, например лютеция.The disadvantage of this method is the relatively high oxygen pressure during firing of the starting components and low synthesis temperatures at which it is impossible to obtain complex iron oxides and lanthanides, for example lutetium.

Наиболее распространенным способом получения соединений со смешанной валентностью катионов является синтез с использованием газовой смеси, пониженное давление в которой достигалось смешиванием СО2, СО и Н2, в определенных количествах.The most common way to obtain compounds with mixed valency of cations is the synthesis using a gas mixture, in which reduced pressure was achieved by mixing CO 2 , CO and H 2 in certain quantities.

Известен способ получения сложных оксидов RFe2O4 (R=Tm, Yb, Lu) твердофазным методом. Технология включает 2 этапа, вначале смешивают стехиометрические количества оксидов R2O3 и Fe2O3, прессуют и нагревают до температуры 1200°С на воздухе, в течение 12 ч. На следующем этапе образцы растирают, прессуют в таблетки и проводят обжиг в атмосфере СО/СО2 в соотношении 2/3, также в течение 12 ч. Результатом является получение однофазных сложных оксидов. (Blasco J., Lafuerza S., Garcia J., Subias G. Structural properties in RFe2O4 compounds (R=Tm, Yb, and Lu) // Physical Review B, 2014, V.90, 094119).A known method of producing complex oxides of RFe 2 O 4 (R = Tm, Yb, Lu) by the solid-phase method. The technology includes 2 stages, first stoichiometric amounts of oxides R 2 O 3 and Fe 2 O 3 are mixed, pressed and heated to a temperature of 1200 ° C in air for 12 hours. At the next stage, the samples are ground, pressed into tablets and calcined in the atmosphere CO / CO 2 in a ratio of 2/3, also within 12 hours. The result is the production of single-phase complex oxides. (Blasco J., Lafuerza S., Garcia J., Subias G. Structural properties in RFe 2 O 4 compounds (R = Tm, Yb, and Lu) // Physical Review B, 2014, V.90, 094119).

Недостатком способа для получения по указанным условиям сложного оксида лютеция и железа является высокая температура синтеза, многостадийность и длительность процесса, при невозможности контроля кислородной нестехиометрии получаемого сложного оксида.The disadvantage of the method for producing complex lutetium oxide and iron oxide under the indicated conditions is the high synthesis temperature, multi-stage process and the duration of the process, when it is impossible to control the oxygen non-stoichiometry of the obtained complex oxide.

Известен способ получения сложных оксидов LuFe2-xMnxO4+δ (х=0, 0.05, 0.12) методом химической гомогенизации из раствора. На предварительном этапе проводят подготовку порошковой смеси, заданного состава. Для этого обеззоленные бумажные фильтры пропитывают смесью растворов нитратов с необходимым соотношением катионов, высушивают и сжигают, остатки углерода удаляют отжигом при 600°С в течение 2 ч. на воздухе. Полученный порошок прессуют в таблетки, которые на первом этапе восстанавливают в запаянных кварцевых ампулах в присутствии геттера Fe/FeO при температуре 1000°С в течение 30 ч., затем на втором этапе окисляют с применением геттера FeO/Fe3O4 при температуре 1000°С в течение 30 ч. Примененный подход позволяет получать однофазные керамические образцы. (Гамзатов А.Г., Алиев A.M., Маркелова М.Н., Бурунова Н.А., Кауль А.Р., Семисалова А.С., Перов Н.С. Магнитные и магнитокалорические свойства мультиферроиков // Физика твердого тела. 2016. Т.58. Вып.6. с. 1107-1111).A known method of producing complex oxides of LuFe 2-x Mn x O 4 + δ (x = 0, 0.05, 0.12) by chemical homogenization from solution. At the preliminary stage, a powder mixture of a given composition is prepared. To do this, anesthetized paper filters are impregnated with a mixture of nitrate solutions with the necessary ratio of cations, dried and burned, the remaining carbon is removed by annealing at 600 ° C for 2 hours in air. The resulting powder is pressed into tablets, which are reduced in the first stage in sealed quartz ampoules in the presence of an Fe / FeO getter at a temperature of 1000 ° C for 30 hours, then in the second stage they are oxidized using an FeO / Fe 3 O 4 getter at a temperature of 1000 ° C for 30 hours. The approach used makes it possible to obtain single-phase ceramic samples. (Gamzatov A.G., Aliev AM, Markelova M.N., Burunova N.A., Kaul A.R., Semisalova A.S., Perov N.S. Magnetic and magnetocaloric properties of multiferroics // Solid State Physics. 2016.V.58. Issue 6.p. 1107-1111).

Недостатком способа для получения по указанным условиям феррита (сложного оксида) лютеция является многостадийность и длительность процесса, а также влияния промежуточной закалки образца между этапами синтеза на формирование требуемой кислородной нестехиометрии получаемого сложного оксида, низкая температура синтеза, невозможность контроля величины парциального давления кислорода в системе при термической обработке образца, за счет присутствия геттеров и как следствие отсутствие контроля формирования величины кислородной нестехиометрии не позволяют применять этот способ для получения сложного феррита лютеция.The disadvantage of the method for producing lutetium ferrite (complex oxide) under the specified conditions is the multi-stage process and the duration of the process, as well as the effect of the intermediate quenching of the sample between synthesis steps on the formation of the required oxygen non-stoichiometry of the obtained complex oxide, low synthesis temperature, and the inability to control the partial pressure of oxygen in the system at thermal treatment of the sample due to the presence of getters and, as a consequence, the lack of control over the formation of the oxygen non-technical value Iometrics do not allow the use of this method to obtain complex lutetium ferrite.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ получения поликристаллического сложного оксида феррита лютеция LuFe2O4 с помощью твердофазного метода. Для этого исходные компоненты в виде оксидов Lu2O3, Fe2O3 и металлического железа Fe в соотношении 0.485:0.815:0.37 (соответственно) смешивают и измельчают в агатовой ступке, затем прессуют. После этого образец помещают в герметичную ампулу из диоксида кремния, из которой удален воздух. Термообработку производят при температуре 1180°С в течение 12 ч. По рентгенографическим данным результатом способа является получение однофазного образца (Bourgeois J., Andre G., Petit S., Robert J., Poienar M., Rouquette J., Elkaim E., Hervieu M., Maignan A., Martin C, and Damay F. Evidence of magnetic phase separation in LuFe2O4 // Physical Review B. 2012. V.86. 024413(9)).The closest set of essential features is a method for producing a polycrystalline complex lutetium ferrite oxide LuFe 2 O 4 using the solid-phase method. For this, the initial components in the form of oxides Lu 2 O 3 , Fe 2 O 3 and metallic iron Fe in a ratio of 0.485: 0.815: 0.37 (respectively) are mixed and ground in an agate mortar, then pressed. After this, the sample is placed in a sealed ampoule of silicon dioxide, from which air is removed. Heat treatment is carried out at a temperature of 1180 ° C for 12 hours. According to x-ray data, the result of the method is to obtain a single-phase sample (Bourgeois J., Andre G., Petit S., Robert J., Poienar M., Rouquette J., Elkaim E., Hervieu M., Maignan A., Martin C, and Damay F. Evidence of magnetic phase separation in LuFe 2 O 4 // Physical Review B. 2012. V.86. 024413 (9)).

Недостатком способа для получения по указанным условиям сложного оксида лютеция и железа является достаточно высокая температура синтеза и невозможность контроля и регулирования парциального давления кислорода, для формирования требуемой кислородной нестехиометрии.The disadvantage of the method for producing complex lutetium oxide and iron oxide under the indicated conditions is a rather high synthesis temperature and the inability to control and regulate the partial oxygen pressure to form the required oxygen non-stoichiometry.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение качества получаемого материала феррита лютеция LuFe2O4±δ с заданным значением кислородного индекса на основе определения интервала его стабильности по отношению к парциальному давлению кислорода в газовой среде при изотермической обработке.The technical result of the proposed method is to improve the quality of the obtained material lutetium ferrite LuFe 2 O 4 ± δ with a given value of the oxygen index based on the determination of the interval of its stability with respect to the partial pressure of oxygen in the gas medium during isothermal treatment.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения сложного оксида лютеция и железа LuFe2O4±δ, включающем приготовление смеси из оксидов железа (III) и лютеция (III), обжиг полученной смеси в газовой среде, согласно изобретению исходные оксиды смешивают в отличном от стехиометрического соотношении Fe2O3:Lu2O3, составляющем 1,00:0,39 в отличном от стехиометрического соотношении Fe2O3:Lu2O3, составляющем 1,00:0,39, гомогенизируют растиранием в течение не менее 60 мин, а обжиг приготовленной смеси ведут при температуре 1090°С в газовой среде, восстановительные условия которой обеспечиваются использованием газовой смеси, состоящей из аргона и кислорода, при поддержании заданного значения давления кислорода в диапазоне Ро2=10-11,24÷10-12,04 атм.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for producing complex lutetium and iron oxide LuFe 2 O 4 ± δ , comprising preparing a mixture of iron (III) and lutetium (III) oxides, calcining the resulting mixture in a gas medium, according to the invention, the starting oxides are mixed in non-stoichiometric ratio of Fe 2 O 3 : Lu 2 O 3 of 1.00: 0.39; non-stoichiometric ratio of Fe 2 O 3 : Lu 2 O 3 of 1.00: 0.39, homogenized by grinding not less than 60 minutes, and firing the prepared mixture is carried out at a temperature of 1090 ° C in a gas medium, which reducing conditions are provided by using a gas mixture consisting of argon and oxygen, while maintaining a predetermined oxygen pressure value in the range Ro = 10 2 -11,24 ÷ 10- 12,04 atm.

Поскольку в пространственной структуре соединения LuFe2O4±δ разупорядоченно находятся разновалентные катионы железа, расположенные в анионных полиэдрах, при синтезе подобных соединений необходимо проводить термическую обработку при поддержании заданного значения парциального давления кислорода. Этот подход позволяет формировать определенное соотношение разновалентных катионов железа в соединении и как следствие, регулировать значение кислородной нестехиометрии. Значимым параметром для формирования соотношения разновалентных катионов является и температура термической обработки. Существенное понижение температуры обработки при поддержании определенного значения парциального давления кислорода в газовой смеси приводит к формированию ионов Fe3+ в материале и невозможности получения ионов Since the spatial structure of the LuFe 2 O 4 ± δ compound contains disordered iron cations located in anionic polyhedra, it is necessary to conduct heat treatment in the synthesis of such compounds while maintaining the specified value of the oxygen partial pressure. This approach allows one to form a certain ratio of multivalent iron cations in the compound and, as a result, to regulate the value of oxygen non-stoichiometry. A significant parameter for the formation of the ratio of heterovalent cations is the temperature of the heat treatment. A significant decrease in the processing temperature while maintaining a certain value of the partial pressure of oxygen in the gas mixture leads to the formation of Fe 3+ ions in the material and the impossibility of obtaining ions

Fe4+. Поэтому, выбор температуры синтеза обусловлен возможностью формирования необходимого соотношения разновалентных ионов железа в материале.Fe 4+ . Therefore, the choice of synthesis temperature is due to the possibility of forming the necessary ratio of multivalent iron ions in the material.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:The proposed method is as follows:

Просушенные исходные оксиды (III) железа и лютеция (III), взятые в следующей пропорции 1,00: 0,39 смешивали, и подвергали обжигу при температуре 1090°С в газовой среде, состоящей из инертного газа аргона и кислорода, при поддержании заданного значения давления кислорода в смеси. При использовании исходных компонентов в стехиометрическом соотношении (Fe2O3:Lu2O3=1,00:0,50) в конечном продукте синтеза присутствует незначительное количество оксида лютеция. Примененная нами корректировка состава шихты позволяет получить однофазный продукт LuFe2O4±δ.The dried starting iron (III) oxides of iron and lutetium (III), taken in the following proportion of 1.00: 0.39, were mixed and calcined at a temperature of 1090 ° C in a gas medium consisting of an inert gas of argon and oxygen, while maintaining the set value oxygen pressure in the mixture. When using the starting components in a stoichiometric ratio (Fe 2 O 3 : Lu 2 O 3 = 1.00: 0.50), a small amount of lutetium oxide is present in the final product of the synthesis. The composition of the charge used by us allows us to obtain a single-phase product LuFe 2 O 4 ± δ .

Заявленный способ испытан в лабораторных условиях.The claimed method is tested in laboratory conditions.

На первом этапе ставилась задача получения однородного по составу образца во всем объеме продукта. Навески исходных оксидов лютеция (III) и железа(III), взятых в указанной пропорции, тщательно смешивали и перетирали в агатовой ступке для гомогенизации состава смеси и достижения необходимой крупности частиц. Для определения требуемого размера частиц исходную смесь компонентов разделили на две партии, первую из которых перетирали 10 мин., вторую - 60 мин. Для измерения размеров частиц использовали метод динамического светорассеяния, для чего измеряется флуктуация светорассеяния частиц, находящихся в состоянии броуновского движения, которое приводит к уширению спектра рассеянной световой волны. Полуширина рассеянного спектра Г (постоянная затухания) пропорциональна коэффициенту диффузии:

Figure 00000001
At the first stage, the task was to obtain a sample homogeneous in composition in the entire volume of the product. Samples of the initial oxides of lutetium (III) and iron (III), taken in the indicated proportion, were thoroughly mixed and ground in an agate mortar to homogenize the composition of the mixture and achieve the required particle size. To determine the required particle size, the initial mixture of the components was divided into two batches, the first of which was triturated for 10 minutes, the second for 60 minutes. To measure the particle size, the dynamic light scattering method was used, for which the fluctuation of light scattering of particles in a state of Brownian motion is measured, which leads to a broadening of the spectrum of the scattered light wave. The half-width of the scattered spectrum G (damping constant) is proportional to the diffusion coefficient:
Figure 00000001

где D - коэффициент диффузии; q - величина вектора рассеяния (=4πnsin(θ/2)/λ, где n - коэффициент преломления среды; λ - длина волны падающего света; θ - угол светорассеяния). Коэффициент диффузии в монодисперсной системе связан с гидродинамическим радиусом частиц (R) уравнением Стокса-Эйнштейнаwhere D is the diffusion coefficient; q is the scattering vector (= 4πnsin (θ / 2) / λ, where n is the refractive index of the medium; λ is the wavelength of the incident light; θ is the light scattering angle). The diffusion coefficient in a monodisperse system is related to the hydrodynamic particle radius (R) by the Stokes-Einstein equation

Figure 00000002
Figure 00000002

где kB - константа Больцмана; η - вязкость растворителя; Т - температура. Одним из методов определения величины Г является вычисление автокорреляционной функции интенсивности рассеянного света g(1)(τ). Для монодисперсной среды g(1)(τ):where k B is the Boltzmann constant; η is the viscosity of the solvent; T is the temperature. One of the methods for determining the value of Г is to calculate the autocorrelation function of the intensity of the scattered light g (1) (τ). For a monodisperse medium g (1) (τ):

Figure 00000003
Figure 00000003

где В - это постоянная, зависящая от параметров прибора, таких как размер апертуры; а Г - постоянная затухания (полуширина рассеянного спектра). В случае броуновского движения смеси частиц (т.е. полидисперсного раствора) флуктуации интенсивности будут зависеть от коэффициентов диффузии частиц, и автокорреляционная функция будет представлять собой сумму (интеграл) экспоненциальных членов с различными постоянными затухания:where B is a constant depending on the parameters of the device, such as the size of the aperture; and G is the attenuation constant (half-width of the scattered spectrum). In the case of a Brownian motion of a mixture of particles (i.e., a polydisperse solution), the intensity fluctuations will depend on the diffusion coefficients of the particles, and the autocorrelation function will be the sum (integral) of exponential terms with different attenuation constants:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Ai - относительная интенсивность света, рассеянного частицами с постоянной затухания Гi⋅Гi, пропорциональна коэффициенту диффузии частиц определенного размера и зависит от относительного количества таких частиц.where A i is the relative intensity of light scattered by particles with an attenuation constant Г i ⋅ Г i , is proportional to the diffusion coefficient of particles of a certain size and depends on the relative number of such particles.

В ходе цикла измерения интенсивность рассеянного света регистрируется в виде последовательности данных о количестве световых импульсов за период отсчета Δτ. Затем вычисляется корреляционная функция. Для обработки автокорреляционной функции использовали два способа: метод кумулянтов и метод регуляризации. При использовании метода кумулянтов для определения коэффициентов Km логарифм g(1)(τ) аппроксимируется полиномом:During the measurement cycle, the intensity of the scattered light is recorded as a sequence of data on the number of light pulses for the reference period Δτ. Then the correlation function is calculated. Two methods were used to process the autocorrelation function: the cumulant method and the regularization method. When using the cumulant method to determine the coefficients K m, the logarithm g (1) (τ) is approximated by the polynomial:

Figure 00000005
Figure 00000005

Коэффициент первого порядка (или наклон ln(g(1)(τ)) представляет собой усредненную постоянную затухания <Г>, зная которую, с помощью уравнений (1) и (2) можно вычислить усредненный коэффициент диффузии и диаметр частиц.The first-order coefficient (or slope ln (g (1) (τ)) is the average attenuation constant <Г>, knowing which, using equations (1) and (2), we can calculate the average diffusion coefficient and particle diameter.

Коэффициент второго порядка, разделенный на квадрат <Г>, является показателем полидисперсности,

Figure 00000006
. Для монодисперсных образцов значение показателя полидисперсности, как правило, меньше 0.1. Для полидисперсных образцов его значение увеличивается. Определение вклада разных фракций в интенсивность рассеянного света и распределения частиц по размерам на основании установленной автокорреляционной функции проводилось методом NNLS (Non-NegativeLeastSquares) При использовании растирания в течение 10 мин. присутствуют достаточно крупные частицы исходных компонентов. Показатель полидисперсности образца после растирания в течение 60 мин. (фиг.1) увеличивается в 1,5 раза, что согласуется с появлением большего количества фракций, в т.ч. размеров частиц менее 200 нм. Это способствует лучшему компактированию образца. Из полученных после перетирания смесей обеих партий прессовали таблетки диаметром 10 мм на гидравлическом прессе при давлении 150 кПа/см2, которые подвергали обжигу в газовой среде, состоящей из аргона и кислорода, с контролируемым парциальным давлением кислорода при 1090°С в течение 19 часов. Выявлено, что увеличение полидисперсности частиц во второй партии облегчает спекание, поскольку мелкие частицы заполняют имеющиеся пустоты между более крупными частицами, а развитая поверхность предоставляет возможность лучшего контакта газовой и твердой фаз и обеспечивает однородность состава по объему спеченного продукта.The second-order coefficient divided by the square <G> is an indicator of polydispersity,
Figure 00000006
. For monodisperse samples, the value of the polydispersity index is usually less than 0.1. For polydisperse samples, its value increases. The contribution of different fractions to the scattered light intensity and particle size distribution was determined based on the established autocorrelation function using the NNLS (Non-NegativeLeastSquares) method using grinding for 10 min. sufficiently large particles of the starting components are present. The polydispersity index of the sample after grinding for 60 minutes (figure 1) increases by 1.5 times, which is consistent with the appearance of a larger number of fractions, incl. particle sizes less than 200 nm. This contributes to better compaction of the sample. From mixtures of both batches obtained after grinding, tablets of diameter 10 mm were pressed on a hydraulic press at a pressure of 150 kPa / cm 2 , which were fired in a gas medium consisting of argon and oxygen with a controlled partial pressure of oxygen at 1090 ° C for 19 hours. It was found that an increase in the polydispersity of particles in the second batch facilitates sintering, since small particles fill the voids between the larger particles, and the developed surface provides the opportunity for better contact between the gas and solid phases and ensures uniform composition over the volume of the sintered product.

Фазовый состав полученных образцов исследовался при помощи рентгенографического метода на дифрактометре Shimadzu XRD 7000С. На фиг. 2 приведена дифрактограмма образца номинального состава LuFe2O4±δ, полученного в газовой смеси Ar+O2 (Ро2=10-11.54 атм.) при температуре 1090°С, на которой отсутствуют рефлексы посторонних фаз, т.е. данное давление кислорода в газовой фазе позволяет получать оксид LuFe2O4±δ в гомогенном состоянии по всему объему, при этом δ=-0,009.The phase composition of the obtained samples was studied using the X-ray diffraction method on a Shimadzu XRD 7000C diffractometer. In FIG. Figure 2 shows the diffraction pattern of a sample of nominal composition LuFe 2 O 4 ± δ obtained in an Ar + O 2 gas mixture ( Ро 2 = 10 -11.54 atm.) At a temperature of 1090 ° С, on which there are no reflections of extraneous phases, i.e. This oxygen pressure in the gas phase allows one to obtain LuFe 2 O 4 ± δ oxide in a homogeneous state throughout the volume, with δ = -0.009.

При этом предел стабильности LuFe2O4±δ при температуре 1090°С по отношению к парциальному давлению кислорода ограничен значениями давлениями кислорода в интервале 1011,24>Ро2>10-12,04 атм. Дифрактограмма образца номинального состава LuFe2O4±δ, полученного в газовой смеси Ar+О2 при поддержании стабильного давления Ро2=10-11,24 атм. (фиг. 3), показывает, что наряду с рефлексами основной фазы LuFe2O4±δ присутствуют рефлексы окисленных фаз (Fe3O4 и LuFeO3), т.е. определено равновесие на высококислородной границе области гомогенности LuFe2O4±δ, при этом δ=+0,024. В образце, синтезированном при поддержании стабильного давления Ро2=10-12,04 атм. (фиг. 4) наряду с рефлексами основной фазы фиксируются рефлексы восстановленных фаз (FeO и Lu2O3), т.е. установлено равновесие на низкокислородной границе области гомогенности соединения LuFe2O4±δ, при этом δ=-0,084. Полученные экспериментальные данные позволяют зафиксировать граничные условия существования соединения LuFe2O4±δ, в условиях пониженного давления кислорода при фиксировании температуры термической обработки.Moreover, the stability limit of LuFe 2 O 4 ± δ at a temperature of 1090 ° C with respect to the partial pressure of oxygen is limited by the values of oxygen pressures in the range 10 11.24 > Po 2 > 10 -12.04 atm. X-ray diffraction pattern of a sample of nominal composition LuFe 2 O 4 ± δ obtained in an Ar + O 2 gas mixture while maintaining a stable pressure of Po 2 = 10 -11.24 atm. (Fig. 3), shows that along with the reflexes of the LuFe 2 O 4 ± δ main phase, reflexes of the oxidized phases (Fe 3 O 4 and LuFeO 3 ) are present, i.e. the equilibrium was determined at the high oxygen boundary of the LuFe 2 O 4 ± δ homogeneity region, with δ = + 0.024. In the sample synthesized while maintaining a stable pressure Po 2 = 10 -12.04 atm. (Fig. 4) along with the reflexes of the main phase, reflections of the reduced phases (FeO and Lu 2 O 3 ) are fixed, i.e. equilibrium was established at the low oxygen boundary of the homogeneity region of the LuFe 2 O 4 ± δ compound, with δ = -0.084. The obtained experimental data allow us to fix the boundary conditions for the existence of the LuFe 2 O 4 ± δ compound under conditions of reduced oxygen pressure with fixing the temperature of the heat treatment.

Claims (1)

Способ получения сложного оксида лютеция и железа LuFe2O4±δ, включающий приготовление смеси из оксидов железа (III) и лютеция (III), обжиг полученной смеси в газовой среде, отличающийся тем, что исходные оксиды смешивают в отличном от стехиометрического соотношении Fe2O3:Lu2O3, составляющем 1,00:0,39, гомогенизируют растиранием в течение не менее 60 мин, а обжиг приготовленной смеси ведут при температуре 1090°С в газовой среде, восстановительные условия которой обеспечиваются использованием газовой смеси, состоящей из аргона и кислорода, при поддержании заданного значения давления кислорода в диапазоне Po2=10-11,24÷10-12,04 атм.A method of producing a complex oxide of lutetium and iron LuFe 2 O 4 ± δ , comprising preparing a mixture of iron (III) and lutetium (III) oxides, calcining the resulting mixture in a gas medium, characterized in that the starting oxides are mixed in a Fe 2 different stoichiometric ratio O 3 : Lu 2 O 3 , comprising 1.00: 0.39, is homogenized by grinding for at least 60 minutes, and the prepared mixture is fired at a temperature of 1090 ° C in a gas medium, the reducing conditions of which are ensured by using a gas mixture consisting of argon and oxygen supported SRI predetermined oxygen pressure value Po in the range of 2 10 = -12.04 -11,24 ÷ 10 atm.
RU2018126732A 2018-07-19 2018-07-19 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ RU2698689C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126732A RU2698689C1 (en) 2018-07-19 2018-07-19 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126732A RU2698689C1 (en) 2018-07-19 2018-07-19 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2698689C1 true RU2698689C1 (en) 2019-08-28

Family

ID=67851626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018126732A RU2698689C1 (en) 2018-07-19 2018-07-19 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2698689C1 (en)

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
VIANA D.S. et al., Ferroic investigations in LuFe2O4 multiferroic ceramics, "J. Appl. Phys.", 2011, 110, 034108. *
YANG H X et al, Effect of oxygen stoichiometry in LuFe2O4-δ and its microstructure observed by aberration-corrected transmission electron microscopy, "J. Phys.: Condens. Matter", 2012, 24, 435901 (7pp). *
YANG H X et al, Effect of oxygen stoichiometry in LuFe2O4-δ and its microstructure observed by aberration-corrected transmission electron microscopy, "J. Phys.: Condens. Matter", 2012, 24, 435901 (7pp). VIANA D.S. et al., Ferroic investigations in LuFe2O4 multiferroic ceramics, "J. Appl. Phys.", 2011, 110, 034108. ZHANG Y. et al., Structure, charge ordering and physical properties of LuFe2O4, "Physical Review B", 2007, 76, 184105. *
ZHANG Y. et al., Structure, charge ordering and physical properties of LuFe2O4, "Physical Review B", 2007, 76, 184105. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bondioli et al. Reaction mechanism in alumina/chromia (Al2O3–Cr2O3) solid solutions obtained by coprecipitation
Hirsch et al. Structural, vibrational, and thermochemical properties of the monazite-type solid solution La1–xPrxPO4
Rettenwander et al. The solubility and site preference of Fe3+ in Li7− 3xFexLa3Zr2O12 garnets
Gupta et al. Revealing the oxidation number and local coordination of uranium in Nd2Zr2O7 pyrochlore: A photoluminescence study
Xia et al. Sol–gel synthesis, phase relationships, and oxygen permeation properties of Sr4Fe6− xCoxO13+ δ (0≤ x≤ 3)
Ancharova et al. Synthesis and staging of the phase formation for strontium ferrites in thermal and radiation-thermal reactions
Singh et al. Photoluminescence and EPR studies of Cr-doped hibonite (CaAl12O19) phosphors
Chen et al. Calcination temperature dependence of synthesis process and hydrogen sensing properties of In-doped CaZrO3
Mohapatra et al. An electron spin resonance and photoluminescence investigation of the effect of annealing temperature on Gd-doped La2Zr2O7 nano-ceramics
Hope et al. A neutron diffraction, magnetic susceptibility, and Moessbauer-effect study of the (manganese iron) oxide ((MnxFe1-x) yO) solid solutions
Ullah et al. Indexing the Diffraction Patterns and Investigating the Crystal Structure of Pb-doped Strontium Ferrites.
RU2698689C1 (en) METHOD OF PRODUCING COMPOSITE LUTETIUM AND IRON OXIDE LuFe2O4±δ
Panse et al. Preparation and luminescence properties of Tb3+ activated microcrystalline ZrO2 green emitting phosphor for solid state lighting
Sari et al. Effect of iron impurity on structural development in ball-milled ZrO2–3 mol% Y2O3
Николаев et al. Investigation of electrical properties homogeneity of Li-Ti-Zn ferrite ceramics
Rautio et al. Effect of synthesis method variables on particle size in the preparation of homogeneous doped nano ZnO material
Belman-Rodriguez et al. Synthesis and characterization of BGO with different chelating compounds by the polymeric precursor method, and their effect on luminescence properties
Li et al. A FTIR and Raman spectral study of the preparation of lead titanate (PbTiO3) by a sol-gel method
Stepanov et al. Luminescence performance of yttrium-stabilized zirconia ceramics doped with Eu3+ ions fabricated by Spark Plasma Sintering technique
Liu et al. Effect of sintering temperature on the microstructure and optical properties of Mn: CaF2 transparent ceramics
Bhandari et al. Nd3+-Y3Al5O12 system: Iso-valent substitution driven structural phase evolution and thermo-physical behavior
Gržeta et al. Environment of the Eu3+ ion within nanocrystalline Eu-doped BaAl2O4: correlation of x-ray diffraction, Mossbauer spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, and photoluminescence investigations
Salazar et al. The structural role and coordination environment of cobalt in 45P 2 O 5–CaO–Na 2 O phosphate glasses: thermal properties and Raman, UV–vis-NIR, and EPR spectroscopy
Mandal et al. Modifications of microstructure and pore morphology in lithium-orthosilicate pebbles, due to the addition of excess lithium
Dereń et al. Origin of Violet‐Blue Emission in Ti‐Doped Gahnite