WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE KOMPOZYTÓW EPOKSYDOWYCH NAPEŁNIONYCH PROSZKIEM FERRYTU STRONTU

Transkrypt

1 Józef STABIK 1), Agnieszka DYBOWSKA 1), Artur CHROBAK 2), Grzegorz HANECZOK 3) 1) Politechnika Śląska, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych 2) Uniwersytet Śląski, Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii, Instytut Fizyki, Zakład Fizyki Ciała Stałego 3) Uniwersytet Śląski, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Instytut Nauki o Materiałach, Zakład Materiałów Amorficznych i Nanokrystalicznych agnieszka.dybowska@polsl.pl WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE KOMPOZYTÓW EPOKSYDOWYCH NAPEŁNIONYCH PROSZKIEM FERRYTU STRONTU Streszczenie. W artykule przedstawiono technologię otrzymywania kompozytów polimerowych o osnowie epoksydowej napełnionych proszkiem ferromagnetycznym. Ponadto zaprezentowano wyniki badań właściwości magnetycznych wykonanych kompozytów polimerowych napełnionych różną zawartością izotropowego proszku ferrytu strontu. Z uzyskanych wykresów pętli histerezy odczytano wartości remanencji i koercji dla wytworzonych kompozytów. Na podstawie uzyskanych wyników określono wpływ zawartości napełniacza na właściwości magnetyczne. MAGNETIC PROPERTIES OF POLYMER COMPOSITES FILLED WITH STRONTIUM FERRITE POWDER Summary. The article presents a technology of preparing polymer composite materials based on epoxy resin and filled with ferromagnetic powders. In addition, there is presented results of magnetic properties, which were obtained for polymeric composites filled with different content of isotropic strontium ferrite powder. The remanence and coercive force values of produced polymeric magnetic composites were determined from magnetic hysteresis loops. On the basis of the results the influence of content of filler on magnetic properties was determined.

2 464 J. Stabik, A. Dybowska, A. Chrobak, G. Haneczok 1.WSTĘP Materiały kompozytowe ze względu na swoje duże możliwości modyfikacji znalazły szerokie zastosowanie w wielu różnych gałęziach współczesnej techniki. Stosowane są przy wytwarzaniu samochodów, samolotów, jachtów, sprzętu sportowego etc. W skład materiałów kompozytowych najczęściej wchodzą co najmniej dwie oddzielne fazy o różnych właściwościach wzajemnie ze sobą połączone. Różnorodność połączonych materiałów, osnowy i napełniacza, pozwala na zmiany właściwości mechanicznych, magnetycznych, elektrycznych i in. Zmianę właściwości można uzyskać poprzez zastosowanie różnych wielkości, rodzajów bądź kształtów napełniacza oraz poprzez użycie odpowiednich technologii wytwarzania materiałów kompozytowych. Osnowa kompozytów może być wykonana z materiałów metalowych (Metal Matrix Composites), ceramicznych (Ceramic Matrix Composites) lub materiałów polimerowych (Polymeric Matrix Composites). W przypadku materiałów polimerowych najczęściej jako materiał osnowy stosuje się materiały termoutwardzalne, chemoutwardzalne bądź termoplastyczne [1-3]. Interesującą odmianą kompozytów polimerowych są materiały magnetyczne nazywane magnesami wiązanymi. Remanencja tych magnesów zależy m.in. od ilości niemagnetycznego środka wiążącego, który stanowi niemagnetyczną fazę w objętości magnesu, ponadto makrocząsteczki polimeru oddzielają ziarna proszku magnetycznego zmniejszając wzajemne oddziaływania między nimi. W celu wytworzenia magnesów ferrytowych stosuje się metody metalurgii proszków. Ferrytyzacja stanowi pierwszy krok procesu uzyskania twardych związków SrFe 12 O 19 lub BaFe 12 O 19. Węglik strontu lub baru są mieszane z Fe 2 O 3, a następnie wygrzewane w temperaturze 1350C. Magnesy ferrytowe, których zaletą jest między innymi niski koszt surowców, znajdują szerokie zastosowanie najczęściej jako elementy silników, głośników, mikrofonów, czujników, urządzeń pomiarowych etc. Powstało wiele prac badawczych dotyczących rozmaitych właściwości materiałów kompozytowych uzyskanych w wyniku połączenia materiałów polimerowych z materiałami magnetycznymi [4-9]. Celem autorów była próba wykonania magnetycznych kompozytów polimerowych, posiadających różną zawartość napełniacza w postaci proszku ferromagnetycznego, ponadto określenie wpływu ilości wprowadzonego do kompozycji napełniacza na właściwości magnetyczne.

3 Właściwości magnetyczne kompozytów epoksydowych PRZEBIEG BADAŃ 2.1. Materiały do badań Do wykonania materiałów kompozytowych wykorzystano kompozycję chemoutwardzalną (osnowa), w skład której wchodziły: żywica epoksydową EP6011 oraz utwardzacz ET, wyprodukowane w przedsiębiorstwie Organika-Sarzyna w Nowej Sarzynie. Napełniaczem wprowadzonym do osnowy był ferromagnetyczny materiał w postaci proszku ferryt strontu SrFe 12 O 19 otrzymany od ZAM Trzebinia, Polska. Charakterystyki materiałów wykorzystanych do badań przedstawiono w tabelach 1-3. W celu realizacji badań przygotowano próbki o zawartości proszku magnetycznego: 15%obj., 25%obj. oraz 35%obj. SrFe 12 O 19. Maksymalną zawartość napełniacza dobrano tak, aby możliwe było odlewanie kompozycji w temperaturze otoczenia. Większe zawartości napełniacza ferromagnetycznego znacznie zwiększały lepkość kompozycji i pomimo dodania utwardzacza zmniejszającego lepkość, niemożliwe było dokładne wymieszanie kompozycji oraz odlanie uzyskanych mieszanin. Próbki do badań właściwości magnetycznych przygotowano metodą odlewania grawitacyjnego. Przed rozpoczęciem badań dokonano przeliczenia udziałów objętościowych na naważki poszczególnych składników kompozytów magnetycznych. Następnie odważono i/lub odmierzono ilości potrzebne do przygotowania mieszanek. Próbki przygotowano w następującej kolejności: do żywicy epoksydowej wsypano wcześniej odważoną ilość proszku ferromagnetycznego i dokładnie wymieszano, następnie wlano przygotowaną ilość utwardzacza ponownie mieszając całość. Badania próbek wykonano w temperaturze 300 K, w polu magnetycznym o natężeniu do 7 T, przy użyciu magnetometru SQUID (MPMS XL7 Quantum Design). Dla każdej próbki uzyskano wykres pętli histerezy, z której odczytano wartości remanencji i koercji. Dla natężenia pola magnetycznego H = 0 indukcja przyjmuje wartość B r zwaną pozostałością magnetyczną (remanencja), natomiast dla B = 0 otrzymano wartość koercji H c. Przykładowy wykres pętli histerezy, z zaznaczeniem odczytywanych wartości, przedstawiono na rysunku 1. Postać Tabela 1 Charakterystyka żywicy epoksydowej Epidian 6011 Temperatura wrzenia Ciecz jasnożółta >150 C Temperatura zapłonu 120 C Temperatura samozapłonu 460 C Gęstość w 20 C ok g/cm 3 Lepkość w 25 C mPas

4 466 J. Stabik, A. Dybowska, A. Chrobak, G. Haneczok Charakterystyka utwardzacza ET Postać Ciecz jasnożółta Temperatura wrzenia >100 C Temperatura zapłonu C Temperatura samozapłonu 360 C Gęstość w 20 C ok g/cm 3 Lepkość w 25 C - Tabela 2 Charakterystyka proszku ferrytu strontu Tabela 3 Wzór chemiczny SrFe 12 O 19 Postać proszek Fe 2 O 3 [mol], SrO [mol] Wilgotność % max 0.5 Gęstość (20ºC) [g/cm³] 4.9±0.2 Temperatura wrzenia [ºC] - Ciężar cząsteczkowy [g/mol] Zawartość składników [%] Rozpuszczalność Zapach Nierozp. w wodzie Bez zapachu Wielkość ziarna [µm] <100 Fe Sr Mn max 0.5 SrSO 4 max 1.0 SiO Rys.1. Pętla histerezy materiałów magnetycznych (B r remanencja, H c koercja) Fig.1. Hysteresis loop of magnetic materials (B r remanence, H c coercive force)

5 Właściwości magnetyczne kompozytów epoksydowych WYNIKI BADAŃ I ANALIZA Wyniki badań uzyskanych dla magnetycznych kompozytów epoksydowych zawierających 15%obj., 25%obj. oraz 35%obj. SrFe 12 O 19 przedstawiono w postaci pętli histerezy na rysunkach % vol. FS Magnetization [emu/g] H [A/m] Rys.2. Pętla histerezy dla magnetycznego kompozytu epoksydowego zawierającego 15%obj. proszku ferrytu strontu Fig.2. Hysteresis loop of epoxy magnetic composite filled with 15%vol. of strontium ferrite powder % vol. FS Magnetization [emu/g] H [A/m] Rys.3. Pętla histerezy dla magnetycznego kompozytu epoksydowego zawierającego 25%obj. proszku ferrytu strontu Fig.3. Hysteresis loop of epoxy magnetic composite filled with 25%vol. of strontium ferrite powder

6 468 J. Stabik, A. Dybowska, A. Chrobak, G. Haneczok % vol. FS Magnetization [emu/g] H [A/m] Rys.4. Pętla histerezy dla magnetycznego kompozytu epoksydowego zawierającego 35%obj. proszku ferrytu strontu Fig.4. Hysteresis loop of epoxy magnetic composite filled with 35%vol. of strontium ferrite powder Otrzymane z pętli histerezy wartości remanencji i koercji oraz zależność tych wartości od zawartości proszku ferrytu strontu, dla wytworzonych kompozytów polimerowych, przedstawiono na rysunku 5. Remanencja [emu/g] Koercja [ka/m] Remanencja 5,77 7,26 9,06 Koercja 37,80 36,11 35,49 34 Zawartość napełniacza [%] Rys.5. Zależność wartości remanencji oraz koercji od zawartości proszku ferrytu strontu Fig.5. Relationship between the remanence and coercive force values and the content of strontium ferrite powder

7 Właściwości magnetyczne kompozytów epoksydowych 469 Na podstawie uzyskanych wyników można zaobserwować, iż dodatek proszku ferromagnetycznego do kompozytu powoduje zwiększenie wartości remanencji. Zgodnie z przewidywaniami wzrost zawartości udziału materiału niemagnetycznego (żywicy epoksydowej) w magnesach wiązanych powoduje obniżenie remanencji. Wraz ze wzrostem zawartości proszku ferrytu strontu w magnetycznych kompozytach zaobserwowano bliski liniowemu wzrost remanencji. W przypadku wyników koercji występuje natomiast odmienna relacja, w wyniku polepszenia izolacji magnetycznej cząstek proszku (zwiększenie zawartości ferromagnetycznego napełniacza) wraz ze wzrostem zawartości żywicy następuje wzrost wartości koercji. Podobny wpływ zaobserwowano i opisano w literaturze dla zawartości proszku żelaza (Fe), proszku SrFe 12 O 19, proszku Fe 78 Si 9 B 13 [4, 7, 10-12]. Najwyższą wartości koercji wykazywały próbki zawierające 15%obj. SrFe 12 O [ka/m], najniższą wartość uzyskano dla 35%obj. SrFe 12 O [ka/m]. W przypadku remanencji, najwyższa wartość to 9.06 [emu/g] dla kompozytu zawierającego 35%obj. SrFe 12 O 19, a najniższa to 5.77 [emu/g] dla kompozytu zawierającego 15%obj. SrFe 12 O WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały, iż wartość napełniacza w kompozycie polimerowych ma wpływ na właściwości magnetyczne. Wartość remanencji rośnie się wraz ze wzrostem zawartości napełniacza w magnetycznych kompozytach epoksydowych. Odwrotną tendencję zaobserwowano w przypadku wyników koercji, które zmniejszają się wraz ze wzrostem zawartości ferromagnetycznego napełniacza. Najwyższą wartości remanencji wynosi 9.06 [emu/g] dla próbki zawierającej 35%obj. SrFe 12 O 19, najniższą wartość uzyskano dla 15%obj. SrFe 12 O [emu/g]. W przypadku koercji najwyższa wartość to [ka/m], a najniższa to [ka/m]. Uzyskane zależności związane są z udziałem materiału niemagnetycznego, powodującego rozdzielenie cząstek magnetycznych i ograniczenie ich wzajemnego, magnetycznej oddziaływania. Dodatkowo podczas wykonywania próbek zaobserwowano ograniczenia, dotyczące ilości wprowadzonego napełniacza, związane z zastosowaną metodą wytwarzania (odlewanie). Ograniczenie związane jest ze znacznym wzrostem lepkości kompozycji wraz ze zwiększającą się zawartością proszku ferromagnetycznego.

8 470 J. Stabik, A. Dybowska, A. Chrobak, G. Haneczok BIBLIOGRAFIA 1. Gruin I.: Materiały polimerowe, PWN, Warszawa, Boczkowska A.: Kompozyty, Politechnika Warszawska, Matthews F.L., Rawlings R.D.: Composite materials: engineering and science, Imperial College London, UK, Leonowicz M., Wysłocki J.J., Współczesne magnesy: technologie, mechanizmy koercji, zastosowania, WNT, Warszawa, Ding J., Miao W.F., McCormick P.G., Street R.: Journal of Alloys and Compounds, 1998, vol.281, issue 1, pp Stabik J., Wróbel G., Dybowska A., Pluszyński J., Szczepanik M., Suchoń Ł.: Indukcja magnetyczna kompozytów polimerowych napełnionych proszkami ferrytu strontu, Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne, Wisła 2010, s Lagorce L.K., Allen M.G.: Journal of Microelectromechanical Systems, 1997, vol.6, no.4, pp Drak M., Dobrzański L.A.: Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2007, vol.24, issue 2, pp Nowosielski R., Babilas R., Dercz G., Pająk L.: Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2006, vol.17, issue1-2, pp Janta T.: Kompozyty, 2004, nr 4, s Kaszuwara W.: Kompozyty, 2003, nr 3, s Nowosielski R., Wysłocki J.J., Wnuk I., Sakiewicz P., Gramatyka P.: Journal of Materials Processing Technology, 2005, no , pp