Příprava a popis vlastností práškového materiálu na bázi Fe-ZrO₂

P. Roupcová ^1,2, O. Schneeweiss ¹ a P. Bezdička ³

¹ Ústav fyziky materiálů AV ČR, Žižkova 22, 616 62 Brno, Česká Republika

² Ústav materiálového inženýrství, FSI, VUT v Brně, Technická 2, 616 69 Brno

³ Ústav anorganické chemie AV ČR, 250 68 Řež u Prahy

Práškový materiál na bázi Fe-ZrO₂ byl připraven redukcí oxidu železa v matrici kubického ZrO₂ stabilizovaného Y₂O₃. Takto připravený materiál se skládá z částic α-Fe nebo Fe₃O₄ a matrice tvořené jednou z fází monoklinického, tetragonálního nebo kubického ZrO₂ nebo jejich směsí.

Důvodem přípravy a sledování vlastností tohoto materiálu jsou předchozí dobré zkušenosti s materiálem syntetizovaným pomocí elektrojiskrové eroze. Kromě příznivé velikosti a tvaru částic, jsme u takto připraveného prášku pozorovali schopnost ukládat vodík a ochránit železo uložené v matrici ZrO₂ proti oxidaci.

Pro studium fázového složení tohoto materiálu bylo použito rentgenové práškové difrakce a Mössbauerovy spektroskopie v transmisním uspořádání. Magnetické vlastnosti a izotermická krystalizace byly měřeny pomocí vibračního magnetometru. To bylo prováděno za teplot 293÷1093K ve vakuu (~10^-1 Pa) a v čistém vodíku (5N). Měření izotermické transformace bylo provedeno u homogenizovaného vzorku ve vodíku za teplot blízkých Curiově teplotě Fe₃O₄ (580°C). Důvodem sledování izotermické transformace je snaha určit její aktivační energii a posoudit existenci Hedvallova jevu (Tj. anomální chování teplotně aktivovaných procesů v magnetickém poli v blízkosti tranzitní teploty).

Připravený vzorek po homogenizaci je složen ze 75% kubického ZrO₂ a 25% oxidů železa (Fe₃O₄ a Fe₂O₃). Termomagnetická křivka homogenizace vzorku ukazuje při chladnutí magnetickou transformaci fáze Fe₃O₄. Z termomagnetických křivek vzorků žíhaných ve vodíku je patrná transformace všech typů oxidů železa na α-Fe. Na Mössbauerových spektrech vzorků žíhaných ve vodíku je obsah α-Fe průměrně ~ 93 %. Zbytek tvoří paramagnetické složky obsahující Fe³⁺ (IS = 0,35 a 0,47 mm/s, QS = 0,3-0,6 mm/s) a Fe²⁺ (IS = 1,2 mm/s) rozpuštěné v matrici kubického nebo tetragonálního ZrO₂. Přítomnost α-Fe, kubického a tetragonálního ZrO₂ byla potvrzena práškovou difrakcí. Transformace stabilizovaného kubického ZrO₂ na tetragonální a monoklinický je úměrná teplotě, době žíhání a množství stabilizátoru. Nárůst a velikost nově vzniklých fází koherentních oblastí během opakovaného ohřevu do 800°C v různých atmosférách, určených pomocí RTG, byl pozorován z 30 nm na 70÷160 nm.

Pro izotermickou transformaci byly zvoleny teploty nad a pod teplotou magnetické transformace (580, 600 a 620°C) a (500, 520 a 540°C). Křivky nad transformační teplotou mají hladký S-tvar typický pro difúzní děje. Lze z nich snadno určit okamžik počátku i konce transformace a celkovou dobu trvání i rychlost transformace. Oproti tomu se do tvaru S-křivky pod Curiovou teplotou promítají dva další faktory: redukce Fe₃O₄ a Fe₂O₃ na paramagnetický FeO a prudký pokles magnetického momentu v důsledku vyrovnávání teplot v celém objemu vzorku způsobený regulací topného tělesa magnetometru. Z těchto křivek je možné pouze přibližně odhadnout začátek a konec transformace a její celkovou dobu.

Poděkování:

Tato práce vznikla za podpory výzkumného záměru AV0Z20410507.