vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8331-2024-60-4-271-280vestich-913Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯPHYSICAL CHEMISTRYЗоль-гель синтез, структура и магнитные свойства алюмоферрита бария для использования в составе магнитореологических жидкостейSol-gel synthesis, structure and magnetic properties of barium aluminoferrite for use in magnetorheological fluidsГайдукЮ. С.HaidukYu. S.

Гайдук Юлиан Станиславович ‒ кандидат химических наук, заведующий лабораторией

ул. Ленинградская, 14, 220030

Haiduk Yulyan S. ‒ Ph. D. (Chemistry), Head of the Laboratory

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk

j_hajduk@list.ruКоробкоЕ. В.KorobkoE. V.

Коробко Евгения Викторовна – доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Korobko Evgenia V. ‒ D. Sc. (Engineering), Head of the Laboratory

15, Brovko Str., 220072, Minsk

evkorobko@gmail.comГолодокР. П.GolodokR. P.

Голодок Роберт Петрович ‒ научный сотрудник

ул. Ленинградская, 14, 220030

Golodok Robert P. ‒ Researher

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk

robertgolodok@mail.ruУсенкоА. Е.UsenkaA. E.

Усенко Александра Евгеньевна ‒ кандидат химических наук, заведующий кафедрой

ул. Ленинградская, 14, 220030

Usenka Alexandra E. ‒  Ph. D. (Chemistry), Head of the Department

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk

usenka@bsu.byПаньковВ. В.PankovV. V.

Паньков Владимир Васильевич ‒ доктор химических наук, профессор, профессор кафедры

ул. Ленинградская, 14, 220030

Pankov Vladinir V. ‒ D. Sc. (Chemistry), Professor, Professor of the Department

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk

pankov@bsu.byБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук БеларусиA.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute, National Academy of Sciences of Belarus202430112024604271280Copyright © Гайдук Ю.С., Коробко Е.В., Голодок Р.П., Усенко А.Е., Паньков В.В., 20242024Гайдук Ю.С., Коробко Е.В., Голодок Р.П., Усенко А.Е., Паньков В.В.Haiduk Y.S., Korobko E.V., Golodok R.P., Usenka A.E., Pankov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/913

Перспективным направлением применения микро- и наноразмерных магнитных частиц является создание магнитореологических материалов, в которых такие частицы являются компонентом комплексной дисперсной фазы. Наибольшую роль играет высокое значение напряжения сдвига в суспензиях на основе магнитных частиц при приложении магнитного поля, а также низкое значение коэрцитивной силы. Целью работы являлось изучение структуры, морфологии, магнитных свойств алюмоферрита бария и оценка его эффективности в магнитном поле (по реологическим свойствам магнитореологической жидкости, изготовленной с его использованием). Цитратным золь-гель методом синтезирован алюмоферрит бария BaAl2Fe10O19 гексагональной структуры. С использованием методов рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии, магнетометрии исследованы его структурные и микроструктурные особенности, магнитные свойства. Порошок обладал максимальной удельной намагниченностью M = 20,4 А × м2/кг и коэрцитивной силой Hc = 4,8 kOe (при 300 К). Высокое значение напряжения сдвига суспензии (3,5 кПа) при сравнительно невысокой индукции магнитного поля (625мТл) позволяют считать полученный материал перспективным для использования в качестве дополнительного функционального наполнителя для магнитореологических жидкостей.

A promising area of application of micro- and nanosized magnetic particles is the creation of magnetorheological materials in which such particles are a component of a complex dispersed phase. Of greatest importance is the high shear stress in suspensions based on magnetic particles when a magnetic field is applied, as well as low value of the coercive force. The aim of the work was to study the structure, morphology, and magnetic properties of barium aluminoferrite powders, and to evaluate their effectiveness in magnetic fields by the rheological properties of magnetorheological fluids fabricated using them. Barium aluminoferrite BaAl2Fe10O19 of hexagonal structure was synthesized by the citrate sol-gel method. Using the methods of X-ray phase analysis, scanning electron microscopy, IR spectroscopy, magnetometry, its structural and microstructural features, and magnetic properties were studied. The powder had a maximum specific magnetization M = 20.4 A × m2/kg and a coercive force Hc = 4.8 kOe (at 300 K). The high shear stress (3.5 kPa) at a relatively low magnetic field induction (625 mT) makes it possible to consider the resulting material as promising for use as an additional functional filler for magnetorheological fluids.

феррит бариямагнитореологические жидкостимагнитные жидкостиbarium ferritemagnetorheological fluidsmagnetic fluidsReferencesKhan, S. A. Principles, Characteristics and Applications of Magneto Rheological Fluid Damper in Flow and Shear Mode / S. A. Khan, A. Suresh, N. SeethaRamaiah // Procedia Materials Sci. ‒ 2014. ‒ Vol. 6. ‒ P. 1547–1556. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.136Khan, S.A., Suresh, A., Seetha Ramaiah, N. Principles, Characteristics and Applications of Magneto Rheological Fluid Damper in Flow and Shear Mode. Procedia Materials Science, 2014, vol. 6, pp. 1547–1556. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.136Kordonski, W. I. Magnetorheological Jet (MR Jet[sup TM]) Finishing Technology / W. I. Kordonski, A. B. Shorey, M. Tricard // J. Fluids Eng. ‒ 2006. ‒ Vol. 128, iss. 1. ‒ P. 20. https://doi.org/10.1115/1.2140802Kordonski W. I., Shorey A. B., Tricard M. Magnetorheological Jet (MR Jet[sup TM]) Finishing Technology. Journal of Fluids Engineering, 2006, vol. 128, iss. 1, pp. 20. https://doi.org/10.1115/1.2140802Магнитореологические жидкости: технологии создания и применение: монография / Е. С. Беляев [и др.]; под ред. А. С. Плехова. – Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева, 2017. – 94 с.Belyaev E. S., Ermolaev A. I., Titov E. Yu., Tumakov S. F. Magnetorheological fluids: technologies of creation and application. Ed. by A. S. Plekhov, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev, 2017. 94 p. (in Russian).Magnetic fluid hyperthermia (MFH): cancer treatment with AC magnetic fluid induced excitation of biocompatible supeparamagnetic nanoparticles / A. Jordan [et al.] // J. Magn. Magn. Mater. – 1999. – Vol. 201, iss. 1‒3. – P. 413‒419. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(99)00088-8Jordan A., Scholz R., Wust P., Fak H. Magnetic fluid hyperthermia (MFH): cancer treatment with AC magnetic fluid induced excitation of biocompatible supeparamagnetic nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1999, vol. 201, iss. 1‒3, pp. 413‒419. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(99)00088-8Marie, H. Magnetic-fluid-loaded liposomes for MR imaging and therapy of cancer / H. Marie, V. Plassat, S. Lesier // J. Drug Deliv. Sci. Technol. – 2013. – Vol. 23, № 1. – P. 25‒37. https://doi.org/10.1016/S1773-2247(13)50004-9Marie H., Plassat V., Lesier S. Magnetic-fluid-loaded liposomes for MR imaging and therapy of cancer. Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2013, vol. 23, no. 1, pp. 25‒37. https://doi.org/10.1016/S1773-2247(13)50004-9Нанодисперсные наполнители на основе оксида железа для комплексной дисперсной фазы магнитоуправляемых гидравлических жидкостей / Е. В. Коробко [и др.] // Наноструктуры в конденсированных средах: сб. науч. ст. ‒ Минск: Ин-т тепло- и массобмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2018. ‒ С. 182‒188.Korobko E. V., Pankov V. V., Kotikov D. A., Novikova Z. A., Novik E. S. Nanodispersed fillers based on iron oxide for the complex dispersed phase of magnetically controlled hydraulic fluids. Nanostruktury v kondensirovannykh sredakh: sb. nauch. st. [Nanostructures in condensed media. Collection of scientific articles]. Minsk, A. V. Luikov Institute of Heat and Mass Transfer of the NAS of Belarus, 2018, pp. 182‒188 (in Russian).The size induced effect on rheological properties of Co-ferrite based ferrofluid / M. Chand [et al.] // J. Non-Cryst. Solids. – 2013. – Vol. 361. – P. 38‒42. https://doi.org/10.1016/J.JNONCRYSOL.2012.10.003Chand M., Kumar S., Shankar A., Porwal R. The size induced effect on rheological properties of Co-ferrite based ferrofluid. Journal of Non-Crystalline Solids, 2013, vol. 361, pp. 38‒42. https://doi.org/10.1016/J.JNONCRYSOL.2012.10.003Synthesis and characterization of cobalt-zinc ferrite nanoparticles coated with DMSA / S. Manouchehri, Z. Ghasemian, D. ShahbaziGahrouei, M. Abdolah // Chem Xpress. ‒ 2013. ‒ Vol. 2, iss. 3. ‒ P. 147–152.Manouchehri S., Ghasemian Z., Shahbazi-Gahrouei D., Abdolah M. Synthesis and characterization of cobalt-zinc ferrite nanoparticles coated with DMSA. Chem Xpress, 2013, vol. 2, iss. 3, pp. 147–152.Study of magnetic and structural properties of ferrofluids based on Cobalt-Zinc ferrite nanoparticles / J. López [et al.] // Bull. Am. Phys. Soc. ‒ 2012. ‒ Vol. 324, iss. 4. ‒ P. 394‒402. https://doi.org/10.1016/J.JMMM.2011.07.040Lopez J., Gonzalez-Bahamon L. F., Prado J., Caicedo J. C. Study of magnetic and structural properties of ferrofluids based on Cobalt-Zinc ferrite nanoparticles. Bulletin of the American Physical Society, 2012, vol. 324, iss. 4, pp. 394‒402. https://doi.org/10.1016/J.JMMM.2011.07.040Effect of Zn Substitution on the Magnetic Properties of Cobalt Ferrite Nano Particles Prepared Via Sol-Gel Route / S. Singhal [et al.] // JEMAA. ‒ 2010. ‒ Vol. 2, iss. 6. ‒ P. 376–381. http://doi.org/10.4236/jemaa.2010.26049Singhal S., Namgyal T., Bansal S., Chandra K. Effect of Zn Substitution on the Magnetic Properties of Cobalt Ferrite Nano Particles Prepared Via Sol-Gel Route. Journal of Electromagnetic Analysis and Applications, 2010, vol. 2, iss. 6, pp. 376–381. http://doi.org/10.4236/jemaa.2010.26049Cobalt Ferrite Nanocrystallites for Sustainable Hydrogen Production Application / S. G. Rajendra [et al.] // Int. J. Electrochem. ‒ 2011. ‒ Iss. 1. – Article ID 729141. https://doi.org/10.4061/2011/729141Rajendra S. G., Chae S. Y., Mane R. S., Han S.-H. Cobalt Ferrite Nanocrystallites for Sustainable Hydrogen Production Application. Journal of Electrochemistry, 2011, iss. 1, art. ID 729141. https://doi.org/10.4061/2011/729141Chandrashekhar, A. Cobalt Ferrite Nanocrystallites for Sustainable Hydrogen Production Application / A. Chandrashekhar, V. Ladole // Int. J. Chem. Sci. ‒ 2012. ‒ Vol. 10, iss. 3. ‒ P. 1230–1234. https://doi.org/10.4061/2011/729141Chandrashekhar A., Ladole V. Cobalt Ferrite Nanocrystallites for Sustainable Hydrogen Production Application. International Journal of Chemical Science, 2012, vol. 10, iss. 3, pp. 1230‒1234. https://doi.org/10.4061/2011/729141Effect of Zn addition on structural, magnetic properties, antistructural modeling of Co1−xZnxFe2O4 nano ferrite / S. Raghuvanshi [et al.] // AIP Conference Proceedings. ‒ 2018. ‒ Vol. 1953, iss. 1. – Article ID 030055. https://doi.org/10.1063/1.5032390Raghuvanshi S., Kane S. N., Tatarchuk T. R., Mazaleyrat F. Effect of Zn addition on structural, magnetic properties, antistructural modeling of Co1−xZnxFe2O4 nano ferrite. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 1953, iss. 1, art. ID 030055. https://doi.org/10.1063/1.5032390Получение и характеризация ферритов кобальта и кобальта-цинка для магнитореологических материалов / Ю. С. Гайдук [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. ‒ 2022. ‒ Т. 24, № 1. ‒ С. 19‒28. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/0000Haiduk Yu. S., Korobko E. V., Kotikov D. A., Svito I. A., Usenka A. E., Pankov V. V. Preparation and characterization of cobalt and cobalt-zinc ferrites for magnetorheological materials. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases, 2022, vol. 24, no. 1, pp. 19–28 (in Russian). https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9051Sawadzky, G. A. Cation Distributions in Octahedral and Tetrahedral Sites of the Ferrimagnetic Spinel CoFe2O4 / G. A. Sawadzky, F. Van der Woude, A. H. Morrish // J. Appl. Phys. ‒ 1968. ‒ Vol. 39, iss. 2. ‒ P. 1204–1206. https://doi.org/10.1063/1.1656224Sawadzky G. A., Van der Woude F., Morrish A. H. Cation Distributions in Octahedral and Tetrahedral Sites of the Ferrimagnetic Spinel CoFe2O4. Journal of Applied Physics, 1968, vol. 39, iss. 2, pp. 1204–1206. https://doi.org/10.1063/1.1656224Синтез, структура и магнитные свойства кобальт-цинкового наноферрита для магнитореологических жидкостей / Ю. С. Гайдук [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. ‒ 2020. ‒ Т. 22, № 2. ‒ С. 28–38. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2526Haiduk, Yu.S., Korobko E. V., Sheutsova K. A., Kotsikau D. A., Svito I. A., Usenka A. E., Ivashenka D. U., Fahmi A., Pankov V. V. Synthesis, structure and magnetic properties of cobalt-zinc nanoferrite for magnetorheological fluids. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases, 2020, vol. 22, no. 2, pp. 28–38 (in Russian). https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2526Fabrication and absorbing property of microwave absorbes based on BaAl2Fe10O19 and poly(o toluidine) / Ch. Keyu [et al.] // Synth. Met. – 2011. – Vol. 161, iss. 21‒22. – P. 2192‒2198. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2011.07.019Keyu Chen, Liangchao Li, Guoxiu Tong, Ru Qiao. Fabrication and absorbing property of microwave absorbes based on BaAl2Fe10O19 and poly(o toluidine). Synthetic Metals, 2011, vol. 161, iss. 21‒22, pp. 2192‒2198. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2011.07.019Изучение влияния замещения алюминием на электрические свойства гексаферрита бария [Электронный ресурс] / А. Ю. Стариков [и др.] // Вестн. СМУС74. ‒ 2018. ‒ Т. 1, № 3. ‒ С. 67‒69. – Режим доступа: https://smus74.ru/content/vypusk-3-22-2018Starikov, A. Yu., Sherstyuk D. P., Sander E. E., Zhivulin V. E., Vinnik D. A. Study of the effect of aluminum substitution on the electrical properties of barium hexaferrite. Vestnik Soveta molodykh uchenykh i spetsialistov Chelyabinskoi oblasti – Vestnik SMUS74 [Bulletin of the Council of Young Scientists and Specialists of the Chelyabinsk Region], 2018, vol. 1, no. 3, pp. 67‒69 (in Russian). https://smus74.ru/content/vypusk-3-22-2018.Золь-гель синтез нанодисперсных тверды растворов на основе гексаферрита бария состава SrxBa(1–x)Fe12O19 / А. И. Ковалёв [и др.] // Вестн. Южно-Урал. гос. ун-та. Сер.: Химия. ‒ 2023. ‒ Т. 15, № 1. ‒ С. 131‒137.Kovalyov A. I., Vinnik D. A., Zherebcov D. A., Belaya E. A. Sol-gel synthesis of nanodispersed solid solutions based on barium hexaferrite of composition SrxBa(1–x)Fe12O19. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo Gosudarstvennogo universiteta. Seriya “Khimiya” = Bulletin of the South Ural State University. Series: Chemistry, 2023, vol. 15, no. 1, pp. 131‒137 (in Russian).Pullar, R. C. Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics / R. C. Pullar // Prog. Mater. Sci. ‒ 2012. ‒ Vol. 57, iss. 7. ‒ P. 1191‒1334. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2012.04.001Pullar R. C. Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics. Progress in Materials Science, 2012, vol. 57, iss, 7, pp. 1191‒1334. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2012.04.001Nikmanesh, H. Study of the structural, magnetic, and microwave absorption properties of the simultaneous substitution of several cations in the barium hexaferrite structure / H. Nikmanesh, S. Hoghoghifard, B. Hadi-Sichami // J. Alloys Compd. ‒ 2019. ‒ Vol. 775. ‒ P. 1101‒1108. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.051Nikmanesh H., Hoghoghifard S., Hadi-Sichami B. Study of the structural, magnetic, and microwave absorption properties of the simultaneous substitution of several cations in the barium hexaferrite structure. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 775, pp. 1101‒1108. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.051Синтез наноразмерных кобальт-цинковых ферритов методом низкотемпературного распыления с последующим термолизом / Е. Г. Петрова [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. хім. навук. – 2018. – Т. 54, № 4. – С. 406–412. https://doi.org/10.29235/15618331-2018-54-4-406-412Petrova E. G., Shavshukova Ya. A., Kotsikau D. A., Laznev К. V., Pankov V. V. Synthesis of nano-dimensionalcobalt-zinc ferrites by the low-temperature spray-drying with subsequent thermolysis. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya khimichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Chemical series, 2018, vol. 54, no. 4, pp. 406–412 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8331-2018-54-4-406-412Electrical and Dielectric Properties of Y3+-Substituted Barium Hexaferrites / I. A. Auwal [et al.] // J. Supercond. Nov. Madn. ‒ 2017. ‒ Vol. 30, iss. 7. ‒ P. 1813–1826. https://doi.org/10.1007/s10948-017-3978-8Auwal I. A., Ünal B., Baykal A., Kurtan U., Amir M. D., Yildiz A., Sertkol M. Electrical and Dielectric Properties of Y3+-Substituted Barium Hexaferrites. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 2017, vol. 30, iss. 7, pp. 1813–1826. https://doi.org/10.1007/s10948-017-3978-8Synthesis and characterization of poly(1-vinyl-1,2,4-triazole) (PVTri)–barium hexaferrite nanocomposite / Z. Durmus [et al.] // Physica B. ‒ 2011. ‒ Vol. 406, iss. 11. ‒ P. 2298–2302. https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.03.063Durmus Z., Unal B., Toprak M. S., Aslan A., Baykal A. Synthesis and characterization of poly(1-vinyl-1,2,4-triazole) (PVTri)-barium hexaferrite nanocomposite. Physica B, Condensed Matter, 2011, vol. 406, iss. 11, pp. 2298–2302. https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.03.063Phase evolution and temperature dependent magnetic properties of nanocrystalline barium hexaferrite / M. G. Shalini [et al.] // J. Mater. Sci. – Mate. Electron. ‒ 2019. – Vol. 30. – P. 13647–13654. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01734-xShalini M. G., Subha A., Sahu B., Sahoo S. C. Phase evolution and temperature dependent magnetic properties of nanocrystalline barium hexaferrite. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019, vol. 30, pp. 13647–13654. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01734-xMicrowave Absorption Properties of BaFe12O19 Prepared in Different Temperature with Polyaniline Nanocomposites / W. J. Feng [et al.] // Adv. Mater. Res. ‒ 2017. ‒ Vol. 1142. – P. 211–215. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.1142.211Feng W. J., Zhao X., Zheng W. Q., Gang J. T., Cao Y., Yang, H. Microwave Absorption Properties of BaFe12O19 Prepared in Different Temperature with Polyaniline Nanocomposites. Advanced Materials Research, 2017, vol. 1142, pp. 211–215. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.1142.211Структура и магнитные свойства гексагонального феррита бария / К. В. Чернякова [и др.] // Вестн. БГУ. Сер. 2, Химия. Биология. География. ‒ 2008. ‒ № 1. ‒ С. 9‒13.Chernyakova K. V., Pankov V. V., Ivanovskaya M. I., Lomonosov V. A. Structure and magnetic properties of hexagonal barium ferrite. Vestnik Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 2, Khimiya. Biologiya. Geografiya = Bulletin of the Belarusian State University. Series 2. Chemistry, biology, geography, 2008, no. 1, pp. 9‒13 (in Russian).Zahari, M. H. Structural and magnetic properties of hexagonal barium ferrite synthesized through the sol-gel combustion route / M. H. Zahari, B. H. Guan, L. K. Chuan // AIP Conference Proceedings. ‒ 2016. ‒ Vol. 1787, iss. 1. ‒ P. 1‒6. https://doi.org/10.1063/1.4968136Zahari M. H., Guan B. H., Chuan L. K. Structural and magnetic properties of hexagonal barium ferrite synthesized through the sol-gel combustion route. AIP Conference Proceedings, 2016, vol. 1787, iss. 1, pp. 1‒6. https://doi.org/10.1063/1.4968136

The authors declare that there are no conflicts of interest present.