Synthèse sol-gel à pH contrôlé de ferrite de strontium nanocristalline pour aimants permanents basse température

Résumé

Une ferrite de strontium nanocristalline (SrFe₁₂O₁₉) a été synthétisée par une voie sol-gel à auto-combustion avec l'acide citrique comme agent chélatant. Le pH du précurseur a été varié de 0 à 8 et les poudres calcinées à basse température (900 °C). Les propriétés structurales, microstructurales et magnétiques ont été évaluées par DRX, MEB-FEG et VSM. Le précurseur le plus acide (pH 0) a produit un produit monophasé avec la densité la plus élevée, la taille de grain (≈73 nm), l'aimantation à saturation (44,2 emu g⁻¹) et la coercivité (6,4 kOe). Une légère augmentation du pH a favorisé la formation d'impuretés Fe₂O₃ à pH 8 et réduit les performances magnétiques. Les résultats démontrent que le contrôle du pH est un outil puissant pour adapter les propriétés de SrFe₁₂O₁₉ à des températures compatibles avec la co-cuisson d'aimants permanents céramiques.

Points forts

• Synthèse sol-gel auto-combustion de nanoparticules SrFe₁₂O₁₉.
• Ferrite monophasée obtenue à 900 °C pour pH ≤ 7.
• Paramètres magnétiques optimaux (Ms = 44,2 emu g⁻¹, Hc = 6,4 kOe) atteints à pH 0.

Contexte

L'hexaferrite de strontium (SrFe₁₂O₁₉) est prisée pour sa coercivité élevée, sa résistivité électrique et sa résistance à la corrosion, en faisant un matériau clé pour dispositifs micro-ondes, supports d'enregistrement haute densité et aimants permanents. La synthèse solide conventionnelle nécessite des températures élevées (~1300 °C) et donne souvent des particules grosses et polydisperses. La méthode sol-gel offre une voie basse température (≤ 900 °C) produisant des poudres nanocristallines homogènes avec stoichiométrie et taille contrôlables. L'acidité du précurseur influence fortement la polymérisation métal-oxyde et, par conséquent, la cristallinité et la performance magnétique de la ferrite finale. Cette étude explore l'impact du pH du précurseur sur la structure, la microstructure et le magnétisme de SrFe₁₂O₁₉ préparé par un procédé sol-gel à base d'acide citrique.

Méthodes

Synthèse

Sr(NO₃)₂ (98 %) et Fe(NO₃)₃ (99 %) ont été dissous dans 100 mL d'eau déionisée à 60 °C sous agitation (250 tr/min). L'acide citrique (C/N = 0,75) a été ajouté et la température portée à 80 °C. De l'ammoniaque (NH₄OH) a été introduit pour ajuster le pH de 0 à 8. Le mélange a été agité à 90 °C jusqu'à formation d'un gel vert, puis chauffé à 200 °C pendant une heure pour induire l'auto-combustion. Les poudres résultantes ont été calcinées à 900 °C pendant 6 h (vitesse de chauffe 5 °C min⁻¹). Un schéma de la synthèse est présenté en figure 1.

Caractérisation

La pureté de phase et la cristallographie ont été évaluées par diffraction des rayons X (Cu Kα, 20°–80°). Les paramètres de maille et la densité théorique ont été calculés à partir des données DRX. La taille de grain et la morphologie ont été examinées au MEB-FEG (100 k×, 5 kV). La porosité a été déduite de mesures de densité par la méthode d'Archimède. Les boucles d'hystérésis magnétique ont été enregistrées à température ambiante avec un VSM (±12 kOe). Toutes les données sont rapportées dans les tableaux 1–3.

Résultats et discussion

Analyse structurale

Les diagrammes DRX (figure 2) confirment la formation de la phase hexagonale SrFe₁₂O₁₉ (JCPDS 98‑004‑3603) pour pH 0–7. À pH 8, une impureté mineure Fe₂O₃ (≈28 %) apparaît, réduisant la pureté de phase à 87,8 %. Les constantes de maille (a ≈ 5,88 Å, c ≈ 23,02 Å) sont cohérentes avec la littérature, indiquant une ferrite bien cristallisée. La densité expérimentale diminue avec l'augmentation du pH, atteignant un minimum à pH 8, tandis que la porosité augmente correspondamment (figure 4). Le précurseur le plus acide (pH 0) donne la densité la plus élevée (4,69 g cm⁻³) et la plus faible porosité (8,2 %).

Analyse microstructurale

Les images MEB-FEG (figure 5) révèlent des grains sphériques à pH 0 avec une taille moyenne de 73,6 nm, tandis que des pH plus élevés produisent des grains allongés et agglomérés jusqu'à 133,3 nm (figure 6). Les distributions de taille de grain se décalent vers des diamètres plus grands à mesure que le pH augmente, corrélant avec la diminution observée des paramètres magnétiques. La porosité due aux gaz de combustion (NH₃) perturbe davantage l'empaquetage des grains aux pH élevés.

Propriétés magnétiques

Les boucles d'hystérésis (figure 7) montrent que Ms, Mr et Hc diminuent monotoniquestement avec l'augmentation du pH. L'échantillon optimal (pH 0) atteint Ms = 44,19 emu g⁻¹ (226,2 emu cm⁻³), Mr = 27,59 emu g⁻¹ et Hc = 6403,6 Oe. Ces valeurs surpassent de nombreux rapports sol-gel et approchent les références monocristallines. La coercivité élevée est attribuée à une forte anisotropie magnétocristalline et un empaquetage dense des grains, tandis que le Ms élevé reflète la porosité minimale et la pureté de phase. À pH 8, la réduction de Ms et Hc (5118 Oe) est liée à la contamination Fe₂O₃ et aux grains plus gros.

Conclusions

La synthèse sol-gel basse température (900 °C) de nanoparticules SrFe₁₂O₁₉ est réalisable lorsque le pH du précurseur est maintenu ≤ 7. La condition la plus acide (pH 0) produit une ferrite nanocristalline monophasée, dense, aux propriétés magnétiques supérieures, en faisant un candidat prometteur pour les aimants permanents céramiques co-cuits fonctionnant à température réduite.

Abréviations

• MEB – Microscope électronique à balayage
• MEB-FEG – Microscope électronique à balayage à émission de champ
• VSM – Magnétomètre à échantillon vibrant
• DRX – Diffraction des rayons X
• Ms – Aimantation à saturation
• Mr – Rémanence
• Hc – Coercivité
• Fe₂O₃ – Hématite