CC BY
4Джурабеков Убайдулло Махмадсафиевич - Таджикский национальный университет, к.х.н., доцент кафедры неорганической химии. Адрес: 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17, E-mail. [email protected]. Тел: (+992)918960660. About the authors:
Azizkulova Onajon Azizkulovna - Doctor of Chemical Sciences, Professor of the Department of Inorganic Chemistry. Tajik National University Address: Republic of Tajikistan, Dushanbe, Rudaki Ave., 17, Telephone: (+992) 935007544. Egamberdiev Aziz Sharifovich - Assistant, the Department of Inorganic Chemistry. Tajik National University, Address: 734025, Republic of Tajikistan, Dushanbe, Rudaki Avenue, 17. E-mail. [email protected]. Phone: (+992) 915808800.
Abdulkhaeva Marifat Ismonkulovna - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of Inorganic Chemistry of Tajik National University. Еmail: [email protected]. Phone: (+992) 900066026.
Hamidova Firuza Raufovna - Assistant of the Department of Inorganic Chemistry.of Tajik National University, Address: 734025, Republic of Tajikistan, Dushanbe, Rudaki Avenue, 17. E-mail; [email protected]. Telephone: (+992)911 08 72 95.
Jurabekov Ubaidullo Mahmadsafievich - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of Inorganic Chemistry of Tajik National University, Address: 734025, Republic of Tajikistan, Dushanbe, Rudaki Avenue, 17, Telephone: (+992) 918960660. E-mail. [email protected].
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ GdsSbs-NdsBis
Абулхаев В.
Институт химии им, В.И. Никитина НАНТ, Балаев М.А
Таджикский технический университет имени академика М.С. Осими,
Назаров Х.Х. Институт энергетики Таджикистана, Убайдов С.О
Таджикский государственный педагогический университет им. С. Айни
Ранее диаграммы состояния систем Gd - Sb и Nd - Bi полном диапазоне концентраций нами были исследованы в [1, 2]. В указанных системах установлено образование соединений: GdsSbs, Gd4Sb3, GdSb, Nd2Bi,, NdsBis, Nd4Bi3, NdBi и NdBi2.
Соединения GdsSb3, Gd4Sb3, Nd2Bi,, NdsBi3, Nd4Bi3, NdBi и NdBi2 при 1913, 2043, 1533, 1723, 1838 и 933 K соответственно образуются по перитектическим реакциям, а GdSb и NdBi при 2403 и 2048 К плавятся конгруэнтно. При этом GdSb при 2113 К проявляет полиморфизм.
Все соединения указанных систем являются парамагнетиками и проявляют металлическую проводимость [3].
В связи с этим, определённый интерес представляет исследование электрофизических и магнитных свойств сплавов, образующихся в системе GdsSb3 - NdsBi3.
Целью данной работы явилось получение и исследование электрофизических и магнитных свойств сплавов системы Gd5Sb3 - Nd5Bi3.
В данной работе при синтезе антимонида Gd5Sb3, висмутида Nd5Bi3 и сплавов системы Gd5Sb3 - Nd5Bi3 в качестве исходных компонентов использовали дистилляты гадолиния, неодима (ТУ 48-1303-173-76) и висмут марки ОСЧ 11-4 (ТУ 05-159-69).
Сплавы системы были приготовлены через каждые 10 мол.% Nd5Bi3. В качестве исходных компонентов использовали предварительно синтезированные Gd5Sb3 и Nd5Bi3.
Сплавы системы Gd5Sb3 - синтезировали следующим образом. Порошки
предварительно синтезированных Gd5Sb3 и отвечающие конкретному химическому
состава сплава, тщательно смешивали, спрессовывали, помещали в герметичный молибденовый тигель и нагревали (со скоростью 20 К/мин) в среде гелия марки ВЧ. Оптимальная температура синтеза составляла 1623±50 К. При этой температуре образцы выдерживали 2-3 часа.
Полученные таким образом сплавы, подвергали рентгенофазовому и металлографическому методам анализа. Рентгенофазовый анализ сплавов проводили на дифрактометре «ДРОН-2» с использованием отфильтрованного (фильтр-№) ^^ излучения. Металлографический анализ сплавов осуществляли на микроскопе «НЕОФОТ-21».
Рентгенофазовым анализом установлено, что сплавы, образующиеся в системе Gd5Sb3 -представляют собой твёрдые растворы замещения Gd5_xSb3_yPrxBiy; х = 0.5-4.5; у = 0.3-2.7), кристаллизующихся, как и исходные компоненты- Gd5Bi3 и Pr5Bi3, в гексагональной сингонии тапа Mn5Si3, c пространственной группой P63/mcm (табл.1).
Таблица 1. Кристаллохимические характеристики твердых растворов системы Gd5Sb3 -Pr5Bi3. Сингония-гексагональная типа Mn5Si3, пр. группа P63/mcm
Твердые растворы Параметр элементар-ной ячейки, ±0.0005 нм Плотность, кг/м3
а С экспер. расчет.
Gd5Sb3 0.8972 0.6384 8663 8670
Gd4.5Sb2.7Nd0.5Bi0.3 0.9008 0.6394 8698 8705
Gd4.0Sb2.4Nd1.0Bi0.6 0.9048 0.6408 8748 8753
Gd3.5Sb2.1Nd1.5Bi0.9 0.9086 0.6424 8788 8802
Gd3.0SbL8Nd2.0BiL2 0.9128 0.6436 8842 8847
Gd2.5SbL5Nd2.5BiL5 0.9166 0.6454 8882 8889
Gd2.0SbL2Nd3.0BiL8 0.9208 0.6468 8918 8925
Gd1.5Sb0.gNd3.5Bi2.1 0.9244 0.6482 8968 8975
Gd1.0Sb0.6Nd4.0Bi2.4 0.9282 0.6497 9012 9017
Gd0.5Sb0.3Nd4.5Bi2.7 0.9322 0.6512 9048 9053
Nd5Bi3 0.9373 0.6528 9066 9072
Результаты РФА подтверждают и данные МСА. Твердые растворы Gd5-xSb3-yNdxBiy (х= 0.5-4.5; y = 0.3-2.7), согласно микроструктурному анализу, представляли собой однофазные образцы.
С целью оценки характера проводимости исходных компонентов- антимонида Gd5Sb3, висмутида Ln5Bi3, (Ln = Pr, Nd), Ln4Bi3, (Ln = Pr, Nd, Gd, Tb, Yb) и твердых растворов, образующихся в системе Gd5Sb3 - Nd5Bi3, проведено исследование концентрационной зависимости удельного электросопротивления и термо-э.д.с. твердых растворов Gd4-xBi3-yNdxSby (х = 0.4-3.6; y = 0.3-2.7) при комнатной температуре (рисунок 1., а, б) во всем исследованном диапазоне концентраций изменяются приблизительно линейно, что коррелирует с диаграммой состояния системы Gd5Sb3 - Nd5Bi3 [4].
Рисунок 1 - Концентрационные зависимости удельного электросопротивления (а), термо-э.д.с. (б) и микротвердости твердых растворов Gd4-xSbз-yNdxBiy (х= 0.4-3.6; у = 0.3-2.7) (в) при 298 К. Удельное электросопротивление и термо-э.д.с. твердых растворов в диапазоне концентраций 0-100 мол.% изменяется в пределах (1.6-6.3)10-6 Ом м и (-8.4)-(-11.6)
мкВ/К, соответственно.
Установлено, что электропроводность Gd5Sb3 и твердых растворов оказалась
меньше электропроводности металлов № и Gd (таблица 2) и на два порядка меньше
1 1
электропроводности известных проводников - серебра, меди и алюминия (6.8010 , 6.45 10 , 4.0107 Ом-1 м-1 [5].
Относительно низкую электропроводность, проявляемую антимонидом Gd5Sb3, висмутидом и твердыми растворами Gd5-xSb3-yPrxBiy; х=0.5-4.5; у = 0.3-2.7), с нашей
точки зрения, можно объяснить вкладом магнитной составляющей удельного электросопротивления в общее удельное электро сопротивление и влиянием химической связи.
При 0 К спины 4Г - электронов упорядочены и магнитное сопротивление равно нулю [6]. При повышении температуры магнитный порядок нарушается и появляется дополнительное магнитное сопротивление, возрастающее при приближении к точке магнитного упорядочения. Выше этой температуры, когда упорядочение 4 Г - слоя полностью разрушено (парамагнитная область), магнитное сопротивление достигает своего максимального значения и становится постоянным.
Таблица 2. - Электрофизические свойства Ш, Gd, Ш5Б^, Gd5Sb3 и
и некоторых твердых растворов при 298 К
РЗЭ, антимониды и висмутиды РЗЭ и твердые растворы Удельное электросопротивлени е, р х. 10 , Ом • м Электропроводность о х 10-5, Ом-1 м-1 Термо-э.д.с. а, мкВ/К
Ш 0.64 16.12 -2.1 [4]
Gd 1.40 7.24 -14 [4]
Nd5Biз 1.6 6.25 -8.4
Gd5Sbз 6.3 1.58 -9.8
Gd1.5Sb0.9Nd3.5Bi2.! 3.0 3.33 -9.2
Gdo.8Sb 0.6^3^2.4 2.8 3.57 -4.6
С другой стороны, электропроводность исследованных антимонида Gd5Sb3 висмутида и твердых растворов оказалась меньше электропроводности самих РЗЭ. Это указывает на то, что в их структуре, в отличие от РЗЭ, какая-то часть свободных электронов
локализована и не участвует в переносе электрического заряда. По всей видимости, это связано с наличием в структурах указанных антимонидов и висмутидов ионной составляющей химической связи Gd - Sb и № - Bi, а в твердых растворах двух таких cвязей.
Концентрационные зависимости микротвердости твердых растворов систем Gd5Sb3 -также указывают на их металлическую проводимость (рисунок 1, в). Как видно из рисунка, максимальное изменение микротвердости проявляет твердый раствор, содержащий
Рис. 3.9. Концентрационные зависимости удельного электросопротивления (а), термо-э.д.с. (б) и микротвердости твердых растворов Gd4-xSb3-yNdxBiy (х= 0.4-3.6; у = 0.3-2.7) (в) при 298 К.
Рис. 3.9. Концентрационные зависимости удельного электросопротивления (а), термо э.д.с. (б) и микротвердости твердых растворов Gd4-xSbз-yNdxBiy (х= 0.4-3.6; у = 0.3-2.7) (в) при 298 К.
Рисунок 2 - Температурная зависимость обратной молярной магнитной восприимчивости твердых растворов Gd5-xSb3-yNdxBiy, содержащих (1)-10, (2)-20, (3)-30,
Б
400 500 600 700 800 Т, К
(4)-40, (5)-50, (6)-60, (7)-70, (8)-80, (9)-90 мол.% Ш5В13 в диапазоне температур
298-400 К (а) и 400-773 К (б).
Молярную магнитную восприимчивость (хм) твердых растворов
Gd5-xSb3-yNdxBiy (х=0.5-4.5; у=0.3-2.7) исследовали в диапазоне температур 298-800 К по методике, приведенной в [8].
Согласно [7] указанный характер изменения микротвердости свойствен всем металлическим системам, где образуются непрерывные твердые растворы. Объясняется это усилением жесткости кристаллической решетки твердых растворов за счет сокращения межатомных расстояний в их кристаллической решетке. Так, если в висмутидах Ln4Bi3 (Ьп = Gd) длина связей Gd-Gd составляет 0.362, 0.356 нм, соответственно, то в
структуре твердых растворов Gd5-xSb3-yNdxBiy (х=0.5-4.5; у=0.3-2.7) дисперсия длины этих связей составляет до двух процентов. Кроме того, в структуре указанных твердых растворов жесткость кристаллической решетки могут придать и связи Gd-Sb и В среднем длина
связи Оё-БЬ и Кё-В в твердых растворах изученной системы составляет 0,302 и 0.308 нм, соответственно. По-видимому, максимальное влияние связей на жесткость кристаллической решетки твердых растворов Оё5-х8Ьз-уЬпхВ1у (х=0.5-4.5; у=0.3-2.7) приходится на твердые растворы, содержащие 40 мол.% Ш5В13.
Исследование магнитных свойств показало, что в диапазоне 298-773 К температурная зависимость обратной величины молярной магнитной восприимчивости (%т) твёрдых растворов Gd5-xSb3-yNdxBiy (х= 0.5-4.5; у = 0.3-2.7) следует закону Кюри -Вейсса, характерного парамагнитным веществам ( рисунок 2., а, б).
Значения хт и парамагнитной температуры Кюри (0Р) твёрдых растворов, определенной экстраполяцией линейной части зависимости 1/ хт —Т к оси температур, приведены в таблице 3. Как видимо из таблицы, во всем диапазоне концентраций значения молярной магнитной восприимчивости и парамагнитной температуры Кюри твёрдых растворов Gd5-
xSbз-yNdxBiy
(х= 0.5-4.5; у = 0.3-2.7) выше, чем хт и 0Р Ш5В^, а также выше 0Р празеодима (4,3 К [5]). Исходя из этого, можно предположить, что магнетизм твёрдых растворов Gd5-xSb3-yNdxBiy (х= 0.5-4.5; у = 0.3-2.7), как и самих редкоземельных элементов, устанавливается под действием косвенного обменного взаимодействия через электроны проводимости, так называемым взаимодействием Рудермана-Киттеля-Касуи-Иосиды (РККИ) [9]. Для указанных твёрдых растворов, с нашей точки зрения, обменное взаимодействие определяется взаимодействием по линии: Оё - Оё, поскольку, как видно из таблицы 2, с увеличением концентрации гадолиния в твёрдых растворах растет их молярная магнитная восприимчивость и парамагнитная температура Кюри.
Следует отметить, что рассчитанные по данным эксперимента эффективные магнитные моменты (иэфф) ионов гадолиния и неодима твёрдых растворов близки к трехзарядным ионам
Gd+3 и Pr+3 [10].
+3
Таблица 3 -Магнитные характеристики Gd5Sb3, Nd5Bi3 и твердых растворов Gd5.xSb3.yPr xBiy (х= 0.5-4.5; y = 0.3-2.7)
Твердые растворы Хм х 106 при 298 К Эр, К 1 n24 л 2 Цэфф. х 10 , А^м
Gd5Sb3 237575.7 265 73.45
Gd4.5Sb2.7Ndo.5Bio.3 8575o.o 218 68.62
Gd4.oSb2.4Nd1.oBio.6 6oooo.o 2o2 63.o6
Gd3.5Sb2.1Nd1.5Bio.9 48623.8 189 6o.28
Gd3.oSb1.8Nd2.oBi1.2 39672.2 176 58.42
Gd2.5Sb1.5Nd2.5Bi1.5 31343.2 164 53.78
Gd2.oSb1.2Nd3.oBi1.8 257o4.2 156 5o.o7
Gd1.5Sbo.9Nd3.5Bi2.! 18239.o 139 44.51
Gd1.oSbo.6Nd4.oBi2.4 15o57.4 124 42.66
Gdo.5Sbo.3Nd4.5Bi2.7 11458.3 Ю6 38.95
Nd5Bi3 7897.2 84 34.o3
Таким образом, результаты данной работы указывают на возможность получения на основе Оё5В^ и Рг5В^ твёрдых растворов Оё^Р^ВЬ (х= 0.5-4.5) с повышенными магнитными свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abdusalyamova, M.N. The alloy systems Ln - Sb./ M.N. Abdusalyamova, O.R. Burnashev, K.E. Mironov // J. Less-Comm. Metals. -1986. -V.125. -№1. -Р. 1-6.
2. Абулхаев, В.Д. Диаграмма состояния системы Nd - Bi / В.Д. Абулхаев, Ганиев И.Н. //Тез. докл. по материалам научн. конф., посвященной памяти академика Нуманова И.У. Душанбе, -1994.-С. 6.
3. Абулхаев, В.Д. Синтез и физико-химические свойства сплавов и со-
4. единений редкоземельных элементов с сурьмой и висмутом: дис...д-ра хим. наук: 02.00.01/Абулхаев Владимир Джалолович. - Душанбе. -1996. -355 с.
5. Убайдов С.О. Твердые растворы систем GdsSbs-LnsBis (Ln=Pr, Nd) и Gd4Sb3-Ln4Bi3 (Ln=Pr, Nd, Tb,Yb): дис... канд. тех. наук : 02.00.04/Убайдов Салмоншо Одинаевич -Душанбе., -2012. -127 с.
6. Физический энциклопедический словарь. -М.: СЭ, -1963. -624 с.
7. Тейлор, К. Физика редкоземельных соединений /К. Тейлор, М. Дарби //-М.: Мир, -1974. -374 с.
8. Харитонов, Л.Г. Определение микротвердости./ Л.Г. Харитонов// М.: Металлургия.-1967. -С. 82
9. Чечерников, В.И. Установка с использованием магнитных весов
10. / В.И. Чечерников //Магнитные измерения. -М.: МГУ, -1963. -С. 92-94.
11. Белов, К.П. Редкоземельные магнетики и их применение /К.П. Белов// -М.:Наука, -1980. -239 с.
12. Савицкий Е.М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов/ Е.М. Савицкий, В.Ф. Терехова// -М.:- Наука. -1975. -270 с.
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ Gd5Sb3-Nd5Bi3
В статье приведены результаты исследования электрофизических и манитных свойств твердых растворов, которые образуются в системе Gd5Sb3-Nd5Bi3.
Кристаллохимический анализ показал, что твердые растворы системы Gd5Sb3-Nd5Bi3 кристаллизуются в гексагональной структуре типа Mn5Si3. Определены температура Кюри и магнитные моменты ионов Gd+3 и Nd+3. Ключевые слова: сплавы, диаграмма состояния, твердые растворы, температура Кюрию магнитная восприимчивость, магнитный момент.
THE ELECTROPHYSICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF Gd5Bi3 - Pr5Bi3 SOLID SOLUTIONS
The article presents the results of the study of the magnetic properties of solid solutions that are formed in the Gd5Bi3 - Pr5Bi3 system.
Crystal chemical analysis showed that solid solutions of the Gd5Sb3 - Pr5Bi3 system crystallizes in a hexagonal structure of the Mn5Si3 type.
The Curie temperature and magnetic moments of the Gd3+ and Nd3+ ions are determined. Key words: alloys, state diagram, solid solutions, Curie temperatures, magnetic susceptibility, magnetic moment.
Сведения об авторах:
Абулхаев Владимир Джалолович, д.х.н., проф., заместитель директора по науке Института химии им В.И. Никитина АН РТ. Душанбе, ул. Маяковского 93/2, кв. 30. Тел: +992 918855148. E-mail: [email protected]
Балаев Мухамадшо Ахтамович, к.т.н., доцент кафедры электроснабжения ТТУ им. акад. М.С. Осими. Душанбе, ул. Дехлави 91, кв. 5. Тел: +992 935088182. E-mail: muhamad 65. balaev@ mail. ru
Убайдов Салмоншо Одинаевич, к.т.н., зав кафедры технология, черчения и дизайна ТГПУ им. С. Айни. Душанбе, район Сино, ул. Оботкорон-2, дом 151/4. Т: +992938246466.
Назарзода Хайрулло Холназар, к.т.н., доцент кафедры гидротехническое строительство и общетехнических дисциплин, Института энергетики Таджикистана. Г. Бохтар, ул. Дружбы народов 68, кв. 2. Т:+992918748522. E-mail: nazarov-h2013@mai. ru Information about authors:
Abulkhaev Vladimir Dzhalolovich,- Doctor of Chemical Sciences, Professor, Deputy Director of Sciences of the Institute of Chemistry named after V.I. Nikitin, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, Dushanbe, st. Mayakovsky 93/2, apt. 30. Tel: +992 918855148. E-mail: [email protected]
Balaev Mukhamadsho Akhtamovich, -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply, TTU named after acad. M.S. Osimi. Dushanbe, st. Dehlavi 91, apt. 5. Tel: +992 935088182. E-mail: muhamad 65.balaev @ mail. Ru.
Ubaidov Salmonsho Odinaevich, Ph.D, the Head of the Department of Technology, Drafting and Design, TSPU named after S. Aini. Dushanbe, Sino district, st. Obotkoron-2, 151/4. T: +992938246466.
Nazarzoda Khairullo Kholnazar, Ph.D., Associate Professor of the Department of Hydraulic Engineering and General Technical Disciplines, Institute of Energy of Tajikistan. G. Bokhtar, st. Friendship of Peoples 68, ap. 2.T: +992918748522. E-mail: [email protected]
