Síntesis Sol-Gel Controlada por pH de Ferrita de Estroncio Nanocristalina para Aplicaciones de Imán Permanente a Baja Temperatura

Resumen

Ferrita de estroncio nanocristalina (SrFe₁₂O₁₉) se sintetizó mediante una ruta sol-gel de auto-combustión con ácido cítrico como agente quelante. El pH del precursor se varió de 0 a 8 y los polvos se calcinaron a baja temperatura de 900 °C. Las propiedades estructurales, microestructurales y magnéticas se evaluaron por DRX, MEB de emisión de campo y VSM. El precursor más ácido (pH 0) produjo un producto de fase única con la mayor densidad, tamaño de grano (≈73 nm), magnetización de saturación (44,2 emu g⁻¹) y coercitividad (6,4 kOe). Un ligero aumento del pH promovió la formación de impurezas de Fe₂O₃ a pH 8 y redujo el rendimiento magnético. Los resultados demuestran que el control del pH es una herramienta poderosa para adaptar las propiedades de SrFe₁₂O₁₉ a temperaturas adecuadas para imanes permanentes cerámicos co-sinterizados.

Aspectos Destacados

• Síntesis sol-gel auto-combustión de nanopartículas de SrFe₁₂O₁₉.
• Ferrita de fase única obtenida a 900 °C con pH ≤ 7.
• Parámetros magnéticos óptimos (Ms = 44,2 emu g⁻¹, Hc = 6,4 kOe) logrados a pH 0.

Antecedentes

La hexaferrita de estroncio (SrFe₁₂O₁₉) es apreciada por su alta coercitividad, resistividad eléctrica y resistencia a la corrosión, siendo un material clave para dispositivos de microondas, medios de grabación de alta densidad e imanes permanentes. La síntesis convencional de estado sólido requiere altas temperaturas (~1300 °C) y a menudo produce partículas grandes y policomposadas. El método sol-gel ofrece una ruta de baja temperatura (≤ 900 °C) que produce polvos nanocristalinos homogéneos con estequiometría y tamaño de partícula controlables. La acidez del precursor influye fuertemente en la polimerización metal-óxido y, por consiguiente, en la cristalinidad y el rendimiento magnético de la ferrita final. Este estudio explora el impacto del pH del precursor en la estructura, microestructura y magnetismo de SrFe₁₂O₁₉ preparado por un proceso sol-gel basado en ácido cítrico.

Métodos

Síntesis

Sr(NO₃)₂ (98 %) y Fe(NO₃)₃ (99 %) se disolvieron en 100 mL de agua desionizada a 60 °C bajo agitación (250 rpm). Se añadió ácido cítrico (C/N = 0,75) y la temperatura se elevó a 80 °C. Se introdujo amoníaco (NH₄OH) para ajustar el pH de la solución de 0 a 8. La mezcla se agitó a 90 °C hasta formar un gel verde, luego se calentó a 200 °C durante una hora para inducir auto-combustión. Los polvos resultantes se calcinaron a 900 °C durante 6 h (velocidad de calentamiento 5 °C min⁻¹). Un esquema de la síntesis se muestra en la Figura 1.

Caracterización

La pureza de fase y cristalografía se evaluaron por difracción de rayos X (Cu Kα, 20°–80°). Los parámetros de red y densidad teórica se calcularon a partir de los datos de DRX. El tamaño de grano y morfología se examinaron con MEB de emisión de campo (100 k×, 5 kV). La porosidad se derivó de mediciones de densidad por Arquímedes. Los ciclos de histéresis magnética se registraron a temperatura ambiente con un VSM (±12 kOe). Todos los datos se reportan en Tablas 1–3.

Resultados y Discusión

Análisis Estructural

Los patrones de DRX (Figura 2) confirman la formación de la fase hexagonal SrFe₁₂O₁₉ (JCPDS 98‑004‑3603) para pH 0–7. A pH 8, aparece una impureza menor de Fe₂O₃ (≈28 %), reduciendo la pureza de fase a 87,8 %. Las constantes de red (a ≈ 5,88 Å, c ≈ 23,02 Å) son consistentes con valores de la literatura, indicando ferrita bien cristalizada. La densidad experimental disminuye con el aumento del pH, alcanzando un mínimo a pH 8, mientras que la porosidad aumenta correspondientemente (Figura 4). El precursor más ácido (pH 0) produce la mayor densidad (4,69 g cm⁻³) y menor porosidad (8,2 %).

Análisis Microestructural

Las imágenes MEB (Figura 5) revelan granos esféricos a pH 0 con tamaño promedio de 73,6 nm, mientras que valores de pH mayores producen granos alargados y aglomerados hasta 133,3 nm (Figura 6). Las distribuciones de tamaño de grano se desplazan hacia diámetros mayores al aumentar el pH, correlacionándose con la disminución observada de los parámetros magnéticos. La porosidad de los gases de combustión (NH₃) interrumpe aún más el empaquetamiento de granos a pH mayores.

Propiedades Magnéticas

Los ciclos de histéresis (Figura 7) muestran que Ms, Mr y Hc disminuyen monótonamente con el aumento del pH. La muestra óptima (pH 0) alcanza Ms = 44,19 emu g⁻¹ (226,2 emu cm⁻³), Mr = 27,59 emu g⁻¹ y Hc = 6403,6 Oe. Estos valores superan muchos reportes sol-gel y se acercan a referencias de monocristal. La alta coercitividad se atribuye a la fuerte anisotropía magnetocristalina y empaquetamiento denso de granos, mientras que la alta Ms refleja porosidad mínima y pureza de fase. A pH 8, la reducción de Ms y Hc (5118 Oe) está vinculada a contaminación por Fe₂O₃ y granos mayores.

Conclusiones

La síntesis sol-gel a baja temperatura (900 °C) de nanopartículas de SrFe₁₂O₁₉ es factible cuando el pH del precursor se mantiene ≤ 7. La condición más ácida (pH 0) produce una ferrita nanocristalina de fase única, densa, con propiedades magnéticas superiores, convirtiéndola en candidata prometedora para imanes permanentes cerámicos co-sinterizados que operan a temperaturas reducidas.

Abreviaturas

• MEB – Microscopio Electrónico de Barrido
• MEB-CE – Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión de Campo
• VSM – Magnetómetro de Muestra Vibrante
• DRX – Difracción de Rayos X
• Ms – Magnetización de Saturación
• Mr – Remanencia
• Hc – Coercitividad
• Fe₂O₃ – Hematita