可持续的铁氧体永磁体制造：将钢屑回收利用制成高性能的六铁酸锶磁体

《Journal of the Indian Chemical Society》：Sustainable ferrite permanent magnet fabrication: Recycling steel scale into high-performance strontium hexaferrite magnet

六角铁酸锶永磁材料通过碳酸锶与轧钢鳞片机械化学合成及烧结制备，探究不同烧结温度（900-1100℃）和时间（1-3h）对磁性能影响。研究显示烧结温度和时间增加使相对密度从85%提升至95.5%，矫顽力达5526.59 Oe，晶粒尺寸由72.7nm增至103.44nm。XRD分析表明主成分为SrFe12O19，TEM证实烧结后界面无序结构消失。

　　这项研究主要探讨了如何通过机械化学合成和后续退火的方法，从碳酸锶（SrCO?）和轧钢鳞片中生产锶六方晶铁氧体（SrFe??O??）永磁体。研究的重点在于如何将原本被视为工业废料的轧钢鳞片转化为有价值的材料。通过这种方式，研究人员不仅能够减少对稀有金属资源的依赖，还能降低生产过程中的环境影响。此外，该研究还强调了优化材料合成和烧结过程的重要性，以确保最终获得的永磁体具有高密度和优异的磁性能。

在当前的工业应用中，永磁体的应用范围正在不断扩大，涵盖了超过12000种隐藏的用途。这些用途中，电机和发电系统是最重要的应用之一，它们在多个行业发挥着关键作用。然而，目前市面上的永磁体种类相对有限，主要依赖于某些已被广泛接受的材料。因此，为了满足不断增长的技术需求，提高这些材料的性能变得尤为迫切。随着永磁体需求的持续上升，寻找替代资源或回收利用现有材料以实现可持续生产的必要性也日益凸显。特别是对于含有稀土元素（如钕、镝、钐）的永磁体，其开采和精炼过程对环境造成了一定的破坏，因此，探索更加环保的生产方式和替代材料成为重要的研究方向。

在众多替代材料中，锶六方晶铁氧体因其优异的物理、电子和化学性能而备受关注。这些性能包括高磁各向异性、居里温度、化学稳定性和低介电损耗。由于其纳米结构能够有效抑制涡流，从而减少高频下的能量损耗，因此，该材料在工业应用中具有广阔前景。此外，六方晶铁氧体因其良好的性能与成本比，以及独特的六边形晶体结构，受到广泛关注。它们在微波设备、磁传感器、天线、超声波治疗、能量存储和数据记录等技术领域展现出巨大的潜力。通过添加不同的掺杂剂，可以显著改变这些材料的物理性能，从而优化其在特定应用中的表现。

在永磁体的生产过程中，M型锶或钡六方晶铁氧体占据着重要的地位。这些材料含有大量的铁元素，从而表现出铁氧体的特性。然而，随着工业需求的增加，铁资源正在迅速减少。这使得寻找替代的铁来源变得尤为重要。其中，轧钢鳞片是一种潜在的替代资源，它是在扁钢或锻造钢生产过程中，由于铁的氧化而形成的一种表面产物。它通常被视为工业废料，主要用于低技术应用。然而，近年来关于回收和利用轧钢鳞片的研究表明，这种废料可以被转化为高附加值的产品。通过适当的处理方法，可以从轧钢鳞片中提取铁元素，并用于各种工业应用。这样不仅有助于铁资源的可持续利用，还能减少工业废料对环境的影响。

此外，研究还发现，轧钢鳞片的回收和利用对经济发展和环境保护具有重要意义。通过对这些副产物的经济和环境评估，可以为废弃物管理策略的制定提供支持。在当前的研究中，研究人员采用了机械化学合成和传统烧结的方法，以探索如何将轧钢鳞片转化为高效的永磁体。这一过程不仅需要优化材料的化学组成、粉末粒径和相结构，还需要控制烧结的温度和时间，以确保最终产品的质量。

在实验过程中，研究人员使用了碳酸锶和高含铁量的轧钢鳞片作为前驱材料。通过机械化学合成的方法，将碳酸锶从天青石矿石中提取出来，并将其与经过退火处理的氧化铁（Fe?O?）结合。机械化学合成过程涉及对天青石矿石浓缩物（SrSO?）进行处理，将其转化为碳酸锶。这一过程在200分钟内完成，使用了两倍于摩尔量的硝酸铵作为反应物。通过这种方法，研究人员能够获得具有优异磁性能的六方晶铁氧体粉末，而无需在高温下进行长时间的煅烧。随后，这些粉末在不同的烧结温度和时间下进行处理，以进一步优化其磁性能。

在烧结过程中，温度和时间的增加会导致粉末颗粒的生长。研究人员发现，随着烧结温度和时间的提升，锶六方晶铁氧体永磁体的相对密度从85%增加到了95.5%。通过透射电镜（TEM）分析，研究人员发现，在1100°C下烧结3小时后，颗粒接触点处的无序结构消失，这表明材料的微观结构得到了优化。根据X射线衍射（XRD）分析，研究人员确认了六方晶铁氧体是材料的主要相，而少量的α-Fe?O?相则作为次要存在。此外，六方晶铁氧体的晶粒尺寸也随着烧结温度和时间的增加而增大，从72.7纳米增加到了103.44纳米。

在磁性能测试方面，研究人员使用了振动样品磁强计（VSM）对烧结后的永磁体进行了评估。测试结果显示，在1100°C下烧结1小时后，永磁体的矫顽力达到了5526.59奥斯特（Oe），剩磁为35.89emu/g，饱和磁化为69.09emu/g。这些磁性能指标表明，该永磁体在高温下烧结1小时后能够表现出最佳的磁特性。而随着烧结时间的延长，虽然相对密度和晶粒尺寸有所增加，但磁性能的变化则趋于稳定。因此，研究人员得出结论，烧结温度和时间在1100°C和1小时内能够实现最佳的磁性能和结构特性。

在烧结过程中，研究人员还特别关注了如何避免裂纹的产生。由于六方晶铁氧体是一种陶瓷基材料，因此在压制过程中施加的高压可能会导致材料在烧结时发生回弹，从而形成裂纹。因此，烧结过程必须进行严格控制。此外，在压制之前，需要对粉末进行磁性取向，以确保最终产品的磁性能。通常，粉末会在压制前被湿润，以提高其磁性取向的效果。然而，在烧结过程中，水分的快速蒸发可能会导致裂纹的产生。因此，研究人员采取了多种措施，包括控制烧结气氛、精确调整烧结温度和时间、确保粉末的均匀分散以及在压制过程中进行磁性取向，以减少裂纹和其他缺陷的出现。

此外，研究还发现，在烧结过程中，冷却的速度对材料的性能也有重要影响。如果冷却速度过快，可能会导致材料的结构发生变化，从而影响其磁性能。因此，在烧结过程中，需要对材料进行适当的冷却，以确保其结构的稳定性。通过这些优化措施，研究人员成功地制备出了高密度的六方晶铁氧体永磁体，并实现了优异的磁性能。

在文献综述中，研究人员发现，已有许多研究探讨了如何利用钢铁生产过程中产生的废料来制备磁性材料。这些研究通常涉及将废料制成粉末形式，并通过不同的方法进行处理。然而，这些方法往往无法完全满足生产高密度永磁体的需求。因此，研究人员认为，有必要进一步优化材料的合成和烧结过程，以提高其性能并减少对环境的影响。

在当前的研究中，研究人员特别关注了如何将轧钢鳞片转化为高效的永磁体。他们发现，通过机械化学合成和退火处理，可以有效提高材料的磁性能。此外，通过控制烧结温度和时间，可以进一步优化材料的结构和磁性能。这些发现表明，利用钢铁生产过程中的废料来制备永磁体不仅具有可行性，而且能够实现经济和环境的双重效益。

综上所述，这项研究通过机械化学合成和传统烧结的方法，成功地制备出了高密度的锶六方晶铁氧体永磁体。研究发现，通过优化烧结温度和时间，可以显著提高材料的磁性能和结构特性。此外，研究人员还探讨了如何通过控制烧结过程中的各种参数，如烧结气氛、粉末的均匀分散和磁性取向，来减少裂纹和其他缺陷的出现。这些优化措施不仅提高了材料的性能，还确保了其在工业应用中的可行性。因此，这项研究为永磁体的可持续生产提供了新的思路和方法，具有重要的应用价值。