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研究生:余威廷
研究生(外文):YU WEI TING
論文名稱:添加高分子螯合劑對生成釔鐵氧化物結構之影響研究
論文名稱(外文):Effect of forming Yttrium Iron Garnet structure by addition polymer chelate
指導教授:王振乾王振乾引用關係
指導教授(外文):Cheng-Chien Wang
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:化學工程系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:釔鐵柘榴石螯合型高分子
外文關鍵詞:YIGchelating polymer
相關次數:
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本文以亞胺二乙酸(IDA)和縮水甘油甲基丙烯酸酯(GMA)反應得到側鏈具螯合官能基之單體,簡稱GMA-IDA。再與BA(Butyl Acrylate)、GMA進行無乳化劑乳化聚合反應,製成Poly(BA-co-GMA-IDA)。利用此高分子乳液顆粒上之強螯合官能基使金屬離子固定在高分子微顆粒表面上,再配合共沈法將金屬離子還原成YIG金屬氧化物前驅物。探討在異相與均相下不同種類的前驅物於不同的煅燒溫度下形成YIG的結晶結構變化。此系列的高分子顆粒,以FT-IR分析鑑定高分子乳液的組成,觀察螯合金屬離子前後的變化,在1655cm-1平移到1595 cm-1可以顯示出螯合型高分子乳液對金屬離子有相當的螯合量。使用不同的螯合基含量,可以發現隨著螯合基含量增加,前驅物結晶越明顯。在異相共沉法中600℃煅燒完後即可得到高結晶性的YIG與少量的YIP。以VSM觀察加入高分子螯合劑後煅燒600℃ (Ms=42.5emu/g)比未加入高分子螯合劑(Ms=26emu/g) 所得之YIG磁性有更高的飽和磁化量。此YIG結晶產物特性與前驅物的製備環境有關。若在較低的pH值及提高共沈溫度下,逐漸會較高YIP相的產生。煅燒溫度從600℃提高到900℃和1200℃後,可發現YIG有更明顯的晶相生成且中間相消失。最後,利用TEM與SEM鑑定添加高分子螯合劑之YIG煅燒完粒徑大小約為100nm;此粒徑比未加入高分子螯合劑YIG粒徑100nm形態來的小且外觀圓滑,在相同的處理分散條件下也可分散的較佳。而在均相螯合劑加入的情況下,600℃未如預期可以生成可以生成YIG金屬氧化物,但卻可以藉由增加螯合劑量使在更高的煅燒溫度下,形成的YIG其結晶性更佳。故可以利用可溶性均相高分子螯合劑和不可溶性異相高分子螯合劑對所需要的YIG來改變不同的生成結果。
Chelating function copolymer latex was synthesized and used to prepare the YIG (Yttrium Iron Garnet, Y3F5O12) precursor in this text. The characteristic of chelating iron(Ш) and yittium(Ш) on the copolymer were confirmed by using FTIR. The effect of different series of polymer-chelated precursors on the YIG crystallization is reducing the calcining temperature. XRD present the chelated polymer-YIG precursors can obtain the good crystalline of YIG after 600℃ calcining temperature treatment, however, which is far lower than traditional high temperature procedure(1000℃). While, those YIG present the spherical yttrium iron garnet crystalline phase, relatively, no chelating copolymer additive YIG is amorphous state as the same annealing condition. However, higher calcining temperature, such as 900℃ and 1200℃, can obtain better YIG crystalline after TEM and XRD measurement. Additionally, the saturation magnetic properties of YIG at 600℃calcining temperature is Ms=41.9emu/g which is better than that of traditional YIG (26emu/g) from the VSM analyses, meanwhile, the particles size of YIG is 100 nm which is belong to nanosize material from the TEM photograph.
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅶ
符號表 Ⅹ
第一章 前言 1
1-1 研究背景 1
1-2 磁性材料 3
1-3 釔鐵柘榴石的起源 4
第二章 文獻回顧 6
2-1 鐵氧磁體之磁性來源 6
2-2 磁交換作用力的種類 7
2-3 鐵氧磁體合成方法 10
2-3-1 固相法 10
2-3-2 液相法 11
2-4 粉體成核機制 15
2-5 保護劑之影響 15
2-5-1 含強螯合基之高分子螯合劑簡介 16
2-5-2 高分子螯合劑總類 16
2-6 煅燒理論及現象 18
2-7 實驗動機 19
第三章 實驗部份 21
V
3-1 實驗藥品 21
3-2 儀器 22
3-3 實驗流程 23
3-4 實驗方法及步驟 24
3-5 實驗分析儀器 28
3-5-1 場放射型掃描式電子顯微鏡(FESEM) 28
3-5-2 高解析穿透式電子顯微鏡(HRAEM) 28
3-5-3 光繞射分析儀(XRD) 28 3-5-4 振動樣品磁化儀(VSM ) 28
第四章 結果與討論 30
4-1 異相螯合劑和均相螯合劑之組成及性質分析 30
4-2 添加異相螯合劑對釔鐵氧化物生成結構之影響分析 34
4-2-1 沉澱過程中 pH 值改變對結晶性質之影響 40
4-2-2 沉澱過程中溫度改變對結晶性質之影響 44
4-2-3 不同煅燒溫度之影響 47
4-2-4 添加不同比例異相高分子螯合劑對 YIG 結晶行為影響 52
4-2-5 添加不同種類異相高分子螯合劑對 YIG 結晶行為影響 54
4-2-6 添加異相高分子螯合劑對 YIG 磁性的影響 57
4-3 添加均相螯合劑對釔鐵氧化物生成結構之影響分析 62
4-3-1 不同煅燒溫度下的影響 62
4-3-2 添加不同比例均相螯合劑對 YIG 結晶行為的影響 67
4-3-3 均相螯合劑對磁性的影響 68
4-4 均相螯合劑和異相螯合劑對釔鐵氧化物生成結構之影響比較 70
第五章 結論 73
參考文獻 74
VI
表目錄
表 2-5 高分子螯合劑種類 17
表 3-1 三種不同系統之流程圖(無添加螯合劑、異相螯合劑、均相螯合劑) 23
表 4-1 異相螯合劑含量分析表 30
表 4-2 ICP 檢測之溶液中金屬離子含量 36
表 4-3 600℃煅燒 4 小時,添加不同螯合基含量之磁性特性 58
表4-4 添加均相與異相高分子螯合劑於製備YIG之比較表 72
VII
圖目錄
圖 1-1 光通訊材料與元件產品關係圖 1
圖 1-2 光隔離器示意圖 2
圖 1-3 各種磁性材料應用頻率範圍分佈 2
圖 1-4 Yttrium Iron Garnet 結晶結構示意圖 4
圖 2-1 Yttrium Iron Garnet 淨磁矩示意圖 6
圖 2-2 磁性物質的分類 9
圖 2-3 三種磁性交換作用力示意圖 9
圖 2-6 (A)外部擴散、(B)內部擴散 19
圖 2-7 高分子螯合劑吸附金屬離子示意圖 20
圖 3-5 添加高分子螯合劑之 YIG 前驅物形成過程之示意圖 26
圖 3-6 異相反應過程示意圖 27
圖 3-7 均相反應過程示意圖 27
圖 4-1 異相螯合劑和均相螯合劑之熱裂解溫度圖(過程通空氣)
(PBI:異相螯合劑、PGI:均相螯合劑) 31
圖 4-2(a)異相高分子螯合劑之 FTIR 圖(b) Poly(GMA-co-BA-co-GMA-IDA)結構式 32
圖 4-3(a)均相螯合劑-FTIR 圖之結構分析
((PGI:Poly(GMA-IDA))、PGIM:螯合 Fe3+、Y3+離子後)
(b) Poly(GMA-IDA)結構式 33
圖 4-4 加入三價鐵離子於不同莫爾比高分子螯合劑之 XRD 圖(F:鐵離子) 34
圖 4-5 加入不同金屬離子的高分子螯合劑之 XRD 圖(Y:釔離子、F:鐵離子) 35
圖 4-6 PBI4M1 在裂解溫度前(300℃)、後(600℃)之 XRD 圖 37
圖 4-7 PBI4M1 煅燒溫度 600℃、4hr 在(a)酸洗前(b)酸洗後之 XRD 圖 38
圖 4-8 反應在 pH=10.5 時、煅燒 600℃持溫 4hr PBI4M1 之 XRD 圖 39
圖 4-9 PBI4M1 與 YIG 之 XPS 圖 40
圖 4-10 控制沉澱溫度 70℃、不同 pH 值下加入沉澱劑 NH4OH,以 600℃煅燒 4hr
PBI4M1 之 XRD 圖 41
圖 4-11 控制沉澱溫度 70℃,在不同 pH 值下加入沉澱劑 NH4OH,以 600℃煅燒 4hr
VIII
PBI4M1 之表面結構圖 42
圖 4-12 控制沉澱溫度 70℃不同 pH 值下加入沉澱劑 NH4OH 以 600℃煅燒 4hr
PBI4M1之TEM圖 43
圖 4-13 (a)為 pH 值=8 時,600℃煅燒 4hr PBI4M1 之 TEM 圖、(b)為針狀物之電子繞
射圖 43
圖 4-14 在 pH=11 時、不同溫度下加入沉澱劑 NH4OH,以 600℃煅燒 4hr PBI4M1
之 XRD 圖 44
圖 4-15 控制 pH=11 在不同溫度下,加入沉澱劑 NH4OH,以 600℃煅燒 4hr PBI4M1
之表面結構圖 45 圖 4-16 在pH=11 時、不同溫度下加入沉澱劑NHB4BOH 以,600℃煅燒 4hr PBI4M1
之TEM 圖 46
圖 4-17 PBI4M1 煅燒 600℃持溫 4hr 之晶格圖 48
圖 4-18 PBI4M1 在不同的煅燒溫度下(600℃、900℃、1200℃)之 XRD 圖 49
圖 4-19 PBI4M1 煅燒 600℃與純 YIG 在不同的煅燒溫度下(900℃、1200℃)之 XRD
圖 50
圖 4-20 (a)未添加螯合劑(b)添加異相螯合劑 600℃、900℃、1200 煅燒 4hr PBI4M1
之 TEM 圖 51
圖 4-21 PBI4M1 600℃煅燒 4hr 之 EDX 圖 51
圖 4-22 (a)未添加螯合劑(b)添加異相螯合劑 600℃、900℃、1200℃煅燒 4hr PBI4M1
之 SEM 圖 52
圖 4-23 添加不同比例之異相螯合劑 600℃煅燒 4 小時之 XRD 圖(PBI:異相高分子
螯合劑、M:Y、Fe 離子) 53
圖 4-24 添加不同比例之異相螯合劑 900℃煅燒 4 小時之 XRD 圖(PBI:異相高分子
螯合劑、M:Y、Fe 離子) 54
圖 4-25 添加不同比例之異相螯合劑 poly(SM-co-GMA-IDA)
YIG 前驅物之 XRD 圖(PSI:異相高分子螯合劑、M:Y、Fe 離子) 55
圖 4-26 添加不同比例之異相螯合劑 poly(SM-co-GMA-IDA)與純 YIG
600℃煅燒 4 小時之 XRD 圖(PSI:異相高分子螯合劑、M:Y、Fe 離子) 56
圖 4-27 添加不同含量之異相螯合劑(PBI2M1、PBI3M1、PBI4M1),600℃煅燒 4 小
IX
時後之 YIG 磁化曲線圖 58
圖 4-28 PBI4M1 在 900℃、1200℃煅燒 4 小時後之 YIG 磁化曲線圖 59
圖 4-29 無添加螯合劑之 YIG 在 900℃、1200℃煅燒 4 小時後之 YIG 磁化曲線圖 60
圖 4-30 加入高分子螯合劑和未加入高分子螯合劑在 900℃煅燒 4hr 之磁化曲線圖
(PBI4M1:添加異相螯合劑之 YIG) 61
圖 4-31 PGI2M1 煅燒溫度 300℃與室溫 25℃之 XRD 圖 (PGI:均相高分子螯合劑、
M:Y、Fe 離子)( PGI2M1=均相高分子螯合劑:Y、Fe 離子莫爾比=2:1) 63
圖 4-32 PGI2M1 煅燒溫度 450℃、600℃之 XRD 圖 (PGI:均相高分子螯合劑、M:
Y、Fe 離子)( PGI2M1=均相高分子螯合劑:Y、Fe 離子莫爾比=2:1) 64
圖 4-33 PGI2M1 煅燒溫度 600℃之(a)TEM 圖、(b)電子繞射圖 64
圖 4-34 PGI2M1 煅燒溫度 600℃之元素分析圖 65
圖 4-35 PGI2M1 煅燒溫度 900℃、1200℃之 XRD 圖 (PGI:均相高分子螯合劑、
M:Y、Fe 離子)( PGI2M1=均相高分子螯合劑:Y、Fe 離子莫爾比=2:1) 65
圖 4-36 PGI2M1 煅燒溫度 900℃、1200℃之 SEM 圖(PGI:均相高分子螯合劑、M:
Y、Fe 離子)( PGI2M1=均相高分子螯合劑:Y、Fe 離子莫爾比=2:1) 66
圖 4-37 PGI2M1 煅燒溫度 900℃、1200℃之 TEM 圖(PGI:均相高分子螯合劑、M:
Y、Fe 離子)( PGI2M1=均相高分子螯合劑:Y、Fe 離子莫爾比=2:1) 66
圖 4-38 添加不同比例之均相螯合劑 poly(GMA-IDA) 600℃
煅燒 4 小時之 XRD 圖(PGI:均相高分子螯合劑、M:金屬離子) 67
圖 4-39 添加不同比例之均相螯合劑 poly(GMA-IDA) 900℃
煅燒 4 小時之 XRD 圖(PGI:均相高分子螯合劑、M:金屬離子) 68
圖 4-40 PGI2M1 煅燒溫度 600℃時之 M-H 圖 69
圖 4-41 PGI2M1 煅燒溫度 900℃、1200℃時之 M-H 圖 70
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41.陳衍良,南台科技大學化學工程學系碩士論文,民國93年
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