本发明专利技术公开了一种具有立方钙钛矿结构的高纯度锰碳二元化合物Mn4C及其制备方法。与Mn4N比较稳定不同的是，具有该结构的Mn4C在常温处于亚稳状态，在高温会分解，因此在实际实验中高纯度Mn4C的合成从来没有成功过。这导致人们对Mn4C的物理性能知之甚少。虽然有理论工作对Mn4C的性能进行了预测，但该预测结果无法用实验验证。在X射线粉末衍射数据库中尚没有Mn4C的结构参数数据，在锰碳二元相图中也不存在Mn4C。本发明专利技术通过将高纯度锰和碳按照一定的化学计量比例混合熔化冷却，得到较高纯度的Mn4C化合物,利用磁分离工艺使Mn4C产物的纯度得到进一步提高，产物的粉末衍射图如图2所示。
【技术实现步骤摘要】
一种高纯度立方钙钛矿结构化合物Mn4C及其制备方法
本专利技术涉及高纯度磁性化合物及其制备
，特别是涉及一种高纯度亚稳磁性化合物Mn4C及其合成技术和磁分离纯化技术，以及该化合物在磁性材料磁化强度热力学调控领域的应用。
技术介绍
锰碳二元化合物根据制备条件和原子比例不同可以形成多种稳定晶体结构，目前已经报道成功合成的锰碳二元化合物有立方结构的Mn23C6,六方或三方结构的Mn7C3,单斜结构的Mn5C2,正交结构的Mn3C,六方结构的Mn15C4。理论研究表明Mn4C与Mn4N具有相似的立方钙钛矿晶体结构，如图1所示，但实验发现Mn4C在常温及高温下都是不稳定的，特别是其在高温分解导致合成困难，历史上有很多Mn4C合成的努力，但在实验中纯相Mn4C的合成从未成功过。以往期望获得Mn4C相的合成实验，通常最终获得的都是在室温下热力学更稳定成分接近Mn4C的Mn23C6而不是Mn4C。虽然Mn4C看似是个非常简单的化合物，但其样品难以制备使人们对Mn4C的合成原理和物理性能知之甚少，甚至在X射线粉末衍射数据库中也没有Mn4C的结构数据，在锰-碳二元相图中也没有Mn4C的存在。本专利技术首次在实验中获得了高纯度Mn4C，为其相关后续研究和应用开发提供了可能。材料磁性的热力学调控是磁学研究最有吸引力和应用价值也是最难实现的领域之一。绝大多数物质的饱和磁化强度随着温度的升高而降低，这种由于热扰动导致的磁有序程度下降有很多负面作用，是多数磁性材料在使用过程中必须考虑的问题。例如钕铁硼强磁体性能随着温度升高下降很快，这大大限制了钕铁硼磁体的最高使用温度范围，多数在80摄氏度以下，少数在200摄氏度以下。在磁记录介质中，信息磁性存储比特单元的热稳定性对存储信息的安全性至关重要。在磁盘信息读出头噪音中，由于温度变化导致的磁化强度波动是噪音的主要来源。信息热稳定性和读出噪音是磁存储领域的关键问题。我们通过磁性测试，第一次发现高纯度Mn4C的饱和磁化强度随着温度的升高线性增加，这种与绝大多数物质不同的热磁行为非常有意义，可以用于克服磁化强度热扰动，补偿传统材料磁化强度随温度升高而下降的问题，为保持磁性材料的热稳定性提供了可能。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种高纯度磁性材料Mn4C化合物，该化合物具有立方钙钛矿结构（图1），该结构已经被该化合物的X射线粉末衍射结果所证实（图2）。图2中的主要衍射峰与Mn4C结构高度吻合，计算表面其钙钛矿结构晶格参数为a0=3.8682埃。Mn4C晶胞中(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面的衍射峰衍射强度依次递减。图2极低的背景峰说明该产物具有极低的Mn4C之外的杂质含量。该Mn4C化合物具有饱和磁化强度在很宽的温度区间内随着温度的升高而增加的物理性能，这是与多数物质不同的特性。该产物在50K温度以下的饱和磁化强度大于或等于6Am2/kg；室温300K时的饱和磁化强度大于等于7Am2/kg；在400K时的饱和磁化强度大于等于8Am2/kg。在高于590K区间时该材料的饱和磁化强度开始下降。图1中初始产物的XRD图谱显示Mn4C纯度很高，有微量的Mn23C6和Mn未被分离，这证明我们的方法在制备纯相Mn4C方面非常有效。具体说来，该专利技术制备了一种碳含量原子比约为20%的，锰含量原子比约为80%的具有钙钛矿结构的在室温可以亚稳状态存在的磁性锰碳二元化合物，其中一个样品用安装在扫描电子显微镜上的电子能量散射谱仪测试了元素成分构成，得到其锰碳原子比为80.62:19.38,如图3所示，考虑到实验仪器误差，这个数值非常接近理论值4:1，这进一步证明了我们得到的样品是Mn4C相。需要说明的是，锰碳二元合金成分如果有一定程度的成分偏离Mn4C会导致锰原子缺位或过多，只要偏离不大，产物的晶体结构仍可以保持立方钙钛矿结构但晶格参数稍有变化。本专利技术提供了一种制备高纯度立方钙钛矿结构Mn4C化合物的工艺方法。该工艺所采用的技术方案过程如下：1)锰碳按比例配料→2)将配料置于惰性气氛下→3)将配料加热升温直至所有配料熔化→4)将熔体降温直至熔体凝固→5)收集产物→6)研磨细化→7)用磁体分离得到磁性物质去掉非磁性物质→8)重复研磨磁分离过程使纯度得到提升。需要说明的是锰碳的化学计量原子比例可以偏离4比1，但偏离范围不超过1%。配料反应腔体要抽高真空到0.001帕斯卡以下，然后通入高纯度氩气。配料升温熔化过程和熔体冷却过程的升温速率和降温速率在一千度每秒到二十度每分之间。所获得的具有一定纯度的磁性Mn4C化合物需要多次重复研磨粉碎磁体分离的过程提高纯度，只留下磁性相。附图说明图1.具有立方钙钛矿结构的Mn4C晶胞结构示意图。MnⅠ原子占据晶胞顶角，MnⅡ原子占据晶胞面心位置，C原子占据晶胞体心位置。图2产物的X射线粉末衍射图谱表明产物主要由高纯度Mn4C组成。Mn4C钙钛矿结构的各衍射峰晶面指数一同标注。图3Mn4C产物的电镜照片形貌和对应区域元素成分电子能量散射谱图得到锰碳原子比为80.62:19.38。图4Mn4C产物在700K及923K下热处理所得产物的XRD图谱。两者都由Mn4C、Mn23C6、Mn和氧化锰相构成。温度越高Mn23C6越多。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。将锰碳按一定比例以一定升降温速度熔化冷却，得到具有一定纯度的Mn4C样品，然后将样品产物研磨粉碎，在梯度磁场中将磁性相和非磁性相分离8次，得高纯度具有钙钛矿结构的Mn4C。为了观察钙钛矿结构的Mn4C在温度升高时的结构变化，我们将上述产物分别在700K和923K下进行了热处理，并将所得粉末进行了X射线粉末衍射实验，所得结果如图4所示。可见在700K下处理后，部分Mn4C受热分解形成Mn23C6和锰，所形成的锰部分又在空气中被氧化形成氧化锰，说明Mn23C6是比Mn4C热稳定性更高的相。随着热处理温度达到923K，更多量的Mn4C分解成Mn23C6和锰，其中锰并进一步在空气中自然氧化形成氧化锰。从Mn4C中析出的锰颗粒很小，所以很容易在空气中吸氧氧化。该Mn4C在高温下的相变化过程更进一步说明了我们最初得到的样品是高纯度的Mn4C。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.高纯度Mn4C二元化合物，其特征在于：该化合物具有立方钙钛矿结构，该物质的饱和磁化强度在很宽的温度区间内随着温度增高而增加。
【技术特征摘要】
1.高纯度Mn4C二元化合物，其特征在于：该化合物具有立方钙钛矿结构，该物质的饱和磁化强度在很宽的温度区间内随着温度增高而增加。2.如权利要求1所述的高纯度Mn4C二元化合物，其特征在于：所述温度区间为50-590K附近。3.一种制备高纯度Mn4C二元化合物的方法，其特征在于：首...
【专利技术属性】
技术研发人员：司平占，崔哲镇，葛洪良，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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