Glass–crystalline materials with high iron oxide concentration: Phase composition, redox ratio and magnetic properties

• Published in: Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (1983) 2024-01, Vol.63 (1), p.23-32
• Main Authors: Harizanova, Ruzha, Mihailova, Irena, Cherkezova-Zheleva, Zara, Paneva, Daniela, Georgieva, Milena, Tzankov, Dimitar, Avdeev, Georgi, Rüssel, Christian
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Espectroscopia Mössbauer; Glass–crystalline materials; Iron oxides; Magnetometría de muestra vibrante; Mössbauer spectroscopy; Vibrating sample magnetometry; Vitrocerámicas; Óxidos de hierro
• ISSN: 0366-3175
• DOI: 10.1016/j.bsecv.2023.04.001

The synthesis of glass–crystalline materials in the system Na2O/CaO/SiO2/Fe2O3 with high concentrations of Fe2O3 (20, 25 and 30mol%) by applying the melt-quenching technique is reported. The melts spontaneously crystallize during pouring and the formation of magnetite (Fe3O4), hematite (α-Fe2O3) and ɛ-Fe2O3, as identified by X-ray diffraction (XRD) is observed. The microstructure and the elemental composition of the prepared materials are further investigated by scanning electron microscopy (SEM) and two different morphological types of Fe-containing crystals – needle-like and dendrite-shaped are detected. Mössbauer spectroscopy showed the presence of Fe3+ and Fe2+, as well as the existence of iron ions both in tetrahedral and octahedral coordination and the precipitation of hematite, ɛ-Fe2O3 and magnetite. The magnetic measurements on the prepared samples reveal ferrimagnetic properties with well defined hysteresis curves, although due to relatively small volume fraction of the iron-rich crystalline phases, the net magnetic moment is quite low compared to the bulk values for magnetite. Se reporta la síntesis de materiales vitrocerámicos en el sistema Na2O/CaO/SiO2/Fe2O3 con altas concentraciones de Fe2O3 (20, 25 y 30mol%) aplicando el método de quenching —el enfriamiento rápido del fundido. Los fundidos cristalizaron espontáneamente durante el vertido y se identificó la formación de magnetita (Fe3O4), hematita (α-Fe2O3) y ɛ-Fe2O3 por difracción de rayosX (XRD). La microestructura y la composición elemental de los materiales preparados se investigaron por microscopia electrónica de barrido (SEM) y se detectaron dos tipos morfológicos diferentes de cristales que contenían Fe: en forma de aguja y en forma de dendritas. La espectroscopia Mössbauer mostró la presencia de Fe3+ y Fe2+, así como la existencia de iones de hierro tanto en coordinación tetraédrica como octaédrica y la precipitación de hematita, ɛ-Fe2O3 y magnetita. Las mediciones magnéticas de las muestras preparadas revelaron propiedades ferrimagnéticas con curvas de histéresis bien definidas, aunque debido a la fracción de volumen relativamente pequeña de las fases cristalinas ricas en hierro, el momento magnético neto era bastante bajo en comparación con los valores generales de la magnetita.