Artículo de investigación/Research article

Efecto de la concentración de magnetita en la estructura, propiedades eléctricas y magnéticas de un material compuesto a base de resina de poliéster

Effect of the concentration of magnetite on the structure, electrical and magnetic properties of a polyester resinbased composite

Gabriel PeñaRodríguez¹, Paola A. RiveraSuárez², César H. GonzálezGómez³, Carlos A. ParraVargas⁴, Andrés O. GarzónPosada⁵, David A. LandínezTéllez⁶ y Jairo RoaRojas⁷

¹ PhD en Ingeniería de Materiales. Facultad de Ciencias Básicas. Departamento de Física. Grupo GIFIMAC. Universidad Francisco de Paula Santander. Cúcuta, Colombia, gabrielpr@ufps.edu.co

² Ingeniera Industrial. Facultad de Ingeniería Universidad Francisco de Paula Santander, San José de Cúcuta, Colombia, paorivera08@gmail.com

³ Ingeniero Industrial. Facultad de Ingeniería Universidad Francisco de Paula Santander, San José de Cúcuta, Colombia, cesargonzalez1691@gm9ail.com

⁴ PhD en física. Escuela de Física: Grupo de Física de Materiales, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Tunja, Colombia, carlos.parra@uptc.edu.co

⁵ MSC. en Materiales, Estudiante de doctorado en Materiales, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. aogarzonp@unal.edu.co

⁶ PhD en Física, Grupo de Física de Nuevos Materiales, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia, dalandinezt@unal.edu.co

⁷ PhD en Física, Grupo de Física de Nuevos Materiales, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia, jroar@unal.edu.co

Fecha de recepción: 31 de marzo de 2017/ Fecha de aceptación: 24 de noviembre de 2017

Como citar / How to cite

G. PeñaRodríguez, P. A. RiveraSuárez, C. H. GonzálezGómez, C. A. ParraVargas, A. O. GarzónPosada, D. A. LandínezTéllez y J. RoaRojas, Efecto de la concentración de magnetita en la estructura, propiedades eléctricas y magnéticas de un material compuesto a base de resina de poliéster. TecnoLógicas, vol. 21, no. 41, pp. 1327, 2018.

Resumen

Se reporta el efecto de la concentración de polvos de magnetita (Fe₃O₄) sobre las propiedades eléctricas y magnéticas de un material compuesto a base de resina de poliéster termoestable. Las muestras se elaboraron mediante el método de colado manual en concentraciones de: 6040, 7030, 8020, 9010 y 1000 (% en peso), donde la fase mayoritaria es la resina y la minoritaria los óxidos de Fe₃O₄. La estructura cristalina se estudió usando la técnica de difracción de rayos X y la caracterización superficial tuvo lugar a través de la técnica de microscopía electrónica de barrido. Se midió la respuesta eléctrica por medio de curvas de polarización eléctrica en función del campo eléctrico y de resistividad eléctrica volumétrica a través de un electrómetro. La respuesta magnética se determinó mediante curvas de magnetización en función de la intensidad de campo magnético aplicado y en función de la temperatura. El análisis estructural indica que el porcentaje de cristalinidad aumenta a medida que se adiciona la concentración de Fe₃O₄ a las muestras. La caracterización eléctrica del material evidencia que la resistividad volumétrica disminuye con el incremento de magnetita, mostrando una transición aislanteconductor, con valores de la constante dieléctrica cada vez mayores. La caracterización magnética evidencia un aumento lineal de la magnetización de saturación y del momento magnético en función de la cantidad de magnetita adicionada a la matriz polimérica, mientras que la coercitividad evidencia comportamientos de materiales magnéticos blandos tanto en T > T_V como en T < T_V, donde TV representa la temperatura de Verwey.

Palabras clave: Materiales compuestos, magnetita, polarización eléctrica, resistividad volumétrica, comportamiento magnético, DRX.

Abstract

This study reports the effect of the concentration of magnetite powders (Fe₃O₄) on the electrical and magnetic properties of a resinbased composite of thermoset polyester. The samples were prepared by the casting method at different concentrations: 6040, 7030, 8020, 9010 and 1000 (% in weight), where the primary phase was resin and the secondary, Fe₃O₄ powders. The crystalline structure was studied using Xray diffraction and surface characterization was carried out applying the scanning electron microscopy technique. The electrical response was measured by electric polarization curves as a function of the electric field; and the volumetric electrical resistivity, by an electrometer. The magnetic response was determined by magnetization curves as a function of temperature and intensity of the applied magnetic field. The structural analysis indicates that crystallinity increases as higher concentrations of Fe₃O₄ are added to the samples. The electrical characterization of the material reveals that the volumetric resistivity decreases as the content of magnetite increases. These reactions indicate an insulationconductor transition with increasing dielectric constant values. The magnetic characterization presents a linear increase of the saturation of magnetization and magnetic moment as a function of the amount of magnetite added to the polymer matrix, whereas the coercivity shows behaviors of soft magnetic materials for T > T_V and for T < T_V, where Tv represents the temperature of Verwey.

Keywords: Composite materials, magnetite, electric polarization, volumetric resistivity, magnetic behavior, XRD.

1. Introducción

Actualmente, la necesidad de suplir algunas limitaciones existentes en diversos materiales monofásicos ha promovido una intensa actividad en nuevos materiales compuestos (también conocidos como “compósitos”), formados por la combinación de dos o más compuestos, de tal modo que uno de ellos es llamado matriz (fase continua: metálica, polimérica o cerámica) y los otros constituyen el refuerzo (fase discreta: partículas, láminas o fibras) [1].

Particularmente, el campo de aplicación y estudio de los polímeros ha ganado amplio interés durante las últimas décadas y ocupa espacios que antes les pertenecían a los materiales cerámicos y metálicos [2]. Por esta razón, las resinas de poliéster han conquistado un lugar relevante como una de las familias de polímeros termoestables más usadas en la fabricación de materiales compuestos. Así, gracias a la adición de un catalizador, las cadenas poliméricas de estas resinas se entrecruzan mediante el estireno y forman una red tridimensional, infusible y termoestable que permite la obtención de piezas sólidas en los procesos de curado del material [3].

Los refuerzos particulados se usan en compuestos poliméricos como relleno para reducir costos, mejorar el procesado, controlar la densidad, modificar las propiedades eléctricas, retardar la flama y mejorar las propiedades mecánicas [2]. Entre ellos, se pueden considerar algunos compuestos inorgánicos que incluyen óxidos metálicos tales como los óxidos de hierro. Uno de estos es la magnetita (Fe3O4), un material con elevado potencial de aplicabilidad en razón de sus excelentes propiedades eléctricas y magnéticas, fuertemente dependientes de su estructura de tipo espinela inversa [4].

Aunque el uso de la magnetita en matrices termoplásticas y termoestables es relativamente nuevo, se ha implementado en la industria automotriz, en dispositivos de almacenamiento de información y en el diseño de piezas para uso biomédico cuya forma se modifica ante la presencia de campos magnéticos, como los stents [4], debido a las ventajas combinadas de ambos materiales.

En este trabajo se reporta un minucioso estudio del efecto de la concentración de magnetita en la estructura, propiedades eléctricas y magnéticas de mezclas a base de resina de poliéster. La caracterización estructural permitió identificar las fases mineralógicas y el porcentaje de cristalinidad de las muestras, y las imágenes de microscopía facilitaron el análisis de su morfología superficial. Propiedades eléctricas como la constante dieléctrica (∈_r) y la resistividad volumétrica (ρ_v) se analizaron a temperatura ambiente. Adicionalmente, se midió la magnetización del material en función de la temperatura, con lo cual se determinó el momento magnético efectivo del material. Mediciones de magnetización en función del campo magnético aplicado permitieron elaborar curvas de histéresis magnética para establecer parámetros característicos como la magnetización de saturación (M_S), la magnetización remanente (M_R) y el campo coercitivo (H_C). Así mismo, se efectuó un análisis de todos los parámetros magnéticos en función de la concentración de magnetita en las muestras.

2. Materiales y métodos

Se emplearon óxidos de magnetita en polvo, adquiridos a través de la empresa Minarmol de Colombia S.A.S., con una distribución de tamaño de partícula en el rango entre 8,0 y 65,5 µm. La resina empleada para las mezclas es de tipo ortoftáltica insaturada preacelerada (referencia P2000), distribuida por Industrias de Resinas S.A.S. Este tipo de resina es de uso general en ambientes no agresivos, de color rosado, con aproximadamente un 65 % de poliéster, viscosidad en el rango de 500 a 700 mPa.s (a 25 °C) y tiempo de gelación entre 14 y 18 minutos (a 25 °C). Para el proceso de curado se usó como catalizador Meckperóxido en concentración de 4 % en peso a temperatura ambiente, siguiendo las recomendaciones del proveedor.

En la Tabla 1 se presentan las mezclas con porcentaje en peso para la conformación de las probetas, donde la fase mayoritaria fue la resina y la minoritaria los polvos de magnetita. La preparación de las muestras se realizó de forma manual, para lo cual se depositó la resina en un recipiente de aluminio; posteriormente se agregaron los polvos de magnetita, y se mezclaron mediante el agitador de cabezal DLAB modelo OS20S, a 200 r.p.m. por un tiempo de diez minutos; luego se adicionó el catalizador, manteniendo el mezclado por dos minutos más, y por último se depositó manualmente la mezcla en los moldes respectivos, a los que previamente se les había aplicado alcohol polivinílico líquido como desmoldante.

La caracterización morfológica de las muestras se realizó mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), utilizando un microscopio FEI Quanta 650 FEG. El análisis estructural de identificación de fases cristalinas de las muestras se llevó a cabo mediante difracción de rayos X (DRX), para lo cual se usó el difractómetro X´Pert PRO de PANalytical, con las siguientes condiciones de trabajo: potencial de 45 kV; longitud de onda CuKα λ=1,540598 Å; paso angular 2q=0,02°; tiempo de exposición de 8 s; intensidad de corriente de 40 mA. La respuesta eléctrica del material se determinó a través de mediciones de polarización eléctrica en función del campo eléctrico aplicado, dividiendo el voltaje aplicado por el espesor de las muestras. Para este fin, se utilizó un polarímetro Radiant Technologies modelo PHVA10 OP110. La resistividad volumétrica a temperatura ambiente se estableció por medio de mediciones características de corrientevoltaje en un electrómetro Keithley 6517A, junto con una cámara de resistividad Modelo 8009. Las mediciones de la magnetización en función de la temperatura se efectuaron según los procedimientos Zero Field Cooling (ZFC) y Field Cooled (FC) en un régimen de temperaturas entre 50 K y 400 K. Las curvas de histéresis magnética se elaboraron a partir de medidas de magnetización DC, en función del campo magnético aplicado hasta un máximo de 3,0 Tesla. Para lo anterior se utilizó un magnetómetro en modo VSM de Quantum Design (VersaLab^TM).

3. Resultados y Discusión

En la Fig. 1 se presentan resultados de microscopía electrónica de barrido, en imágenes de la superficie de las muestras M10, M20, M30 y M40, para una magnificación de 100X con el sensor de electrones secundarios provenientes de las mismas muestras, ya que son emitidos durante procesos de colisiones inelásticas.

En todas las muestras se evidenció notoriamente que al aumentar el porcentaje en peso de magnetita se incrementa la densidad superficial (cantidad de partículas por unidad de área) en la muestra y disminuyen las separaciones entre partículas. Estos resultados concuerdan con lo reportado en la literatura [4][6]. Adicionalmente, puede observarse una topografía superficial irregular de las partículas de magnetita, con geometrías inhomogéneas y tamaños promedio que oscilan entre 8,0 µm y 65,5 µm inmersas en la matriz de resina. Así mismo se observan aglomeraciones entre partículas que han sido atribuidas a interacciones magnetodipolo entre las mismas [7].

La Fig. 2 muestra el patrón de difracción obtenido para la magnetita en polvo. Se aprecia un comportamiento policristalino, identificado en las tablas PDF bajo el código No. 010751610, que corresponde a una estructura cúbica perteneciente al grupo espacial Fd3m, con parámetros de red a=b=c=8,3940 Å. De igual manera se observa que la reflexión de mayor intensidad corresponde al plano de difracción más densamente poblado (311), ubicado en la posición angular 2q=35,439°.

Los patrones de difracción para cada una de las muestras se presentan en la Fig. 3, donde se observa que a medida que la concentración de magnetita se incrementa en la muestra, la reflexión de mayor intensidad (2q=35,439°) correspondiente a la magnetita aumenta, mientras que la correspondiente a la fase de la resina de poliéster (2q=20,134°) se reduce gradualmente. En esta figura, el comportamiento amorfo de la resina se identifica a través de símbolos circulares, mientras que los picos de difracción de la magnetita se han marcado con triángulos.

Como era de esperarse, los porcentajes de cristalinidad aumentan con el incremento en la concentración de magnetita (ver Tabla 2), resultado que es coherente con lo reportado en [8], quienes trabajaron con compuestos de polietileno de alta densidad y partículas de magnetita. El porcentaje de cristalinidad se calcula al comparar numéricamente las intensidades correspondientes a la fase amorfa de la resina de poliéster con las intensidades características de la magnetita en los difractogramas de la Fig. 3.

En la Fig. 4 se presentan las gráficas de polarización eléctrica en función del campo eléctrico aplicado para las muestras M0, M20, M30 y M40 respectivamente. En dicha figura se observan las curvas de histéresis producidas al aplicar una señal triangular bipolar con un período de 50 ms, donde se aprecia el efecto de la concentración de magnetita en la polarización eléctrica del material compuesto. El comportamiento observado para la muestra M0 es típico de un condensador lineal y se debe al carácter dieléctrico de la resina. Para la muestra M20 la respuesta es característica de un condensador y resistencia en paralelo, correspondiente a un dieléctrico con pérdidas, debido a la mezcla del material dieléctrico de la resina con el material conductor y resistivo de la magnetita. Finalmente, las muestras M30 y M40 evidencian una característica más resistiva en razón del contenido sustancial de magnetita conductora [9].

Para calcular el valor de la constante dieléctrica (∈_r) en cada muestra, se utilizó la relación existente entre esta constante, el campo eléctrico aplicado (E), la polarización de saturación (P) y la constante de permeabilidad del espacio libre ∈₀ (8,8542x10¹² C²/Nm²), que está dada en (1) tal como se reporta en [10].

En la Tabla 3 se presentan los valores promedios de ∈_r hallados para cada una de las muestras. En ella es posible observar claramente el aumento de ∈_r con el incremento en la concentración de magnetita.

Para el caso de la muestra M40, el incremento de ∈_r es de 1290 % respecto del valor hallado para la muestra M0. Conforme se muestra en la micrografía de la Fig.1 una buena proporción superficial del material está ocupada por la magnetita, lo que justifica el aumento en el carácter resistivo, pero existe otra gran porción intersticial de resina. Esta distribución de los dos materiales podría constituir incontables pequeños condensadores dieléctricos que justificarían el aumento gradual de ∈_r con el aumento en la concentración de magnetita. Por otra parte, al comparar los valores de ∈_r para las muestras con los reportados en la literatura, se encontró que son del mismo orden de magnitud a los hallados en [4], para mezclas de polietileno y magnetita. Así mismo, el valor encontrado de ∈_r para la muestra M0 se encuentra dentro del rango reportado en la literatura [11].

Es preciso mencionar que las muestras en estudio (resina Fe₃O₄) sufren una transición al pasar de ser un material aislante (dieléctrico ideal) en las mezclas M0 y M10, a un material resistivo (material conductor) en las muestras M30 y M40, donde la corriente y el voltaje se encuentran en fase. De tal manera que para la resina de poliéster, las propiedades dieléctricas (no conductor) se verán afectadas con la concentración de magnetita, puesto que el umbral para alcanzar una cierta tensión eléctrica (llamada voltaje de ruptura) se hace cada vez menor debido a que la polarización aumenta en función del incremento de la concentración porcentual en peso del refuerzo (magnetita) a campos aplicados cada vez más bajos.

En la Tabla 4 se aprecia una clara influencia del aumento de la concentración de magnetita en la resistividad volumétrica del material: se observa una significante caída de hasta seis órdenes de magnitud, al pasar de x10¹³ Ωcm para las muestras M0 a valores de x10⁷ Ωcm para la muestra M40. Lo anterior indica que la resistividad volumétrica disminuye con el incremento en la concentración de partículas de magnetita. Cuando la concentración de magnetita alcance el umbral de percolación [12], habrá una red conductora en la matriz polimérica y, por consiguiente, una enorme disminución en la resistividad volumétrica, que se observa en la muestra M40.

Los resultados anteriores son similares a los reportados en [4], [5], [13], que evidenciaron una tendencia a la disminución en la resistividad del material entre cuatro y seis órdenes de magnitud, al aumentar la concentración de magnetita en muestras de poliuretano, resina epoxi y polietileno de alta densidad respectivamente. Sin embargo, los valores de resistividad volumétrica obtenidos en la presente investigación, inclusive para la muestra M40, difieren del excepcional valor de 1,068x10² Ωcm que posee la magnetita pura [14]. Esto se debe a la alta resistividad de la matriz polimérica (resina de poliéster) que oscila entre 3,3x10¹² y 3x10¹³ Ωcm [15], y que constituye el mayor porcentaje en peso dentro del compósito. A concentraciones de carga de hasta 10 % en peso, la alta resistividad del material compuesto (ρυ ≥ 10¹³ Ωcm) es indicativa de la fase polimérica aislante.

Las Tablas 5 y 6 sintetizan los resultados obtenidos para la magnetización de saturación (M_S), la magnetización remanente (M_R) y el campo coercitivo (H_C) medidos en las curvas de histéresis (ver Fig. 5 y 6) tomadas a temperatura constante de 50 y 300 K respecto al campo magnético aplicado (±3 Tesla) para cada una de las muestras, evidenciándose que M_S y M_R aumentan a medida que se incrementa el porcentaje en peso de magnetita en las muestras. Este comportamiento concuerda con los obtenidos en [7], [16], [17]. Por otra parte, el campo coercitivo (H_C) presenta un comportamiento independiente del porcentaje en peso de magnetita presente en la muestra, similar a lo reportado en [18], [19], lo que se debe al tamaño de las partículas y a su orientación aleatoria [17]. Así mismo, se evidencia que la magnetización de saturación, la magnetización de remanencia y el campo coercitivo aumentan al disminuir la temperatura de 300 K a 50 K, efecto debido a las fluctuaciones térmicas de los momentos magnéticos de los espines de la magnetita, que disminuyen al presentarse un incremento en la temperatura [16], [20][22].

Las Fig. 5 y 6 evidencian que, a pesar de la poca correlación entre el campo coercitivo y la concentración de Fe₃O₄ en las muestras, el cambio en la temperatura influencia fuertemente la respuesta magnética, produciendo un gradual descenso de los valores del H_C con el aumento de la temperatura (HC^50K > HC^300K). En la Tabla 5, para una T=300 K se observa que el valor del campo coercitivo para M10 y M30 duplica aproximadamente este valor para M20 y M40. Este comportamiento, independiente del porcentaje en peso de Fe₃O₄ presente en la muestra, es semejante al reportado en la literatura [18][19] y ha sido atribuido al tamaño de las partículas y al carácter aleatorio de su orientación en todo el volumen del material [17], donde es bien conocido que el tamaño, la morfología superficial y la estructura cristalina de las partículas que conforman un material, así como por las alteraciones en el entramado tridimensional de las muestras, influyen fuertemente en sus propiedades magnéticas, ya que los defectos estructurales y el tamaño finito pueden dar lugar a diferencias en los valores de los parámetros magnéticos [23]. Por otro lado, la energía térmica juega un papel determinante sobre la inestabilidad de los dominios magnéticos en el interior de las partículas de un material, razón por la cual esta aparente anomalía es notoria a temperatura ambiente (y en general a altas temperaturas), ya que la agitación térmica magnifica los efectos de fluctuaciones en las superficies finitas [24].

De igual manera, se observa que el campo coercitivo para las muestras con magnetita tomadas a T=300 K disminuyó en un orden de magnitud respecto a las evaluadas a T=50 K. Este cambio drástico se relaciona con la acentuada fluctuación magnética debida a la llamada transición de Verwey, que tiene lugar en T_V≈120 K.  Esta es una genuina transición de fase donde la estructura cristalina cambia de cúbica a monoclínica, de modo que por debajo de T_V la coercitividad tiene valores mucho mayores atribuidos al cambio discontinuo de la anisotropía de la magnetita al pasar de una fase estructural simétrica, como la cúbica Fd3m, a una fase menos simétrica como la monoclínica [25], [26].

De acuerdo con la literatura (ver Demir et al. [20] y Gu et al. [22]), a temperatura ambiente la magnetita se considera un material superparamagnético, con un valor de campo coercitivo y de magnetización remanente cercano a cero (además de una elevada magnetización de saturación), lo que posibilita su uso en aplicaciones biomédicas como la entrega localizada de medicamentos. Este comportamiento superparamagnético es evidente en las curvas tomadas a una T=300 K (Fig. 5), donde se aprecia notoriamente la reducción en la histéresis presentada por el material de estudio como respuesta al estímulo provocado por la aplicación del campo, reportando un declive sustancial en los valores de H_C y M_R. Para verlo más claramente, se puede comparar el resultado obtenido para M40 (40 % en peso de Fe₃O₄) a T=300 K con un H_C=0,00501 T y M_R=2,51 emu/g, con el observado para T=50 K, donde la misma muestra adquiere un H_C=0,01334 T y M_R=3,94 emu/g. A su vez, presenta características tales como curvas de histéresis estrechas con bajos campos coercitivos, alta saturación (alrededor de 80 emu/g) [27][29], altas permeabilidades magnéticas y temperaturas de Curie típicas de los materiales ferromagnéticamente blandos [30], baja coercitividad (menor a 0,5 T) y que se utilizan como materiales para el almacenamiento de energía o información [31] y sensores [32], entre otras aplicaciones. Por otra parte, las coercitividades presentadas a la temperatura de 50 K (223,15 °C), donde T < T_V, son características de los materiales ferromagnéticos duros, ya que poseen una coercitividad superior a 0,01 T y se consideran como imanes permanentes. También pueden emplearse como memorias magnéticas y para el almacenamiento de energía [33].

En la Fig. 7 se ejemplifica el comportamiento de la magnetización en función de la temperatura para todas las muestras, en un rango de temperatura entre los 50 K y los 320 K, siguiendo los procedimientos ZFC y FC. En las mediciones ZFC, se enfría la muestra hasta 50 K en ausencia del campo magnético externo; posteriormente se registra la magnetización a medida que aumenta la temperatura en presencia de un campo magnético aplicado de 0,2 T. Por otro lado, en las mediciones FC, se aplica una intensidad de campo magnético constante de 0,2 T, midiendo la respuesta magnética mientras la muestra se enfría hasta los 50 K.

Estas curvas ZFCFC, en conjunto con la Tabla 7, suministran información relevante sobre el comportamiento magnético del material compuesto (Resina de poliéster Fe₃O₄) antes y después de la temperatura a la que ocurre la transición de Verwey [34]. El valor de T_V puede variar ligeramente en función del tamaño, la superficie y la estructura cristalina de las partículas, en lo que se conoce como anisotropía de forma y magnetocristalina [27].

En la Fig. 7 se aprecia que la magnetización (M) del material es bajo a los 50 K y crece tenuemente hasta los 100 K, y aproximadamente a los 110 K se produce un incremento drástico hasta alcanzar su máximo valor, debido al alineamiento de los dominios magnéticos frente al estímulo provocado por el campo externo aplicado. Se observa que la reducción espontánea de M por debajo de los 120 K es una clara señal de la transición de Verwey.

El recuadro de la Fig. 7 señala la temperatura a la que las curvas ZFC y FC se separan, conocida como temperatura de irreversibilidad (T_irr). Este efecto ocurre porque al enfriar en ausencia de campo magnético durante el procedimiento ZFC, los momentos magnéticos del sistema se congelan, de modo que al aplicar el campo a bajas temperaturas no hay suficiente energía térmica para ayudar al campo en la orientación de los momentos magnéticos ferro o ferrimagnéticamente. A medida que se aumenta la temperatura, el efecto del campo adicionado a la energía térmica hace que cada vez más momentos magnéticos se orienten en dirección al campo aplicado, lo que aumenta la magnetización del sistema. Al alcanzar la T_V, la transición estructural que tiene lugar modifica el campo cristalino y la magnetización comienza a disminuir, conforme se observa en la Fig. 7.

En el procedimiento FC, al aplicar el campo a altas temperaturas el sistema responde alineando dominios magnéticos, cuyo número aumenta al disminuir la temperatura hasta alcanzar T_V. A temperaturas inferiores, se produce un ordenamiento de tipo antiferromagnético que disminuye la magnetización, pero su valor es mayor que el observado en la curva ZFC, porque en el caso FC el sistema ha tenido contribución de energía térmica para la orientación de los momentos magnéticos.

Los resultados reportados en la Tabla 7 sugieren un incremento en la magnetización y en la susceptibilidad magnética de las muestras a medida que aumenta el porcentaje en peso de la magnetita. Este comportamiento es similar al presentado en las curvas de histéresis magnéticas, siendo la muestra M40 (40 % en peso de Fe₃O₄) la que reportó mayor M y mayor χ, mientras que los menores valores corresponden a las muestras M10 (10 % en peso de Fe₃O₄) y M0 (100 % de resina). También se puede apreciar que las muestras alcanzan el valor máximo de M sobre los 126 K, en razón del efecto resistivo producido por la matriz polimérica de la resina de poliéster que dificulta el alineamiento de los momentos magnéticos de las partículas de magnetita al exponerse al estímulo de un campo magnético externo [7], [16]. Tras alcanzar el valor máximo, la magnetización decrece tenuemente, pero esta vez no es debido a una transición de fase estructural sino a las fluctuaciones térmicas de los momentos magnéticos del material. Se espera que esta tendencia continúe hasta la temperatura de Curie de la magnetita: TC≈853 K [35], temperatura a la que desaparecen los estados de magnetización espontánea porque la energía térmica destruye las fuerzas de acoplamiento de espín y la magnetita se torna completamente paramagnética.

Adicionalmente, en la Fig. 7 se observa que por debajo del máximo la curva FC conserva una tendencia aproximadamente constante de la susceptibilidad magnética, lo que sugiere la ocurrencia de un comportamiento de tipo ferrimagnético [36]. El máximo valor observado en todas las muestras (M10M40): cerca de T ≈ 120 K, se atribuye a la transición de Verwey de la magnetita [37].

4. Conclusiones

Estructuralmente se observó que a medida que se incrementa la concentración de magnetita a la matriz de resina el porcentaje de cristalinidad aumenta, lo cual se evidencia en la disminución de la zona amorfa de los patrones de difracción, así como en el incremento de la intensidad para el plano de difracción (311) correspondiente a la magnetita. Por otra parte, dentro de la precisión del equipo de difracción de rayos X utilizado se evidenció que la magnetita y la resina de poliéster no reaccionaron entre sí ya que únicamente las fases de magnetita y resina fueron identificadas en los difractogramas de las mezclas. La caracterización eléctrica del material realizada a través de las medidas de polarización eléctrica y de resistividad volumétrica revela que las muestras sufrieron una transición al pasar de un material aislante (dieléctrico ideal) a un material resistivo (material conductor) a medida que se incrementó la concentración porcentual en peso de la magnetita. Lo anterior se sustenta en la disminución de seis órdenes de magnitud en la resistividad volumétrica de las muestras, como resultado del incremento de la concentración de magnetita. El comportamiento magnético de las muestras reflejó un carácter superparamagnético a temperatura ambiente (∼300 K), lo que es característico de lazos de histéresis estrechos e indica que la intensidad de imanación se adquiere de forma gradual. Por otra parte, se observó una marcada dependencia de la coercitividad frente al cambio térmico, lo que revela comportamientos propios de los materiales magnéticamente duros (coercitividad mayor que 0,01T) tanto para T ˃ T_V como para T < T_V. Sin embargo, el cociente entre la magnetización de remanencia y la magnetización de saturación es relativamente bajo (M_r/M_s/~ 0.1), debido a lo cual el material se comporta como magnéticamente blando. Además, la magnetización y la susceptibilidad magnética en función de la temperatura evidenciaron incrementos al aumentar el porcentaje en peso de la magnetita, alcanzando un máximo para T≈120 K, que se atribuyó a la transición de Verwey de la magnetita.

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