納米磁性材料的研究進展

1、-作者xxxx-日期xxxx納米磁性材料的研究進展【精品文檔】納米磁性材料的研究進展納米磁性材料的研究進展摘要：介紹了納米磁性材料的分類、研究進展、制備方法、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：納米磁性材料，納米材料，磁性一、引言20世紀(jì)70年代人們利用共沉淀法制備出了磁性液體材料，1988 年巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了世界各國的關(guān)注，掀起了納米磁性材料的開發(fā)和應(yīng)用研究熱潮。 近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，記錄的信息量也在不斷增加。 以超微粒作記錄單元， 可使記錄密度大大提高。納米磁性微粒尺寸小、單疇結(jié)構(gòu)矯頑力高，用它制作磁記錄材料，可以提高信噪比改善圖像質(zhì)量。應(yīng)用的需求使得人們對磁性材料展開了廣泛

2、的研究1，磁性復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀、制備方法以及應(yīng)用前景受到人們的關(guān)注，成為現(xiàn)代材料研究的熱點。納米磁性材料是指材料尺寸限度在納米級, 通常在 1 100nm 的準(zhǔn)零維超細(xì)微粉,一維超薄膜或二維超細(xì)纖維( 絲) 或由它們組成的固態(tài)或液態(tài)磁性材料。當(dāng)傳統(tǒng)固體材料經(jīng)過科技手段被細(xì)化到納米級時, 其表面和量子隧道等效應(yīng)引發(fā)的結(jié)構(gòu)和能態(tài)的變化, 產(chǎn)生了許多獨特的光、 電、 磁、 力學(xué)等物理化學(xué)特能,有著極高的活性, 潛在極大的原能能量, 這就是 量變到質(zhì)變。納米磁性材料的特殊磁性能主要有: 量子尺寸效應(yīng)、超順磁性、 宏觀量子隧道效應(yīng)、 磁有序顆粒的小尺寸效應(yīng)、特異的表觀磁性等。二、納米磁性材料的分類與應(yīng)

3、用納米磁性材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可以分為納米顆粒型、納米微晶型和磁微電子結(jié)構(gòu)材料三大類。磁存儲介質(zhì)材料: 近年來隨著信息量飛速增加, 要求記錄介質(zhì)材料高性能化, 特別是記錄高密度化。高記錄密度的記錄介質(zhì)材料與超微粒有密切的關(guān)系。若以超微粒作記錄單元, 可使記錄密度大大提高。納米磁性微粒由于尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu), 矯頑力很高的特性, 用它制作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖像質(zhì)量。納米磁記錄介質(zhì): 如合金磁粉的尺寸在 80nm, 鋇鐵氧體磁粉的尺寸在40nm,今后進一步提高密度向 量子磁盤化發(fā)展, 利用磁納米線的存儲特性, 記錄密度達 400Gbit/2, 相當(dāng)于每平方英寸可存儲 20 萬部紅樓夢

4、小說。磁性液體:它是由超順磁性的納米微粒包覆了表面活性劑, 然后彌漫在基液中而構(gòu)成。利用磁性液體可以被磁場控制的特性, 用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場分布, 從而可將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的 O形環(huán), 且沒有磨損, 可以做到長壽命的動態(tài)密封。這也是磁性液體較早、 較廣泛的應(yīng)用之一。此外, 在電子計算機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭與磁盤, 在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。磁性液體還有其他許多用途, 如儀器儀表中的阻尼器、 無聲快速的磁印刷、 磁性液體發(fā)電機、 醫(yī)療中的造影劑等等。納米磁性藥物: 磁性治療技術(shù)在國內(nèi)外的研究領(lǐng)域在拓寬, 如治療癌癥,用納米的金屬

5、性磁粉液體注射進人體病變的部位, 并用磁體固定在病灶的細(xì)胞附近, 再用微波輻射金屬加熱法升到一定的溫度, 能有效地殺死癌細(xì)胞。另外,還可以用磁粉包裹藥物,用磁體固定在病灶附近, 這樣能加強藥物治療作用。電波吸收(隱身) 材料: 納米粒子對紅外和電磁波有吸收隱身作用。由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長,因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多, 這就大大減少波的反射率, 使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱, 從而達到隱身的作用; 另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大 3- 4 個數(shù)量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多, 這就使得紅外探測器及雷達得到的

6、反射信號強度大大降低, 因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo),起到了隱身作用。2. 2納米微晶型納米微晶稀土永磁材料: 稀土釹鐵硼磁體的發(fā)展突飛猛進, 磁體磁性能也在不斷提高, 目前燒結(jié)釹鐵硼磁體的磁能積達到 50M GOe, 接近理論值 64M GOe, 并已進入規(guī)模生產(chǎn)。為進一步改善磁性能, 目前已經(jīng)用速凝薄片合金的生產(chǎn)工藝, 一般的快淬磁粉晶粒尺寸為 20- 50nm, 如作為粘結(jié)釹鐵硼永磁原材料的快淬磁粉。為克服釹鐵硼磁體低的居里溫度, 易氧化和比鐵氧體高的成本價格等缺點, 目前正在探索新型的稀土永磁材料, 如釤鐵氮、 釹鐵氮等化合物。另一方面, 開發(fā)研制復(fù)合稀土永磁材料, 將軟磁相與永磁相在納米尺

7、寸內(nèi)進行復(fù)合, 就可獲得高飽和磁化強度和高矯頑力的新型永磁材料。納米晶磁性材料可開發(fā)成各種各樣的磁性器,應(yīng)用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域, 用作電流互感器、 開關(guān)電源變壓器、 濾波器、 漏電保護器、 互感器及傳感器等。2. 3磁微電子結(jié)構(gòu)材料巨磁電阻材料: 將納米晶的金屬軟磁顆粒彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料中,構(gòu)成兩相組織的納米顆粒薄膜, 這種薄膜最大特點是電阻率高, 稱為巨磁電阻效應(yīng)材料, 在100M Hz以上的超高頻段顯示出優(yōu)良的軟磁特性。由于巨磁電阻效應(yīng)大, 可便器件小型化、 廉價, 可作成各種傳感器件,例如,測量位移、 角度, 數(shù)控機床、 汽車測速, 旋轉(zhuǎn)編碼器,微弱磁場探測器( SQU IDS)

8、 等。磁性薄膜變壓器: 個人電腦和手機的小型化, 必須采用高頻開關(guān)電源, 并且工作頻率越來越高, 逐步提高到 12M Hz 或更高。要想使高頻開關(guān)電源進一步向輕薄小方向發(fā)展, 立體的三維結(jié)構(gòu)鐵芯已經(jīng)不能滿足要求, 只有向低維的平面結(jié)構(gòu)發(fā)展, 才能使高度更薄、 長度更短、 體積更小。對于10 25W 小功率開關(guān)電源, 將采用印刷鐵芯和磁性薄膜鐵芯。幾個微米厚的磁性薄膜, 基本上不成形三維立體結(jié)構(gòu), 而是二維平面結(jié)構(gòu), 其物理特性也與原來的立體結(jié)構(gòu)不同, 可以獲得前所未有的高性能和綜合性能。磁光存儲器: 當(dāng)前只讀和一次刻錄式的光盤已經(jīng)廣泛應(yīng)用, 但是可重復(fù)寫、 擦的光盤還沒有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。最具有發(fā)展

9、前途的是磁性材料介質(zhì)的磁光存儲器, 其可以像磁盤一樣反復(fù)多次地重復(fù)記錄。目前大量使用的軟磁盤, 由于材料介質(zhì)和記錄磁頭的局限性, 其存儲密度已經(jīng)達到極限;另外其已經(jīng)不能滿足信息技術(shù)的發(fā)展要求, 無法在一張盤上存儲更多的圖象和數(shù)據(jù)。采用磁光盤存儲, 就能在一張盤上記錄數(shù)千兆字節(jié)到數(shù)十千兆字節(jié)的容量, 并且能反復(fù)地擦寫使用。三、納米磁性的制備納米磁性材料的制備主要分為磁流體的制備、 納米磁性微粒的制備、 納米磁性微晶的制備以及納米磁性復(fù)合材料的制備。3. 1磁流體的制備方法磁性流體 ,簡稱磁流體 ,指的是吸附有表面活性劑的磁性固體顆粒均勻分散到基液中而形成的一種穩(wěn)定膠體體系。磁性液體既具有液體的流

10、動性又具有固體磁性材料的磁性 ,由于具有交叉特性 ,所以這種磁性液體材料應(yīng)滿足的性能要求是:高的飽和磁化強度 ,在使用溫度下有長期的穩(wěn)定性 ,在重力和電磁力的作用下不沉淀 ,有好的流動性。磁流體的制備方法有物理法和化學(xué)法。物理法又可分為研磨法、 蒸發(fā)冷凝法、 超聲波法、 機械合成法、 等離子 CVD法等;化學(xué)法又可分為氣相沉積法、 水熱合成法、 溶膠凝膠法、 熱分解法、微乳液法及化學(xué)共沉淀法等。各種方法各具優(yōu)缺點 ,根據(jù)不同的需求選擇不同的制備方法。3.1.1物理法 研磨法工藝簡單，但材料利用率低，球磨罐及球的磨損嚴(yán)重， 雜質(zhì)較多， 成本昂貴， 還不能得到高濃度的磁流體，因而實用差。熱分解法會

11、產(chǎn)生的CO氣體會污染環(huán)境，不適宜規(guī)模生產(chǎn)。超聲波法可以制得粒徑分布均一的磁流體。 2.1.2化學(xué)法 化學(xué)沉淀法是最經(jīng)濟的制備納米磁流體的方法。 用該方法能夠制成穩(wěn)定的ZDW基磁性液體，在磁場、電場中長期放置或高速離心沒有觀測到分層或沉淀現(xiàn)象。 水熱法具有兩個特點： 一是較高的溫度 （130250）有利于磁性能的提高；二是在封閉容器中進行，產(chǎn)生相對高壓（4MPa）并避免了組分揮發(fā)。2.2磁性微粒的制備方法 磁性微粒的制備方法主要有包埋法和單體聚合法， 另外還有沉淀法、化學(xué)轉(zhuǎn)化法等。利用納米磁性微粒構(gòu)成海綿狀體和輕燒結(jié)體可制成多種用途的器件，廣泛用于各種過濾器、活性電極材料，如備受關(guān)注的汽車尾氣凈

12、化器。 包埋法制備的磁性微粒、磁流體與高分子間通過范德華力、氫鍵和螯合作用以及功能基間的共價鍵結(jié)合，得到的微粒粒徑分布寬、粒徑不易控制、殼層中難免混有雜質(zhì)。 單體聚合法得到的載體粒徑較大，固載量小，但作為固定化酶的載體， 有利于保持酶的活性， 而且磁性也較強，且該法簡便、快速，微粒同時還具有熱敏性。2.3納米磁性微晶的制備方法 非晶化方法制備納米晶粒：通過晶化過程的控制，將非晶化材料轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米材料是目前較常用的方法。 尤其適用于薄膜材料與磁性材料的研究中。在 Fe-Si-B 體系的磁性材料中，由非晶化方法制的納米磁性材料很多。 深度塑形變形法制備納米晶體： 該方法是材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下發(fā)生

13、嚴(yán)重塑性變形， 從而將材料的晶粒尺寸細(xì)化到亞微米或納米量級。2.4納米磁性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法 由于磁性復(fù)合材料的種類繁多， 因此其制備方法也不盡相同。同一種功能的材料可以采用不同的方法制備，也可以用同一種方法制備出不同功能的復(fù)合材料。 目前比較常用的制備方法主要有溶膠凝膠法、化學(xué)共沉淀法、磁控濺射法和激光脈沖沉積法等。四、納米磁性的應(yīng)用展望納米材料是納米技術(shù)的核心, 是 21 世紀(jì)最有前途的材料, 也是納米技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)之一。納米科技的發(fā)展給傳統(tǒng)磁性產(chǎn)業(yè)帶來了跨越式發(fā)展的重大機遇和挑戰(zhàn)。在通信與計算機領(lǐng)域，納米磁材料推動著硬盤記錄密度的突飛猛進。由納米磁材料的巨磁電阻效應(yīng)開發(fā)的新一代磁隨機存儲器即將進入市場，預(yù)計產(chǎn)值一千億/年。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米磁材料具有小尺寸效應(yīng)、 良好的磁向?qū)浴?生物相容性、 生物降解性和活性功能基團等特點。,將納米磁性粒子制成藥物載體 ,通過靜脈注射到動物體內(nèi) ,在外加磁場作用下通過納米微粒的磁性導(dǎo)航 ,使其移動到病變部位達到定向治療的目的將成為現(xiàn)實。在國防領(lǐng)域,它納米磁性顆粒作為吸波材料的組成之一，亦備受重視，用于隱形飛機、坦克裝備等上面。參考文獻1 張振忠、楊根倉、陳光 塊體納米磁性材料研究進展及展望J. 世界科學(xué)研究及發(fā)展 2001,082 王慶祿