納米磁性材料的研課件

1、納米磁性材料的研究進(jìn)展應(yīng)用化學(xué)一、納米磁性材料簡(jiǎn)介 納米材料又稱納米結(jié)構(gòu)材料,是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)的材料(1-10nm),或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料,是尺寸介于原子、分子與宏觀物體之間的介觀體系,因此,納米磁性材料的特殊磁性可以說(shuō)是屬于納米磁性。一、納米磁性材料簡(jiǎn)介 磁性材料一直是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防工業(yè)的重要支柱和基礎(chǔ),廣泛應(yīng)用于電信、自動(dòng)控制、通訊、家用電器等領(lǐng)域。而現(xiàn)代社會(huì)信息化發(fā)展的總趨勢(shì)是向小、輕、薄以及多功能方向發(fā)展,因而要求磁性材料向高性能、新功能方向發(fā)展。所以具有優(yōu)良性能的納米磁性材料得到了很好的研究及應(yīng)用。二、磁性材料發(fā)展磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。早在公

2、元前四世紀(jì),人們就發(fā)現(xiàn)了天然的磁石(磁鐵Fe3O4),我國(guó)古代人民最早用磁石和鋼針制成了指南針,并將它用于軍事和航海。二、磁性材料發(fā)展 對(duì)物質(zhì)磁性的研究具有悠久的歷史,是在十七世紀(jì)末期和十八世紀(jì)前半葉開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的。1788年,庫(kù)侖(Coulomb)把他的二點(diǎn)電荷之間的相互作用力規(guī)律推廣到二磁極之間的相互作用上1820年,丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特(Oersted)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng);同年法國(guó)物理學(xué)家安培(Ampere)提出了分子電流假說(shuō),認(rèn)為物質(zhì)磁性起源于分子電流1831年,英國(guó)科學(xué)家法拉第(Faraday)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律,并提出磁場(chǎng)的概念,為統(tǒng)一電磁理論打下了基礎(chǔ)二、磁性材料發(fā)展1834年,俄

3、國(guó)物理學(xué)家楞茨(Lenz),建立了感應(yīng)電流方向和磁場(chǎng)變化關(guān)系的楞次定律.英國(guó)物理學(xué)家麥克斯(Maxwell)將電和磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái),系統(tǒng)地提出了關(guān)于電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組,并預(yù)言了電磁波的存在1888年德國(guó)物理學(xué)家赫茲(Hertz)證實(shí)了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論十九世紀(jì)末隨著鐵磁性和抗磁性的發(fā)現(xiàn),法國(guó)物理學(xué)家居里(Curie)深入考察了抗磁性和順磁性與溫度的關(guān)系,建立了順磁磁化率與溫度成反比的實(shí)驗(yàn)規(guī)律居里定律。居里的研究成果推動(dòng)了固體磁性理論的蓬勃發(fā)展二、磁性材料發(fā)展1905年朗之萬(wàn)(Langevin)將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)應(yīng)用到一定大小的原子磁矩系統(tǒng),推導(dǎo)出了居里定律1907年,法國(guó)的物理學(xué)家外斯(Wei

4、ss)提出了鐵磁體內(nèi)部存在分子場(chǎng)和磁疇的假設(shè),在理論上定性地解釋了鐵磁體的磁性二十世紀(jì)20年代后,隨著量子力學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)物質(zhì)磁性的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了嶄新的階段三、納米磁性材料特點(diǎn)量子尺寸效應(yīng):材料的能級(jí)間距是和原子數(shù)N成反比的,因此,當(dāng)顆粒尺度小到一定的程度,顆粒內(nèi)含有的原子數(shù)N有限,納米金屬能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散,納米半導(dǎo)體微粒則存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道,能隙變寬。當(dāng)這能隙間距大于材料物性的熱能,磁能,靜電能,光子能等等時(shí),就導(dǎo)致納米粒子特性與宏觀材料物性有顯著不同。例如,導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體,磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān),比

5、熱亦會(huì)反常變化,光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng),這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。三、納米磁性材料特點(diǎn)小尺寸效應(yīng):當(dāng)粒子尺度小到可以與光波波長(zhǎng),磁交換長(zhǎng)度相當(dāng)或更小時(shí),原有晶體周期性邊界條件破壞,物性也就表現(xiàn)出新的效應(yīng),如從磁有序變成磁無(wú)序,磁矯頑力變化,金屬熔點(diǎn)下降等。宏觀量子隧道效應(yīng):微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力,稱為量子隧道效應(yīng)。它限定了磁存儲(chǔ)信息的時(shí)間極限和微電子器件的尺寸極限。四、納米Fe3O4磁性粒子的制備 納米Fe3O4磁性粒子以其顯著的磁效應(yīng)、表面效應(yīng),在磁性液體、生物靶向材料、微波吸波材料、靜電復(fù)印顯影劑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。制備Fe3O4的原材料來(lái)源廣泛、價(jià)廉,制作工藝也相對(duì)

6、簡(jiǎn)便,因而納米Fe3O4磁性粒子成為納米材料領(lǐng)域和功能材料領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn) 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備沉淀法1.共沉淀法原理：Fe2+Fe3+OHFe(OH)2/Fe(OH)3Fe(OH)2+Fe(OH)3FeOOH+Fe3O4FeOOH+Fe2+Fe3O4+H+四、納米Fe3O4磁性粒子的制備共沉淀法優(yōu)點(diǎn)：共沉淀法的特點(diǎn)為產(chǎn)品純度高、反應(yīng)溫度低、顆粒均勻、粒徑小、分散性也好。不足：但此法對(duì)于多組分來(lái)說(shuō),要求各組分具有相同或相近的水解或沉淀?xiàng)l件,因而工藝具有一定的局限性 。四、納米Fe3O4磁性粒子的制備2.超聲沉淀法：超聲沉淀法是用超聲波所產(chǎn)生“超聲波氣泡”,爆炸后釋放出的巨大能量

7、將產(chǎn)生局部的高溫高壓環(huán)境和具有強(qiáng)烈沖擊的微射流,以實(shí)現(xiàn)液相均勻混合,消除局部濃度不均,提高反應(yīng)速度,刺激新相的生成。另外,強(qiáng)烈的微射流還可對(duì)團(tuán)聚起到剪切的作用,打碎團(tuán)聚,有利于小顆粒生成。 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備超聲沉淀法超聲沉淀法具有反應(yīng)速度快，產(chǎn)生離子顆粒均勻的優(yōu)點(diǎn)但是反應(yīng)速度快不好控制，往往制作的磁性粒子不符合要求四、納米Fe3O4磁性粒子的制備水熱法水熱法是指在高壓釜里的高溫(130250)、高壓(0.34 MPa)反應(yīng)環(huán)境中,采用水作為反應(yīng)介質(zhì),使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解、反應(yīng)、重結(jié)晶而得到理想產(chǎn)物。 納米Fe3O4磁性粒子的制備方法 水熱法優(yōu)點(diǎn)：制備的納米晶體晶粒發(fā)育完

8、整,有利于磁性能的提高,粒子很少團(tuán)聚,粒度分布均勻。缺點(diǎn)：由于要在高溫高壓下反應(yīng),對(duì)設(shè)備的要求較高,增加了工業(yè)化生產(chǎn)的難度。 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備微乳液法由油、水、表面活性劑組成的透明、各項(xiàng)同性、低粘度的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。其中不溶于水的非極性物質(zhì)作為分散介質(zhì),反應(yīng)物水溶液為分散相,表面活性劑為乳化劑,形成油包水型(W/O)或水包油型(O/W)微乳液。這樣,反應(yīng)僅限于微乳液滴這一微型反應(yīng)器內(nèi)部,粒子的粒徑受到水核的控制,且可有效避免粒子之間的進(jìn)一步團(tuán)聚。因而得到粒徑分布窄、形態(tài)規(guī)則、分散性能好的納米粉體。同時(shí),可以通過(guò)控制微乳液液滴中水的體積及各種反應(yīng)物的濃度來(lái)控制成核、生長(zhǎng),以獲得各

9、種粒徑的單分散納米粒子。 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備四、納米Fe3O4磁性粒子的制備微乳液法優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低、應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：反應(yīng)的溫度低,因而得到的粒子的結(jié)晶性能較差,使得粒子的磁性質(zhì)也受到影響。四、納米Fe3O4磁性粒子的制備溶膠-凝膠法將金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)溶液制成溶膠,在一定條件下(如加熱)脫水,使具有流動(dòng)性的溶膠逐漸變稠,成為略顯彈性的固體凝膠;再將凝膠干燥,焙燒得到納米級(jí)產(chǎn)物。 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備四、納米Fe3O4磁性粒子的制備溶膠-凝膠法優(yōu)點(diǎn)：是能夠保證嚴(yán)格控制化學(xué)計(jì)量比,產(chǎn)物純度高,工藝簡(jiǎn)單,反應(yīng)周期短。 缺點(diǎn)：采用金屬醇鹽作為原料,致

10、使成本偏高,且凝膠化過(guò)程緩慢,合成周期長(zhǎng)。四、納米Fe3O4磁性粒子的制備高溫分解法 高溫分解鐵有機(jī)物法是將鐵前驅(qū)體(如Fe(CO)5、Fe(CuP)3等)高溫分解產(chǎn)生鐵原子,再由鐵原子生成鐵納米粒子,將鐵納米粒子控制氧化得到氧化鐵。 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備高溫分解法 優(yōu)點(diǎn)：制得的納米粒子結(jié)晶度高、粒徑可控且分布很窄。 缺點(diǎn)：過(guò)程中需要高溫條件，有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生了有毒的氣體。四、納米Fe3O4磁性粒子的制備除上述的制備方法外還有水解法，氧化法，球磨法，多元醇還原法、前驅(qū)體熱分解法、溶劑熱法等等。 四、納米Fe3O4磁性粒子的制備除上述的制備方法外還有水解法，氧化法，球磨法等等。 五、

11、納米Fe3O4的應(yīng)用 當(dāng)粒子的尺寸降至納米量級(jí)時(shí),由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等的影響,使其具有不同于常規(guī)體相材料的特殊的磁性質(zhì)。這也使其在工業(yè)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著特殊的應(yīng)用。五、納米Fe3O4的應(yīng)用 生物醫(yī)藥Fe3O4因具有物料性質(zhì)穩(wěn)定、與生物相容性較好、強(qiáng)度較高,且無(wú)毒副作用等特點(diǎn),而被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)藥的多個(gè)領(lǐng)域,如磁共振成像、磁分離、靶向藥物載體、腫瘤熱療技術(shù)、細(xì)胞標(biāo)記和分離,以及作為增強(qiáng)顯影劑、造影劑的研究、視網(wǎng)膜脫離的修復(fù)手術(shù)等。五、納米Fe3O4的應(yīng)用 磁性液體磁性液體是一種新型功能材料。磁性流體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于選礦技術(shù)、精密研磨、磁性液體阻

12、尼裝置、磁性液體密封、磁性液體軸承、磁性液體印刷、磁性液體潤(rùn)滑、磁性液體燃料、磁性液體染料、磁性液體速度傳感器和加速度傳感器、磁性液體變頻器、磁性液體陀螺儀、水下低頻聲波發(fā)生器、用于移位寄存器顯示等。五、納米Fe3O4的應(yīng)用 催化劑載體Fe3O4顆粒在很多工業(yè)反應(yīng)中被用作催化劑。由于Fe3O4納米微粒尺寸小,比表面積大,且納米顆粒表面光滑性差,形成了凹凸不平的原子臺(tái)階,增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。同時(shí),以Fe3O4顆粒為載體,催化劑成分覆在顆粒表面,制得核-殼結(jié)構(gòu)的催化劑超細(xì)粒子,既保持了催化劑高的催化性能,又使催化劑易于回收。因此, Fe3O4顆粒被大量應(yīng)用于催化劑載體研究中。 五、納米Fe3O

13、4的應(yīng)用 微波吸波材料納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性,如光學(xué)非線性,以及光吸收、光反射過(guò)程中的能量損耗等,都與納米微粒的尺寸有很大的依賴關(guān)系。研究表明,利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制備成各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。五、納米Fe3O4的應(yīng)用 微波吸波材料目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段。納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收有寬化現(xiàn)象。Fe3O4磁性納米粉由于具有高的磁導(dǎo)率,可以作為鐵氧體吸波材料的一種,應(yīng)用在微波吸收方面。 五、納米Fe3O4的應(yīng)用 磁記錄材料納米Fe3O4由于其尺寸小,其磁結(jié)構(gòu)由多疇變?yōu)閱萎?具有非常高的矯頑力,用來(lái)做磁記錄材料可以大大提高信噪比,改善圖像質(zhì)量,而且可