纳米磁性材料的研究进展

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1、纳米磁性材料的研究进展纳米磁性材料的研究进展摘要：介绍了纳米磁性材料的分类、研究进展、制备方法、应用现状和发展方向。关键词：纳米磁性材料，纳米材料，磁性一、引言20世纪70年代人们利用共沉淀法制备出了磁性液体材料，1988 年巨磁电阻效应的发现引起了世界各国的关注，掀起了纳米磁性材料的开发和应用研究热潮。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，记录的信息量也在不断增加。 以超微粒作记录单元， 可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒尺寸小、单畴结构矫顽力高，用它制作磁记录材料，可以提高信噪比改善图像质量。应用的需求使得人们对磁性材料展开了广泛的研究1，磁性复合材料的研究现状、制备方法以及应用前景受到人们

2、的关注，成为现代材料研究的热点。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级, 通常在 1 100nm 的准零维超细微粉,一维超薄膜或二维超细纤维( 丝) 或由它们组成的固态或液态磁性材料。当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时, 其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化, 产生了许多独特的光、 电、 磁、 力学等物理化学特能,有着极高的活性, 潜在极大的原能能量, 这就是 量变到质变。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有: 量子尺寸效应、超顺磁性、 宏观量子隧道效应、 磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。二、纳米磁性材料的分类与应用纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁

3、微电子结构材料三大类。2.1纳米颗粒型磁存储介质材料: 近年来随着信息量飞速增加, 要求记录介质材料高性能化, 特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元, 可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构, 矫顽力很高的特性, 用它制作磁记录材料可以提高信噪比,改善图像质量。纳米磁记录介质: 如合金磁粉的尺寸在 80nm, 钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm,今后进一步提高密度向 量子磁盘化发展, 利用磁纳米线的存储特性, 记录密度达 400Gbit/2, 相当于每平方英寸可存储 20 万部红楼梦小说。磁性液体:它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了

4、表面活性剂, 然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性, 用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布, 从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的 O形环, 且没有磨损, 可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、 较广泛的应用之一。此外, 在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘, 在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途, 如仪器仪表中的阻尼器、 无声快速的磁印刷、 磁性液体发电机、 医疗中的造影剂等等。纳米磁性药物: 磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽, 如治疗癌症,用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位, 并用磁体固定

5、在病灶的细胞附近, 再用微波辐射金属加热法升到一定的温度, 能有效地杀死癌细胞。另外,还可以用磁粉包裹药物,用磁体固定在病灶附近, 这样能加强药物治疗作用。电波吸收(隐身) 材料: 纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多, 这就大大减少波的反射率, 使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱, 从而达到隐身的作用; 另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大 3- 4 个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多, 这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低, 因此很难发现被探测目标

6、,起到了隐身作用。2. 2纳米微晶型纳米微晶稀土永磁材料: 稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进, 磁体磁性能也在不断提高, 目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到 50M GOe, 接近理论值 64M GOe, 并已进入规模生产。为进一步改善磁性能, 目前已经用速凝薄片合金的生产工艺, 一般的快淬磁粉晶粒尺寸为 20- 50nm, 如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度, 易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点, 目前正在探索新型的稀土永磁材料, 如钐铁氮、 钕铁氮等化合物。另一方面, 开发研制复合稀土永磁材料, 将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合, 就可获得高饱和磁化强度和高矫顽

7、力的新型永磁材料。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器,应用于电力电子技术领域, 用作电流互感器、 开关电源变压器、 滤波器、 漏电保护器、 互感器及传感器等。2. 3磁微电子结构材料巨磁电阻材料: 将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中,构成两相组织的纳米颗粒薄膜, 这种薄膜最大特点是电阻率高, 称为巨磁电阻效应材料, 在100M Hz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大, 可便器件小型化、 廉价, 可作成各种传感器件,例如,测量位移、 角度, 数控机床、 汽车测速, 旋转编码器,微弱磁场探测器( SQU IDS) 等。磁性薄膜变压器: 个人电脑和手机的小型化

8、, 必须采用高频开关电源, 并且工作频率越来越高, 逐步提高到 12M Hz 或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展, 立体的三维结构铁芯已经不能满足要求, 只有向低维的平面结构发展, 才能使高度更薄、 长度更短、 体积更小。对于10 25W 小功率开关电源, 将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜, 基本上不成形三维立体结构, 而是二维平面结构, 其物理特性也与原来的立体结构不同, 可以获得前所未有的高性能和综合性能。磁光存储器: 当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用, 但是可重复写、 擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器, 其可以像磁

9、盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘, 由于材料介质和记录磁头的局限性, 其存储密度已经达到极限;另外其已经不能满足信息技术的发展要求, 无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储, 就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量, 并且能反复地擦写使用。三、纳米磁性的制备纳米磁性材料的制备主要分为磁流体的制备、 纳米磁性微粒的制备、 纳米磁性微晶的制备以及纳米磁性复合材料的制备。3. 1磁流体的制备方法磁性流体 ,简称磁流体 ,指的是吸附有表面活性剂的磁性固体颗粒均匀分散到基液中而形成的一种稳定胶体体系。磁性液体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性 ,由于具有交叉特

10、性 ,所以这种磁性液体材料应满足的性能要求是:高的饱和磁化强度 ,在使用温度下有长期的稳定性 ,在重力和电磁力的作用下不沉淀 ,有好的流动性。磁流体的制备方法有物理法和化学法。物理法又可分为研磨法、 蒸发冷凝法、 超声波法、 机械合成法、 等离子 CVD法等;化学法又可分为气相沉积法、 水热合成法、 溶胶凝胶法、 热分解法、微乳液法及化学共沉淀法等。各种方法各具优缺点 ,根据不同的需求选择不同的制备方法。3.1.1物理法 研磨法工艺简单，但材料利用率低，球磨罐及球的磨损严重， 杂质较多， 成本昂贵， 还不能得到高浓度的磁流体，因而实用差。热分解法会产生的CO气体会污染环境，不适宜规模生产。超声

11、波法可以制得粒径分布均一的磁流体。 2.1.2化学法 化学沉淀法是最经济的制备纳米磁流体的方法。 用该方法能够制成稳定的ZDW基磁性液体，在磁场、电场中长期放置或高速离心没有观测到分层或沉淀现象。 水热法具有两个特点： 一是较高的温度 （130250）有利于磁性能的提高；二是在封闭容器中进行，产生相对高压（0.34MPa）并避免了组分挥发。2.2磁性微粒的制备方法 磁性微粒的制备方法主要有包埋法和单体聚合法， 另外还有沉淀法、化学转化法等。利用纳米磁性微粒构成海绵状体和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛用于各种过滤器、活性电极材料，如备受关注的汽车尾气净化器。 包埋法制备的磁性微粒、磁流体与高

12、分子间通过范德华力、氢键和螯合作用以及功能基间的共价键结合，得到的微粒粒径分布宽、粒径不易控制、壳层中难免混有杂质。 单体聚合法得到的载体粒径较大，固载量小，但作为固定化酶的载体， 有利于保持酶的活性， 而且磁性也较强，且该法简便、快速，微粒同时还具有热敏性。2.3纳米磁性微晶的制备方法 非晶化方法制备纳米晶粒：通过晶化过程的控制，将非晶化材料转变为纳米材料是目前较常用的方法。 尤其适用于薄膜材料与磁性材料的研究中。在 Fe-Si-B 体系的磁性材料中，由非晶化方法制的纳米磁性材料很多。 深度塑形变形法制备纳米晶体： 该方法是材料在准静态压力的作用下发生严重塑性变形， 从而将材料的晶粒尺寸细化

13、到亚微米或纳米量级。2.4纳米磁性结构复合材料的制备方法 由于磁性复合材料的种类繁多， 因此其制备方法也不尽相同。同一种功能的材料可以采用不同的方法制备，也可以用同一种方法制备出不同功能的复合材料。 目前比较常用的制备方法主要有溶胶凝胶法、化学共沉淀法、磁控溅射法和激光脉冲沉积法等。四、纳米磁性的应用展望纳米材料是纳米技术的核心, 是 21 世纪最有前途的材料, 也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战。在通信与计算机领域，纳米磁材料推动着硬盘记录密度的突飞猛进。由纳米磁材料的巨磁电阻效应开发的新一代磁随机存储器即将进入市场，预计产值一千亿/年。

14、在生物医学领域，纳米磁材料具有小尺寸效应、 良好的磁向导性、 生物相容性、 生物降解性和活性功能基团等特点。,将纳米磁性粒子制成药物载体 ,通过静脉注射到动物体内 ,在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航 ,使其移动到病变部位达到定向治疗的目的将成为现实。在国防领域,它纳米磁性颗粒作为吸波材料的组成之一，亦备受重视，用于隐形飞机、坦克装备等上面。参考文献1 张振忠、杨根仓、陈光 块体纳米磁性材料研究进展及展望J. 世界科学研究及发展 2001,082 王庆禄、张志刚 纳米磁性材料的制备方法比较与应用J. 唐山师范学院学报 2008,9:58-603 答元 纳米磁性材料的研究现状J. 现代商贸工业 2007,10:284-2854 高银浩、 张文庆 纳米磁性材料的制备及应用的新进展J . 广州化工 2009:37-55 白木,周杰.纳米磁性材料及其应用J. 信息记录材料 2002, 3(2) : 37 39.6 都有为 纳米磁性材料及其应用J. 材料导报 2001,7:6-8