磁性纳米材料的应用及研究进展

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1、磁性纳米材料的应用及研究进展磁性纳米材料的应用及研究进展摘要：摘要：磁性纳米材料作为新世纪发展潜力巨大的新型材料之一，越来越被人类所关注。本文总结了磁性纳米材料的发展过程和主要特点（21） ,简述了纳米磁性材料的制备方法 , 如机械球磨法 、 水热法等 ,总结了纳米磁性材料在当前实际中的研究现状应用热点（11.15），并对其研究前景进行了展望并就该研究领域的发展方向提出了一些建议（10）。关键词：关键词：磁性纳米材料；发展过程和主要特点；制备方法；实际应用热点；研究前景英文摘要: Magnetic nano material as the new century a huge potentia

2、l for development of new materials, one of humans have more and more attention. This paper summarizes the development of magnetic nano material process and the main character, Briefly nanoscale magnetic materials preparation methods, such as mechanical ball grinding method, hydrothermal synthesis, s

3、ummarizes the nanoscale magnetic materials in the actual application of the hot spot, And its research prospect and the development direction of this research field, some Suggestions were put forward.英文关键词: : Magnetic nano materials; The development process and the main character; Application hot; F

4、uture Prospect 1. 引言：由于社会的发展和科学的进步 ,磁性纳米材料的研究和应用领域有了很大的扩展 。今天纳米磁性材料广泛应用于生物学，磁流体力学， 原子核磁学， 机体物理学， 磁化学， 天文学，磁波电子学等方面。 随着雷达、微波通信、电子对抗和环保等军用、民用 科学技术的,微波吸收材料的应用日趋广泛 ,磁性纳米吸波材料的研究受到人们的关注。纳米磁性材料也对人们的生产与生活带来诸多的利益。现在磁性材料现已是国民经济、 国防工业的重要支柱与基础， 广泛地应用于电信、 自动控制、 通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。本次综述，主要针对磁性纳米材料在当前实际

5、中的应用热点研究进展及其发展前景问题进行阐述。2. 磁性纳米材料的发展过程和主要特点：2.1 磁性纳米材料的发展过程：磁性是物质的基本属性之一 。早在公元前四世纪 ,人们就发现了天然的磁石 ( 磁铁矿 Fe3 O 4 ) ,我国古代人民最早用磁石和钢针制成了指南针 ,并将它用于军事和航海 。 对物质磁性的研究具有悠久的历史 ,是在十七世纪末期和十八世纪前半叶开始发展起来的。1788 年 ,库仑 ( Co ulo mb) 把他的二点电荷之间的相互作用力规律推广到二磁极之间的相互作用上 。1820 年 ,丹麦物理学家奥斯特 (Oer sted) 发现了电流的磁效应 ; 同年法国物理学家安培 ( A

6、 mpere) 提出了分子 电流假说 ,认为物质磁性起源于分子电流 。1831 年 , 英国科学家法拉第 ( Faraday ) 发现了电磁感应定 律 ,并提出磁场的概念 , 为统一电磁理论打下了基础 。1834 年 , 俄国物理学家楞茨 ( L enz) , 建立了感应 电流方向和磁场变化关系的楞次定律 . 英国物理学家麦克斯韦 ( Maxwell) 将电和磁现象联系起来地提出了关于电磁场的麦克斯韦方程组 , 并预言了电磁波的存在 。1888 年德国物理学家赫兹 ( Hertz ) 证实了麦克斯韦的电磁场理论 。十九世纪末随着铁磁性和抗磁性的发现 , 法国物理学家居里 ( Curie ) 深

7、入考察了抗磁性和顺磁性与温度的关系 ,建立了顺磁磁化率与温度成反比的实验规律 居里定律 。 居里的研究成果推动了固体磁性理论的蓬勃发展 。1905 年朗之万 ( L angevin ) 将经典统计力学应用到 一定大小的原子磁矩系统 ,推导出了居里定律 。1907 年 ,法国的物理学家外斯 ( Wei ss) 提出了铁磁体内 部存在分子场和磁畴的假设 ,在理论上定性地解释了铁磁体的磁性 。二十世纪 20 年代后 , 随着量子力 学的发展 ,人们对物质磁性的认识进入了崭新的阶段 。人们认识到磁性的本质是一种量子力学效应 。 运用量子力学 , 海森堡 ( Hei senberg) 对氦原子 , 海脱

8、勒和伦敦 ( Heitler and Lo ndo n) 对氢分子进行了研 究 ,他们发现了原子和分子中电子之间的静电相互作用所产生的交换效应 。海森堡提出了关于绝缘磁 性物质的局域自旋模型 海森堡模型 ,布洛赫 (Bloch) 和斯通纳 ( Sto ner) 提出了关于铁磁金属或合金 的巡游电子模型 。赫伯德 ( Hubbard) 考虑电子间的关联效应 ,提出了 Hubbard 模型 。朗道 ( L andau ) 和 尼尔 ( Neel ) 预言了反铁磁现象 ,尼尔提出了关于亚铁磁体的理论。 22 磁性纳米材料的特点 2.2.1 量子尺寸效应:材料的能级间距是和原子数 N 成反比的 ,因此

9、 ,当颗粒尺度小到一定的程度 , 颗粒 内含有的原子数 N 有限 ,纳米金属费米能级附近 的电子能级由准连续变为离散 , 纳米半导体微粒则存 在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道 ,能隙变宽 。当这能隙间距大于材料物性 的热能 ,磁能 ,静电能 ,光子能等等时 ,就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同 。例如 , 导电的 金属在超微颗粒时可以变成绝缘体 , 磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关 , 比热亦会反常变 化 ,光谱线会产生向短波长方向的移动 ,这就是量子尺寸效应的宏观表现 。2.2.2 小尺寸效应: 当粒子尺度小到可以与光波波长 ,磁交换长度 , 磁畴壁宽度

10、, 传导电子德布罗意波长 , 超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时 ,原有晶体周期性边界条件破坏 ,物性也就表现出新的效 应 ,如从磁有序变成磁无序 ,磁矫顽力变化 ,金属熔点下降等 。 宏观量子隧道效应 : 微观粒子具有穿越势垒的能力 ,称为量子隧道效应 。而在马的脾脏铁蛋白纳米 颗粒研究中 ,发现宏观磁学量如磁化强度 ,磁通量等也具有隧道效应 , 这就是宏观量子隧道效应 。它限 定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限 。3 纳米磁性材料的制备方法 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 。, 4. 纳米

11、磁性材料的研究现状及应用热点：4.1 纳米磁性材料的研究现状纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、 纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。下面对磁性纳米材料按照其分类进行详细说明：4.1.1 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

12、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/in2， 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

13、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

14、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，起到了隐身作用。 4.1.2 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 50MGOe，接近理论值 64MGOe，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

15、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力的新型永磁材料。 纳米微晶稀土软磁材料：在 1988 年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土， 经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约 10nm）软磁合金，后 被称为纳米晶软磁合金。 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，可取 得令人满意的经济效益。 4.1.3 磁微电子结构材料 巨磁电阻材料： 将纳米晶的金属软磁

16、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 100MHz 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（SQUIDS）等 磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，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 12MHz 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 1025W 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， 其可以像磁盘一样反复 多次地重复记录。