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1、磁性纳米材料技术(X明 中国西南应用磁学研究所)| 1、纳米是什么？一种长度单位，一等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、 四个原子的宽度。纳米的英文名称是：nano meter ，简称nm。2、纳米科学技术纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学 技术是以许多现代先进科学技术为根底的科学技术，它是现代科学混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学和现代技术计算 机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术结合的产物， 又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械 学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。纳米材料与纳米粒子1、纳 米材料(nan
2、o material)，纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米 粒子组成。2、纳 米粒子(nano particle)，纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸 在1100nm 间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统 亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有外表效应、小 尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒纳米级后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电 学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的 不同。纳米材料的奇异特性1、外表效应：粒子直径减少到纳米级，不仅引起外表原子数的迅
3、速 增加，而且纳米粒子的外表积、外 表能都会迅速增加。这主要是因为 处于外表的原子数较多，外表原子的晶场环境和结合能与内部原子不 同所引起的。外表原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不 饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性， 晶体微粒化伴有这种活性外表原子的增多，其外表能大大增加。2、小尺寸效应：指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的 电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具 有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。3、体积效应：指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或 更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、
4、化 学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收 显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。4、宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器 件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的 势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应 MQT Macroscopic Q uantum Tunneling。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子 器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进展信息储存的最 短时间。纳米材料的分类1、纳米颗粒型材料：应用时
5、直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒 型材料。2、纳米固体材料：纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗 粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固 体材料。3、纳米膜材料：颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄 膜，通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材，在基片上生 成复合膜，当两组份的比例大致相当时。就生成迷阵状的复合膜，因 此改变原始靶材中两种组份的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗 粒大小与形态，从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜，改变组 成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体。4、纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机 外表
6、活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。二、纳米材料的研究历史从20世纪70年代纳米颗粒材料问世，80年代中期实验室合成纳米 块体材料，到现在有20多年的历史，从研究内涵和特点大致可分三 个阶段：1、第一阶段 1990年以前探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄 膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性 能。2、第二阶段 1994年以前人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学 和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合， 纳米微粒与常规块体复合及开展复合材料的合成及物性的探索一度 成为纳米材料研究的主
7、导方向。3、第三阶段 1994年以后纳米组装体系、人工组装合成的纳米构造的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上，把这类材料 称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。第三阶段的研究对象主要是：纳米丝、管、微孔等。三、纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法物理方法1、真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体， 然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求 高。2、物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、 本钱低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。3、机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯
8、元素、合金或复合材料的纳 米粒子。其特点操作简单、本钱低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。纳米材料的制备方法化学方法1、气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反响合成纳米材料。其特点产品纯度 高，粒度分布窄。2、沉淀法把沉淀剂参加到盐溶液中反响后，将沉淀热处理得到纳米材料。其 特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。3、水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经别离和热处理得纳 米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。4、溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳 米粒子。其特点反响物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化 物和U叫族化合物的制备
9、。5、微乳液法两种互不相溶的溶剂在外表活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经 成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界 面性好，U叫族半导体纳米粒子多用此法制备。四、纳米复合永磁材料什么是纳米复合永磁材料1、纳米复合永磁材料纳米复合永磁材料是由纳米晶硬磁相和纳米晶软磁相组成，而在硬 磁相和软磁间具有交换作用的复合永磁材料。由于成分和微构造上的 复杂性，与传统的永磁材料相比，复相纳米永磁具有全新的特征。2、纳米复合永磁材料的特点理论磁能积高达960kJ/m3 120MGOe；由于含铁量高，本 钱相对较低；有更好的加工性能；有更好的抗腐蚀性能。纳米复合永磁材料的内票磁性1、与传统永
10、磁材料内禀磁性的差异传统的“内禀磁性仅依赖于材料成分和晶体构造。在纳米复相永 磁中，由于晶粒细化引起的各种交换作用的改变，一些内禀磁性已不 再完全由成分和晶体构造决定，而依赖于晶粒尺寸、形状和分布。2、纳米复相永磁内禀磁性居里温度居里温度是指铁磁材料的自发磁化消失所对应的温度。纳米复相永 磁的居里温度为自发磁化消失温度最低的相对应的温度。对于通常的Nd2Fe14B/a -Fe双相 纳 米永磁,其中Nd2Fe14B 的自 发磁化消 失温度 低，故为复相材料的居里温度。硬一软磁相的交换耦合作用显著增强 居里温度。3、纳米复相永磁内禀磁性饱和磁化强度双相纳米永磁的饱和磁化强度为：Ms=fMSS+(1
11、 -f)MHS ,但复相纳 米永磁中晶粒尺寸、分布等微构造因素对硬磁相和软磁相的饱和磁化 强度也有影响。4、纳米复相永磁内禀磁性磁晶各向异性对于复相纳米永磁，由于各相之间的交互作用，磁晶各向异性不再 由成分和晶体构造唯一确定。纳米复合永磁的“剩磁增强”现象1、纳米复合永磁的“剩磁增强”现象根据S toner-Wohlfarth 模型，对 于由单 轴磁各 向异性的单畴粒子组 成的各向同性的磁体，其剩磁比剩磁 Mr/饱和磁化强度Ms的最 大值为0.5。到目前为止，所有大晶粒各向同性磁体的剩磁都没有超 越上述界限，但在复相纳米永磁中，剩磁通常大于Ms/2，这就是“剩 磁增强 现象Remanence
12、enhancement 。2、纳米复合永磁的“剩磁增强”的判据有人把Mr/Ms 0.5作为复相纳米永磁材料产生剩磁增强的标准, 这是不准确的。0.5作为评判标准只适合构成复相纳米永磁的各个相 都具有单轴磁晶各向异性的情形，而目前几乎所有被研究的复相纳米 永磁系都不具备这一特征。实际上对于三轴晶系的各向同性多晶体如a-Fe，按Stoner-Wlhlfarth 模型，其 最大剩磁为0.832Ms，因 此 对 Nd2Fe14B /a-Fe双相纳米系，剩磁增强的判据应为：Mr=0.832fM SS+0.5(1-f)MHS。纳米复合永磁的矫顽力机理通常的反磁化过程可分为形核型和钉扎型两类，它们在热退磁状
13、态 后的磁化曲线和磁滞回线上表现出不同的特征：以形核为主的磁化曲 线上升很快，起始磁导率较高，用不大的外场就能到达饱和，其矫顽 力通常随外磁场的增大而增大；以钉扎为主的磁化曲线起始磁导率 低，只有当外磁场到达矫顽力时才增大，其矫顽力与外磁场无关。按 目前的理论，软磁相在复相纳米永磁中充当反磁化形核，反磁化过程 受形核控制。而实际上硬磁相与软磁相的交换作用阻碍着反磁化畴的 扩X,对反磁化畴起着钉扎作用。Nd2Fe14B/a -Fe双相纳米永磁的起 始磁化曲线之所有表现出既不同于单一的钉扎型、又不同于单一的形 核的特征，原因可能就是这个。对于特定晶体构造的材料，其反磁化 机理会受到材料微组织形态或
14、元素的添加/取代的影响。如传统的快 淬NdFeB 磁体微晶构造的反磁化过程受形核控制，而纳米晶Nd 2Fe14B 那么受钉扎控制。通过调整微构造和元素添加/取代是目前提高复相纳米永磁矫顽力的两个努力方向。五、纳米材料的热点领域1、纳米组装体系的设计和研究研究对象主要集中在纳米阵列体系；纳米嵌镶体系；介孔与纳米颗 粒复合体系和纳米颗粒膜。目的是根据需要设计新的材料体系，探索 或改善材料的性能，目标是为纳米器件的制作进展前期准备。2、高性能纳米构造材料的合成对纳米构造的金属和合金重点放在大幅度提高材料的强度和硬度， 利用纳米颗粒小尺寸效应所造成的无位错或低位错密度区域使其到 达高硬度、高强度。3、纳米材料添加使传统材料改性4、纳米涂层材料的设计与合成研究聚集在功能涂层上，包括传统材料外表的涂层、纤维涂层和颗 粒涂层，在这一方面美国进展很快，80nm的二氧化锡及40nm的二氧 化钺、20nm的三氧化二铬与树脂复合可以作为静电屏蔽的涂层，80n m的BaTiO3 可以作为高介电绝缘涂层，40nm 的Fe3O4可以作为磁 性涂层，80nm的Y2O3可以作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高， 用于红外窗口材料。感谢读者推荐!
