纳米磁性材料

姓名：郑晓峰学号：1770433一、纳米磁性材料的起源二、纳米磁性材料的定义三、纳米磁性材料的基本特征四、纳米磁性材料的应用一、纳米磁性材料的起源1.磁性纳米材料的研究和应用始于20世纪50年代。最早得到应用的是准零维磁性纳米粒子，它们主要用于以下三个领域：（1)用于磁畴观察的粉纹技术：将足够细的铁磁粉末的胶状悬浮液涂在样品表面上，由于畴壁处的散磁场将磁性粉末集中于此，描绘出表面的磁畴结构或表面畴壁的轨迹；（2)用于制备单畴永磁粉材料，因为单畴粒子反磁化过程是磁畴的转动，没有畴壁运动过程，矫顽力可以提高很多；（3)用于磁密封的磁性液体，即20世纪60年代用于宇航服头盔的磁密封。这里用到了纳米粒子的超顺磁性，是纳米磁性材料（磁性液体）的最早应用之一。2.纳米磁性材料技术早在20世纪70年代就被应用于共沉制造磁性液体材。3.1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在Fe/Cr纳米结构的多层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。1988年，由非晶态FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒，获得了新型的纳米晶软磁材料；4.1988年，人们发现了磁性多层膜的巨磁电阻效应，并由此产生一门新兴学科：自旋电子学。5.1993年，人们通过理论研究发现，纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点获得磁能积比现有最好NdFeB高一倍的新型纳米硬磁材料。6.进人21世纪以来，利用模板生长一维磁性纳米丝的研究很活跃，材料包括单一金属、合金、化合物、多层材料、复合材料等，应用目标也从存储介质到细胞分离，多种多样。7.自然界中也存在纳米磁性粒子：许多生物体内有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌、鸽子、海豚、石鳖、蜜蜂、人的大脑等。石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝。这些一维纳米丝由许多磁性柱构成，柱内是单畴粒子的集合。生物矿化的牙齿内部有机纤维组织网络成为纳米丝天然生长模板。模板截面及磁性材料在模板内形成过程二、纳米磁性材料的定义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，一维超细纤维（丝）或二维超薄膜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”。Nanosize:1---100nm3D1D2D0DNanoMaterial三、纳米磁性材料的基本特征1.磁畴2.超顺磁性3.矫顽力1.磁畴（MagneticDomain）（1）在纳米尺度下，纳米粒子将变成单畴粒子。当粒子尺寸R很小时，畴壁能相对于退磁能更严重，没有必要再分磁畴，这样就形成了单畴粒子。（2）对于纳米颗粒，直接把大块铁磁晶体中关于磁畴和畴壁的概念推广到铁磁颗粒。（3）块状磁性材料因交换作用能、磁各向异性能而使磁矩平行排列在其易轴方向，从而将导致很强的退磁能。（4）尺寸R越大，退磁能越高。为降低能量，材料必然分裂成磁畴.磁单畴在纳米尺度下，磁性材料将形成单畴结构。单畴颗粒内不存在畴壁，不会有畴壁位移磁化过程，只有磁畴转动磁化过程，因此磁化和退磁都较困难。漩涡状畴壁横向畴壁宽度和厚度增加时考虑形状各向异性静磁能下：磁矩沿丝轴方向，产生磁化方向头对头的畴壁；更大的丝会产生复杂的畴壁结构，如有双漩涡等等。微磁学模拟结果：铁磁性颗粒小于临界尺寸时具有单畴结构，热运动对粒子影响很大，在一定温度下，粒子的行为类似于顺磁性，但在外磁场的作用下其顺磁性磁化率比一般顺磁材料的大好几十倍，这个现象称为超顺磁性。超顺磁性的特征是矫顽力为零，其磁化曲线无磁滞现象。2.超顺磁性根据传统的铁磁性理论，矫顽力与晶粒尺寸成反比，因此以往追求的材料的显微结构是结晶均匀，晶粒尺寸尽可能大。纳米晶软磁材料出现以后，软磁材料的研制又进入另一个极端，要求晶粒尺寸尽可能小，直至纳米量级。3.矫顽力（1）软磁材料的定义：软磁性材料主要是指那些容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的材料。（2）软磁材料的特点：高的初始磁导率和最大磁导率低的矫顽力高的饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度（3）软磁材料的用途：主要用于制造发电机和电动机的定子和转子；变压器、继电器的铁芯等。软磁材料制造的设备与器件大多数是在交变磁场条件下工作，要求其体积小、灵敏度高、稳定性好。1、纳米微晶软磁材料四、纳米磁性材料的应用1998年日本首先在FeSiB合金中加入Cu、Nb成分，制成的纳米微晶磁性材料，其典型成分为Fe73.5Cu1NbSi13.5B9(商品牌号为Finenet)，它具有铁基非晶材料的高饱和磁感应强度以及Co基非晶材料的高磁导率、低损耗，而价格约为Co基非晶材料的1/4-1/5。（4）纳米软磁材料一般采用非晶晶化法制备纳米微晶软磁材料。纳米微晶软磁材料的制备。（1）永磁材料的定义：永磁材料是指那些难以磁化，且除去外磁场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料。又称为硬磁性材料。（2）永磁材料的特点：高的剩余磁感应强度和高的剩余磁化强度高的矫顽力高的最大磁能积（3）永磁材料的用途：开路永磁体在两磁极附近的空间产生足够强的磁场，利用磁极间的相互作用和气隙中的磁场可以实现机械能或声能与电磁能之间的相互转换，并制成多样的功能器件。永磁材料已经在通讯、家用电器等领域得到广泛的应用。2、纳米微晶永磁材料（4）纳米微晶永磁材料纳米微晶永磁材料具有较好的热稳定性、耐腐蚀性，适用于微电机等小型异型、尺寸精度要求高的永磁器件。近年来研究工作的新方向是纳米复相稀土永磁材料的研制。通常软磁材料的饱和磁化强度较高，永磁材料的矫顽力较高，如将软磁相与永磁相在纳米尺度内进行复合，通过交换耦合作用，就有可能获得兼具二者优点的复合永磁材料。（1）磁记录材料的定义用于记录、存储、和再生信息的磁性材料。（2）磁记录材料的发展趋势磁记录发展的总趋势是大容量、高密度、高速度、低价格。（3）磁记录材料的发展方向近年来各种信息量飞速增加，需要记录的信息量也不断增加，要求记录材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录材料与超微粒有密切关系。3.纳米磁记录材料（4）磁性纳米粒子由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用它制作磁记录材料，能使记录密度大大提高，可比普通的磁性材料提高10倍以上；还可以提高声噪比，改善图象质量。20世纪80年代，高密度磁记录用的磁粉的尺寸就已进入到纳米尺寸，例如：性能优良的CrO2磁粉尺寸给为200nm×35nm，铁或其合金磁粉的尺寸给为20nm，并制成高密度的金属磁带，90年代发展起来的掺Co、Ti的钡铁氧体（BaFe12O19）典型的颗粒尺寸为六角片形，直径50nm，厚20nm，近年来，又研究氮化铁、碳化铁等类型的纳米磁粉。4、磁性液体（1）磁性液体的定义磁性液体是由纳米磁性微粒包复一层长链的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。其中磁性微粒尺寸通常小于10nm，呈超顺磁性。（2）磁性液体的名称的起源1963年，美国国家航空与航天局的帕彭首先采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上(直径约为l0m)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。（3）发展状况1934年就制成胶体Fe3O4溶液，用于磁畴观察，20世纪60-70年代已发展成为一类商用产品，用于高速旋转轴密封等方面，美、日等国均有商品生产，我国虽已研制成功，但应用的领域尚未开拓，因此目前沿未形成规模生产。近年来人们对磁性液体，或它与微米级微粒组合成的复合介质的磁光、磁声以及微波特性进行了研究，有可能开拓出一类新型的功能器件。（4）生成磁性液体的必要条件生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。基液包括：水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。（5）磁性液体的特点在磁场作用下可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流动性。在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。如：a.当光波、声波在其中传播时(如同在各向异性的晶体中传播一样)，会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性。b.磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性。这些有别于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础。（6）磁性液体的的用途磁密封a.旋转轴动态磁密封利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“0”形环，可进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。b.防尘密封在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。气流粉碎（分级）机等等。c.真空密封在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。此外，单晶炉提拉部位、真空加热炉等有关部件的密封等，磁性液体是较为理想动态密封方式之一。d.气体密封可用于多种气体密封的场合（如煤气风机转轴部位）磁性液体旋转密封模型磁性润滑油通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10nm，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。增进扬声器输出功率在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5~6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1倍。作阻尼器件磁性液体具有一定的粘滞性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系统中所产生的振荡模式。磁性液体阻尼器件矿物分离应用比重不同进行矿物分离。磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的物体将会浮起，好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大。利用此原理可以设计出磁性液体比重计，磁性液体对不同比重的物体进行比重分离，控制合适的磁场强度可以使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，原则上可以用于矿物分离。例如，使高密度的金与低密度的砂石分离，亦可用于城市废料中金属与非金属的分离。其他用途磁性液体还有其他许多用途，如磁制冷材料、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。5、纳米磁性颗粒膜材料（1）磁性颗粒膜材料的组成磁性颗粒膜是由强磁性的颗粒镶嵌在不相固溶的介质中而生成。（2）分类,目前主要分为两类：金属-绝缘体型，例如Fe-SiO2等等。早期的研究发现具有很高的矫顽力，有可能作为高密度磁记录介质。近年来研究了磁光效应等，发现具有比连续膜高的磁光优值。在该系统中亦发现了具有隧道效应的磁电阻效应。金属-金属型，例如Co-Cu，Co-Ag等，1992年继多层膜巨磁电阻效应后，在颗粒膜中同样发现巨磁电阻效应，引起了人们普遍的兴趣，有在磁传感器中得到应用。与自旋相关的输运现象，更深远而宽广前景是开拓了磁电子学的新领域。6、巨磁电阻材料（1）巨磁电阻材料的定义磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们把这种现象称为磁电阻，所谓巨磁电阻，是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值，约高10余倍。（2）巨磁电阻材料的用途在巨磁电阻效应被发现后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit／in2，最近报道为11Gbit／in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛