纳米磁性材料的介绍及应用

报告人：导师：日期：2015-11-2纳米磁性材料的介绍及应用1磁学基础2纳米磁性材料的基本特征3纳米微晶软磁材料4纳米微晶永磁材料5磁性纳米微粒材料3一、磁学基础磁性现象的范围是很广泛的，从微观粒子到宏观物体，以至宇宙天体，都具有某种程度的磁性。按照现代原子物理学的观念，物质内部的元磁性体有以下两种：（1）组成物质的基本粒子（电子、质子、中子等）都具有本征磁矩（自旋磁矩）（2）由于电子在原子内运动而产生的微观电流的磁矩（轨道磁矩），以及质子和中子在原子核内的运动所产生的磁矩当大量原子和分子集团组成宏观物体时，原子内的这些元磁性体之间有各种相互作用。这些相互作用就是宏观物体的磁性起源。4一、磁学基础（一）物质的磁性1.原子的磁性（1）原子的磁性包括：电子的自旋磁矩、电子的轨道磁矩、原子核的磁矩；（2）原子核的磁矩约为核外电子磁矩的1/1000，几乎对原子磁矩无贡献；（3）凡是满电子壳层的总磁矩都为零。只有未填满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩做出贡献；（4）所有铁磁物质的磁矩主要由电子自旋贡献，而不是电子的轨道运动贡献。5一、磁学基础2.宏观物体的磁性（1）按照磁体磁化时磁化率的大小和符号，可以将磁性分为：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。通常所说的磁性材料就是指具有铁磁性或亚铁磁性的强磁性材料，主要是Fe、Co、Ni以及它们的合金或化合物；（2）铁磁性物质的产生机理：①分子场假说：铁磁体内部存在强大的“分子场”（约为107奥斯特），原子磁矩在这个分子场的作用下，克服了热运动的无序效应，自发地平行一致取向，从而表现为铁磁性；②磁畴假说；铁磁体内部的自发磁化分为若干区域，每一区域都自发磁化到饱和，但各个区域的磁化强度方向分布紊乱，互相抵消，总的不表现宏观的磁化。6一、磁学基础2.宏观物体的磁性磁性分类定义特征典型物质抗磁性χd＜010-5数量级1.没有固有原子磁矩2.在外磁场的作用下，原子系统获得与外磁场反向的磁矩3.χd的大小与温度、磁场均无关，其磁化曲线为直线惰性气体、部分有机化合物、部分金属与非金属、H2O顺磁性χp＞010-6～10-3数量级1.有固有原子磁矩，没有相互作用2.在外磁场作用下，产生与外磁场同向的磁化强度3.除碱金属外，χ与温度有关稀土金属和铁族元素的盐类、空气（N2是抗磁性）反铁磁性χ在某一温度存在最大值1.有磁矩，直接交换相互作用2.T＞TN时，χ=𝐶𝑇−𝑇𝑃3.T＜TN时，χ降低，并趋于稳定值过渡族元素的盐类及化合物铁磁性χf＞010～106数量级1.有固有磁矩，直接交换相互作用2.在很小的磁场作用下就能磁化到饱和3.T＞TC时，顺磁性4.有磁滞现象，即J、M、B不是H的单值函数，而与H变化的历史有关。铁晶体、钴晶体、镍晶体等亚铁磁性χ＞01～103数量级1.有磁矩，间接交换相互作用2.宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是铁磁性低一些。但内部磁结构有显著区别。铁氧体7一、磁学基础（二）铁磁物质的特性常数铁磁物质的各特性常数可分为两类：一类是由铁磁物质的原子本性所决定的常数，与其结构无关，称为对结构不灵敏的特性，如居里温度、饱和磁化强度等；另一类是由磁化曲线及磁滞回线所决定的常数，与结构有密切联系，称为结构灵敏的特性，如矫顽力、剩磁、磁导率、磁能积等。矫顽力：当反向磁场达到一定数值时，满足M=0或B=0，那么该磁场强度就称为矫顽力。剩磁：当外部磁场减小到0时，材料仍保留一定大小的磁化强度或磁感应强度，称为剩磁。磁导率：起始磁导率、最大磁导率。磁能积：退磁曲线上每一点B和H的乘积。8二、纳米磁性材料的基本特征纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因在于与磁性相关联的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相等时，就会呈现反常的磁学与电学性质。9二、纳米磁性材料的基本特征（一）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。10二、纳米磁性材料的基本特征（二）超顺磁性铁磁性颗粒比单畴临界尺寸更小时，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，如果不加外磁场，它们将很快的失去剩磁状态，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。11二、纳米磁性材料的基本特征（三）矫顽力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。12三、纳米微晶软磁材料（一）软磁材料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：（1）高的初始磁导率和最大磁导率（2）低的矫顽力（3）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。13三、纳米微晶软磁材料（二）纳米软磁材料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。14三、纳米微晶软磁材料一般采用非晶晶化法制备纳米微晶软磁材料。15四、纳米微晶永磁材料（一）永磁材料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：（1）高的剩余磁感应强度和高的剩余磁化强度（2）高的矫顽力（3）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。16四、纳米微晶永磁材料（二）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。17五、磁性纳米微粒材料（一）纳米磁记录材料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：（1）𝐶𝑟𝑂2磁粉尺寸为200nm×35nm；（2）铁或其合金磁粉的尺寸为20nm；（3）掺Co、Ti的钡铁氧体（𝐵𝑎𝐹𝑒12𝑂19）的典型的颗粒尺寸为六角片形，直径50nm，厚20nm。18五、磁性纳米微粒材料（二）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覆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。2.磁性液体的组成：（1）强磁性微粒、基液及表面活性剂;（2）强磁性微粒必须足够小，𝐹𝑒的微粒直径要小于3nm，𝐹𝑒3𝑂4的微粒直径不能大于10nm;（3）基液：水基、煤油基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。（4）表面活性剂的要求：一端要能化学吸附在磁性微粒表面，形成溶剂化膜，而另一端要与基液有较高的亲和性，使其能在基液中自由伸展摆动，同时还要求表面活性剂分子有一定的链长，以克服微粒间的范德瓦尔斯吸引力19五、磁性纳米微粒材料3.磁性液体的特点：（1）磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁；（2）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。（3）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。a.光波在磁性液体中传播时(如同在各向异性的晶体中传播一样)，会产生光的双折射效应等现象；b.超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性；（4）磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。20五、磁性纳米微粒材料4.磁性液体的用途：（1）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“O”形环，可进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封。（2）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。21五、磁性纳米微粒材料4.磁性液体的用途：（3）矿物分离磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大，利用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。22参考资料1.郭贻诚.铁磁学[M]//北京大学出版社,2014.2.严密.磁学基础与磁性材料[M]//浙江大学出版社,2006.3.都有为.纳米磁性材料及其应用[J].材料导报,2001,第7期(7):6-8.谢谢聆听ThankYou