常見問題

納米粒子磁性材料的設備工序和應用

近年來發(fā)展起來的納米粒子磁性材料除了具有一般納米粒子的獨特效應之外，還具有優(yōu)異的磁學性能，具有廣闊的應用前景。為了進一步開發(fā)納米粒子磁性材料的應用潛力，目前尚有許多問題需要進一步探討，如發(fā)展和完善納米粒子磁性材料的制備技術以及自組裝技術，擴大制備范圍（如制備具有磁光、磁電以及磁熱性能的新型納米復合材料）；加強對磁性材料納米粒子的理論研究工作，利用多種表征手段深入研究它的結構和性能，使這一新材料真正發(fā)揮其最大的潛能。

當鐵磁材料的粒子處于單疇尺寸時，矯頑力(Hc)將呈現(xiàn)極大值，粒子進入超順磁性狀態(tài)。這些特殊性能使各種納米粒子磁性材料的制備方法及性質(zhì)的研究愈來愈受到重視[1]。開始，多以純鐵(-Fe)納米粒子為研究對象，制備工藝幾乎都是采用化學沉積法。后來，出現(xiàn)了許多新的制備方法，如濕化學法和物理方法，或兩種及兩種以上相結合的方法制備具有特殊性能的納米粒子磁性材料。這些粒子在磁記錄材料、磁性液體、生物醫(yī)學、傳感器、催化、永磁材料、顏料、雷達波吸波材料以及其他領域有著廣闊的應用前景。

納米粒子磁性材料之所以具有廣闊的應用前景，是因為它具有許多不同于常規(guī)材料的獨特效應，如量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，這些效應使納米粒子磁性材料具有不同于常規(guī)材料的光、電、聲、熱、磁、敏感特性。
當納米粒子磁性材料的粒徑小于其超順磁性臨界尺寸時，粒子進入超順磁性狀態(tài)，無矯頑力和剩磁。眾所周知，對于塊狀磁性材料（如Fe、Co、Ni），其體內(nèi)往往形成多疇結構以降低體系的退磁場能。納米粒子尺寸處于單疇臨界尺寸時具有高的矯頑力[3]。小尺寸效應和表面效應導致納米粒子磁性材料具有較低的居里溫度。另外，納米粒子磁性材料的飽和磁化強度（Ms）比常規(guī)材料低，并且其比飽和磁化強度隨粒徑的減小而減小。當粒子尺寸降低到納米量級時，磁性材料甚至會發(fā)生磁性相變。
納米粒子磁性材料的合成方法
納米粒子磁性材料的制備是其應用的基礎，目前已經(jīng)發(fā)展了許多種合成和制備方法，通?？煞譃榛瘜W法和物理法。表1~3概括了這些方法的制備工藝、特點及應用等。
納米粒子磁性材料的應用
1、在磁記錄材料方面的應用。目前磁記錄介質(zhì)仍以磁性氧化物微粒磁介質(zhì)為主，為了提高磁記錄密度，磁記錄介質(zhì)總的趨勢是向高矯頑力方向發(fā)展。在顆粒型磁存儲介質(zhì)中，記錄單元的尺寸變得越來越小，磁性顆粒的尺寸已向納米尺度方向過渡，由于納米粒子磁性材料具有單磁疇結構及矯頑力很高的特征，用它來做磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量，為高密度磁存儲創(chuàng)造了條件；
含Co、Ti的鋇鐵氧體粒子作為高密度磁記錄介質(zhì)已引起人們極大興趣。采用共沉淀、水熱合成等方法制出的納米級Co代換-Fe2O3、Co-Ti代換BaFe12O19氧化物粒子磁粉，利用真空蒸發(fā)、濺射等工藝制成的金屬納米粒子磁粉、連續(xù)薄膜介質(zhì)相繼投放市場，推動了高密度磁記錄的快速發(fā)展。
2、在磁性液體方面的應用。利用納米粒子磁性材料的超順磁性研制成了磁性液體（又叫鐵磁流體），它是將納米粒子磁性材料通過表面活性劑的包覆，使其均勻穩(wěn)定地分散在某種基（載）液之中而形成的穩(wěn)定膠狀體物質(zhì)。這種材料具有液體的流動性和磁體的磁性，它的基本參數(shù)是飽和磁化強度，其大小主要由構成膠體的磁性粒子決定。最初的磁性顆粒，是采用真空化學氣相沉積（CVD）或球磨法制得的金屬（Fe，Co，Ni）或合金粒子，平均粒徑5~7nm，制成的磁性液體的=120~150mT。后來，又制成了低成本的氧化物（Fe3O4等）粒子磁性液體，其≈40mT。磁性液體在硬磁盤機（HDD）的密封、宇航服、軸承、潤滑、沉浮、阻尼、揚聲器減震、磁性染料、磁性燃料、移位寄存器顯示、磁流體藥物、復印、工業(yè)廢液處理等方面均有應用；
3、在醫(yī)學、生物領域中的應用。利用納米粒子磁性材料制造靶向輸送醫(yī)療藥物，是目前醫(yī)藥學研究的熱點。納米粒子磁性材料表面涂覆高分子材料后，外部再與蛋白質(zhì)結合，將這種載有高分子和蛋白的納米粒子磁性材料作為藥物的載體，注射到生物體內(nèi)，在外加磁場的作用下，通過納米粒子的磁性導向性使藥物更方便地移向病變部位，增強其對病變組織的靶向性，有利于提高藥效，達到定向治療的目的，從而改變目前放療和化療中正常細胞和癌細胞統(tǒng)統(tǒng)被殺死的狀況。動物臨床實驗證實，F(xiàn)e3O4納米粒子磁性材料是應用于這種技術的最有前途的載體，它在治療結束后可以通過人體肝臟和脾臟自然排泄；
4、在傳感器方面的應用。納米粒子由于其巨大的表面和界面，對外界環(huán)境如溫度、光、濕度等十分敏感，外界環(huán)境的變化會迅速引起表面或界面離子價態(tài)和電子運輸?shù)淖兓怯糜?a href=http://www.snton.com.cn/index.php?m=search&g=c&type=1&name=%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8 target='_blank'>傳感器方面最有前途的材料。如利用納米Fe2O3載體溫度效應引起電阻變化，可制成溫度傳感器。另外用納米-Fe2O3制成的氣敏材料，具有響應速度快、選擇性強、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點，在無摻雜條件下，對C2H5OH、H2和CH4等氣體具有一定的靈敏度；
5、在催化方面的應用。納米粒子的比表面積大、表面反應活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強等優(yōu)異性質(zhì)，為納米粒子作為催化劑提供了必要的條件，使其在化工催化方面有著重要的應用。如Fe2O3納米粒子已直接用作高分子聚合物氧化、還原及合成反應的催化劑，可大大提高其反應效率，很好地控制反應速度和溫度。將納米-Fe2O3做成空心小球，浮在含有有機物的廢水表面上，利用太陽光可進行有機物的降解。美國、日本利用這種方法對海上石油泄露造成的污染進行處理。郭廣生等人通過研究納米氧化鐵粒子對乙苯脫氫催化劑活性的影響，發(fā)現(xiàn)以納米氧化鐵為主要原料，采用特殊工藝制備的多組份催化劑一般強度較低，焙燒時易粉碎。若主催化劑以普通氧化鐵和納米氧化鐵混合物為原料，不僅可提高催化劑的活性，而且可增加催化劑的強度[40]。當-Fe2O3達到納米級后，以此作為燃燒催化劑制成的固體推進劑的燃燒速度較普通推進劑的燃燒速度可提高1~10倍，這對制造高性能火箭及導彈十分有利；
6、用作永磁材料。德國西門子公司采用機械合金化法及隨后進行固態(tài)反應的方法研制出稀土納米永磁材料，如Nd-Fe-B和Sm-Fe-N磁體。納米粒子磁性材料屬于單疇粒子，其剩余磁矩與粒子的體積成正比，它的磁化機制為旋轉(zhuǎn)磁化，即使不磁化也是永磁體，因此用它可作永磁材料。例如大塊軟鐵一般表現(xiàn)為軟磁性，但對16nm的鐵粉，其矯頑力非常高，因而可作為永磁材料使用，如用作磁記錄材料可提高記錄密度和信噪比；
7、在顏料領域中的應用。氧化鐵系顏料是涂料工業(yè)的重要無機原材料，粒徑小于100nm的納米氧化鐵粒子，其化學組成甚至晶體結構雖然與本體物質(zhì)一樣，但具有許多獨特的性質(zhì)，用納米氧化鐵作為顏料，既保持了一般無機顏料良好的耐熱性和吸收紫外線功效等優(yōu)點，又能很好地分散在油性載體中，用它調(diào)制的涂料或油墨具有令人滿意的透明度；
8、在雷達波吸波材料方面的應用。雷達波吸波材料（RAM）能有效降低目標的RCS(radar cross section)，提高各種作戰(zhàn)武器平臺的突防能力、生存能力；能有效地抑制電磁波的輻射、泄漏、改善電磁環(huán)境，提高整機的安全性、保密性。由于納米粒子磁性材料所具有的特殊磁性、紅外隱身和屏蔽效應，在RAM中應用很廣，目前所研究的材料主要有吸收劑，M、Z、Y、W型片狀六角鐵氧體吸收劑，后者主要集中在吸收劑上；
9、在其他領域的應用。利用納米粒子磁性材料的巨磁阻抗效應制備的磁傳感器已經(jīng)問世。軟磁鐵氧體納米材料在無線電通訊、廣播電視、自動控制、宇宙航行、雷達導航、測量儀表、計算機、印刷、家用電器等領域均得到了廣泛應用。金屬、鐵氧體等納米顆粒與聚合物形成的0~3型復合材料和多層結構的2~3型復合材料，能吸收和衰減電磁波和聲波，減少反射和散射，在電磁隱形和聲隱形方面有重要作用。利用具有半導體特性的納米-Fe2O3等做成涂料，由于具有較強的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。

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