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1、纳米磁性材料的研究进展,应用化学,一、纳米磁性材料简介,纳米材料又称纳米结构材料,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料(1-10nm),或由它们作为基本单元构成的材料,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系,因此,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性。,一、纳米磁性材料简介,磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱和基础,广泛应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域。而现代社会信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向发展,因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。所以具有优良性能的纳米磁性材料得到了很好的研究及应用。,二、磁性材料发展,磁性是物质的基本属性之
2、一。早在公元前四世纪,人们就发现了天然的磁石(磁铁Fe3O4),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。,二、磁性材料发展,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(Coulomb)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(Oersted)发现了电流的磁效应;同年法国物理学家安培(Ampere)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,二、磁性材料发展
3、,1834年,俄国物理学家楞茨(Lenz),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(Maxwell)将电和磁现象联系起来,系统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,二、磁性材料发展,1905年朗之万(Langevin)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
4、物理学家外斯(Weiss)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,三、纳米磁性材料特点,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,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
5、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。,三、纳米磁性材料特点,小尺寸效应:当粒子尺度小到可以与光波波长,磁交换长度相当或更小时,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。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。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,纳米Fe3O4磁性粒子以其显著的磁效应、表面效应,在磁性液体、生物靶向材料、微波吸波材料、静电复印显影剂等领域具有广阔的应用前景。制备Fe3O4的原材料
6、来源广泛、价廉,制作工艺也相对简便,因而纳米Fe3O4磁性粒子成为纳米材料领域和功能材料领域研究的前沿和热点,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,沉淀法1.共沉淀法原理：Fe2+Fe3+OHFe(OH)2/Fe(OH)3Fe(OH)2+Fe(OH)3FeOOH+Fe3O4FeOOH+Fe2+Fe3O4+H+,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,共沉淀法优点：共沉淀法的特点为产品纯度高、反应温度低、颗粒均匀、粒径小、分散性也好。不足：但此法对于多组分来说,要求各组分具有相同或相近的水解或沉淀条件,因而工艺具有一定的局限性。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,2.超声沉淀法：超声沉淀法是用超声波所产生
7、“超声波气泡”,爆炸后释放出的巨大能量将产生局部的高温高压环境和具有强烈冲击的微射流,以实现液相均匀混合,消除局部浓度不均,提高反应速度,刺激新相的生成。另外,强烈的微射流还可对团聚起到剪切的作用,打碎团聚,有利于小颗粒生成。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,超声沉淀法超声沉淀法具有反应速度快，产生离子颗粒均匀的优点但是反应速度快不好控制，往往制作的磁性粒子不符合要求,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,水热法水热法是指在高压釜里的高温(130250)、高压(0.34 MPa)反应环境中,采用水作为反应介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解、反应、重结晶而得到理想产物。,纳米Fe3O4磁性粒子的制
8、备方法,水热法优点：制备的纳米晶体晶粒发育完整,有利于磁性能的提高,粒子很少团聚,粒度分布均匀。缺点：由于要在高温高压下反应,对设备的要求较高,增加了工业化生产的难度。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,微乳液法由油、水、表面活性剂组成的透明、各项同性、低粘度的热力学稳定体系。其中不溶于水的非极性物质作为分散介质,反应物水溶液为分散相,表面活性剂为乳化剂,形成油包水型(W/O)或水包油型(O/W)微乳液。这样,反应仅限于微乳液滴这一微型反应器内部,粒子的粒径受到水核的控制,且可有效避免粒子之间的进一步团聚。因而得到粒径分布窄、形态规则、分散性能好的纳米粉体。同时,可以通过控制微乳液液滴中水的体
9、积及各种反应物的浓度来控制成核、生长,以获得各种粒径的单分散纳米粒子。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,微乳液法优点：实验装置简单、操作方便、能耗低、应用广泛。缺点：反应的温度低,因而得到的粒子的结晶性能较差,使得粒子的磁性质也受到影响。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,溶胶-凝胶法将金属有机或无机化合物经溶液制成溶胶,在一定条件下(如加热)脱水,使具有流动性的溶胶逐渐变稠,成为略显弹性的固体凝胶;再将凝胶干燥,焙烧得到纳米级产物。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,溶胶-凝胶法优点：是能够保证严格控制化学计量比,产物纯度
10、高,工艺简单,反应周期短。缺点：采用金属醇盐作为原料,致使成本偏高,且凝胶化过程缓慢,合成周期长。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,高温分解法 高温分解铁有机物法是将铁前驱体(如Fe(CO)5、Fe(CuP)3等)高温分解产生铁原子,再由铁原子生成铁纳米粒子,将铁纳米粒子控制氧化得到氧化铁。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,高温分解法 优点：制得的纳米粒子结晶度高、粒径可控且分布很窄。缺点：过程中需要高温条件，有机物质分解产生了有毒的气体。,四、纳米Fe3O4磁性粒子的制备,除上述的制备方法外还有水解法，氧化法，球磨法，多元醇还原法、前驱体热分解法、溶剂热法等等。,四、纳米Fe3O4磁性粒
11、子的制备,除上述的制备方法外还有水解法，氧化法，球磨法等等。,五、纳米Fe3O4的应用,当粒子的尺寸降至纳米量级时,由于纳米粒子的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等的影响,使其具有不同于常规体相材料的特殊的磁性质。这也使其在工业、生物医药等领域有着特殊的应用。,五、纳米Fe3O4的应用,生物医药Fe3O4因具有物料性质稳定、与生物相容性较好、强度较高,且无毒副作用等特点,而被广泛地应用于生物医药的多个领域,如磁共振成像、磁分离、靶向药物载体、肿瘤热疗技术、细胞标记和分离,以及作为增强显影剂、造影剂的研究、视网膜脱离的修复手术等。,五、纳米Fe3O4的应用,磁性液体磁性液体是
12、一种新型功能材料。磁性流体已经广泛应用于选矿技术、精密研磨、磁性液体阻尼装置、磁性液体密封、磁性液体轴承、磁性液体印刷、磁性液体润滑、磁性液体燃料、磁性液体染料、磁性液体速度传感器和加速度传感器、磁性液体变频器、磁性液体陀螺仪、水下低频声波发生器、用于移位寄存器显示等。,五、纳米Fe3O4的应用,催化剂载体Fe3O4颗粒在很多工业反应中被用作催化剂。由于Fe3O4纳米微粒尺寸小,比表面积大,且纳米颗粒表面光滑性差,形成了凹凸不平的原子台阶,增加了化学反应的接触面。同时,以Fe3O4颗粒为载体,催化剂成分覆在颗粒表面,制得核-壳结构的催化剂超细粒子,既保持了催化剂高的催化性能,又使催化剂易于回收
13、。因此,Fe3O4颗粒被大量应用于催化剂载体研究中。,五、纳米Fe3O4的应用,微波吸波材料纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性,如光学非线性,以及光吸收、光反射过程中的能量损耗等,都与纳米微粒的尺寸有很大的依赖关系。研究表明,利用纳米微粒的特殊的光学特性制备成各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。,五、纳米Fe3O4的应用,微波吸波材料目前关于这方面研究还处在实验室阶段。纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收有宽化现象。Fe3O4磁性纳米粉由于具有高的磁导率,可以作为铁氧体吸波材料的一种,应用在微波吸收方面。,五、纳米Fe3O4的应用,磁记录材料纳米Fe3O4由于其尺寸小,其磁结构由多畴变为单畴,具有非常高的矫顽力,用来做磁记录材料可以大大提高信噪比,改善图像质量,而且可以达到信息记录的高密度。为了达到最好的记录效果,纳米Fe3O4颗粒必须有较高的矫顽力和剩余磁化强度,尺寸较小、耐腐蚀、耐摩擦以及适应温度的改变。,六、展望,由于制备技术的不断改进,研究者对Fe3O4纳米颗粒尺寸、均匀分布程度、形状、晶体结构、表面结构以及颗粒磁性能等要素都有了进一步的控制达到了很好的预期目标。一方面更好的处理制备的磁性粒子达到更好应用的目的；要另外一个挑战就是,如何进行无毒、无危险性的大规模生产。,
