納米磁性材料及應用摘要納米磁性材料的特性不同于常規的磁性材料，其原因在于與磁性相關聯的特征物理長度恰好處于納米量級關鍵詞。利用這些特性，涌現出一些列新材料與眾多應用。本文主要介紹了納米微晶材料及其應用以及磁納米顆粒在磁記錄材料、磁性液體以及磁性藥物方面的應用。關鍵詞：納米磁性材料；納米技術；磁性材料1.引言1.1物質的磁性磁性現象的范圍是很廣泛的，從微觀粒子到宏觀物體，以至宇宙天體，都具有某種程度的磁性。按照現代原子物理學的觀念，物質內部的元磁性體有以下兩種1：（1）組成物質的基本粒子（電子、質子、中子等）都具有本征磁矩（自旋磁矩）（2）由于電子在原子內運動而產生的微觀電流的磁矩（軌道磁矩），以及質子和中子在原子核內的運動所產生的磁矩當大量原子和分子集團組成物質時，原子內的這些元磁性體之間有各種相互作用，這些相互作用就是物質的磁性起源。1.2納米磁性材料的分類磁性材料一直是國民經濟、國防工業的重要支柱與基礎，應用十分廣泛，尤其在信息存儲、處理與傳輸中已成為不可缺少的組成部分，廣泛地應用于電信、自動控制、通訊、家用電器等領域。隨著技術的發展，磁性材料進入納米階段。納米磁性材料及其應用主要分為四個方面2：（1）磁性納米微晶材料及其應用；（2）磁性納米微粒材料；（3）磁性納米有序陣列及其應用；（4）磁性納米結構材料及其應用。1.3納米磁性材料的特性納米磁性材料的特性不同于常規的磁性材料，其原因在于與磁性相關聯的特征物理長度恰好處于納米量級，例如：磁單疇尺寸、超順磁性臨界尺寸等大致處于1-100nm量級，當磁性體的尺寸與這些特征物理長度相等時，就會呈現反常的磁學與電學性質3。表1所示為Fe、Ni的磁單疇臨界半徑和超順磁性臨界尺寸2。表1 Fe、Ni的磁單疇臨界半徑和超順磁性臨界尺寸MFeNi磁單疇臨界半徑（nm）8.021.2超順磁性臨界尺寸（nm）6.3252.磁性納米微晶材料及其應用磁性納米微晶材料大致上可分為納米微晶軟磁材料與納米微晶永磁材料二大類。2.1納米微晶軟磁材料納米晶軟磁材料一般是指材料中晶粒尺寸減小到納米量級（一般 50nm）而獲得高起始磁導率（i105）和低矯頑力（Hc0.5A/m）的材料。一般是在Fe-B-Si基合金中加少量Cu和Nb，在制成非晶材料后，再進行適當的熱處理，Cu和Nb的作用分別是增加晶核數量和抑制晶粒長大以獲得超細（納米級）晶粒結構。納米晶軟磁材料由于其特殊的結構其磁各向異性很小，磁致伸縮趨于零，且電阻率比晶態軟磁合金高，而略低于非晶態合金，具有高磁通密度、高磁導率和低鐵損的綜合優異性能。納米晶軟磁材料是1988年由日本日立公司的吉澤克仁及同事發現的4，他們將含有 Cu、Nb的Fe-Si-B非晶合金條帶退火后，發現基體上均勻分布著許多無規取向的粒徑為1015nm的-Fe(Si)晶粒。這種退火后形成的納米合金，其起始磁導率相對于非晶合金不是下降而是大幅提高，同時又具有相當高的飽和磁感應強度，其組成為Fe73.5Cu1NbSi13.5B9。他們命名這種合金為Finenet，Finenet的磁導率高達105，飽和磁感應強度為 1.30T，表2所示為Finenet材料與鐵氧體、非晶材料的特性對比。用于工作頻率為30kHz的2kW開關電源變壓器，重量僅為300g，體積僅為鐵氧體的1/5，效率高達 96%。Fe-Cu-Nb-Si-B系納米材料能夠獲得軟磁性的重點原因2是：在Fe-Cu-Nb-Si-B納米材料中，-Fe(Si)固溶體晶粒極為細小，每個晶粒的晶體學方向取決于隨機無規則分布晶粒間的交換耦合作用，這種交換耦合作用的結果使得局域各向異性被有效地平均掉，致使材料的有效磁各向異性極低。表2 Finenet材料與鐵氧體、非晶材料的特性對比吉澤克仁的發現掀起了世界范圍納米晶軟磁材料的研究熱潮。繼Fe-Si-B納米微晶軟磁材料后，90年代，Fe-M-B，Fe-M-C，Fe-M-N，Fe-M-O等系列納米微晶軟磁材料如雨后春筍破土而出。最近又有人研究了在Fe- Si-B-Cu-Nb納米晶材料中加Al對磁性的影響。隨著Al含量的增加，Hc先顯著降低，然后無大的變化；Ms則線性減小；晶粒大小在最佳熱處理情況下無明顯的變化。我國學者張延中等人以V、Mo取代Fe-Cu-Nb-Si-B合金中的Nb，制備出的納米晶合金薄帶其軟磁性能亦十分優異，成本亦相應降低。新近科學界又發現納米微晶軟磁材料在高頻場中具有巨磁阻抗效應，又為它作為磁敏感元件的應用提供了良好的前景。目前，納米微晶軟磁材料正沿著高頻、多功能方向發展，其應用領域將遍及軟磁材料應用的各方面，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻變壓器、扼流圈、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關和傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競爭者。2.2納米微晶永磁材料由于稀土永磁材料的問世，使永磁材料的性能突飛猛進。稀土永磁材料已經歷了SmCo5、Sm2Co17以及Nd-Fe-B三個發展階段。自1983年第三代稀土材料Nd-Fe-B問世以來，以其優異的性能和資源豐富的原材料而成為各國研究者所關注的對象，目前燒結Nd-Fe-B稀土永磁的磁能積已高達432kJ/m3(54MGOe)，已接近理論值512kJ /m3(64MGOe)，并迅速走出實驗室，進入規模化生產。Nd-Fe-B產值年增長率約為18%20%，已占永磁材料總產值的40%。但Nd-Fe-B永磁體的主要缺點是居里溫度偏低（TC593K），最高工作溫度約為450K，此外化學穩定性較差，易被腐蝕和氧化，價格也比鐵氧體高，這限制了它的使用范圍。目前研究方向是一方面探索新型的稀土永磁材料，如ThMn12型化合物，Sm2Fe17Nx、Sm2Fe17C化合物等，另一方面便是研制納米復合稀土永磁材料。最早研制的納米晶稀土永磁合金是在快淬Nd-Fe-B合金中添加某些微量元素如V、Si、Ga、Nb、Co等有利于晶粒細化并形成納米晶，從而獲得較高的Br，達到提高(BH)max的目的。最近Coehoorn6和Ding7等人提出了“雙相納米晶耦合永磁合金”的新概念。這種合金中至少含有兩個主要磁性相：軟磁相和硬磁相，并且具有納米尺度的顯微結構。通常軟磁材料的飽和磁化強度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向異性又遠高于軟磁材料，如將軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內進行復合，就有可能獲得具有兩者優點的高飽和磁化強度、高矯頑力的新型永磁材料。目前，納米稀土永磁合金已進入實用化階段，最常用的是Nd2Fe14B+-Fe或Nd2Fe14B+Fe3B合金。同其他永磁材料相比，由于納米晶稀土永磁合金含較少的稀土金屬，故具有較好的溫度穩定性，并且抗氧化，耐腐蝕，成本相對減少。同時合金中含較多的鐵，可望改善合金的脆性和加工性。并且，納米晶稀土永磁合金具有極高的潛在(BH)max值，因此，納米永磁材料有望成為新一代永磁材料，已成為目前研究的熱點。3.磁性納米微粒材料及其應用磁性納米微粒材料是最早進入應用的納米磁性材料，從應用的角度大體可分為：（1）磁記錄材料；（2）磁性液體；（3）磁性藥物；（4）吸波材料四類。3.1磁記錄材料實驗表明，當材料的晶粒進入納米尺寸時，具有比通常結構下的同成分的材料特殊得多的磁學性能，其磁結構從多疇區變為單疇區，其矯頑力達到最高值，用它制作磁記錄材料可以大大提高信噪比，改善圖象質量，而且可以達到信息記錄高密度化5。納米磁記錄材料的研究現已有很大的進展。納米磁性多層薄膜是一種有巨大潛力的信息存儲介質，迄今為止，納米磁性多層膜已有350多個研究系列，實驗存儲密度已達65Gbin2。納米巨磁電阻（GMR）材料可使計算機磁盤存儲能力提高 30倍左右，使每平方英寸的存儲能力增加到100億位。納米GMR材料已引起越來越多的科學家和企業家的重視，利用納米GMR可使計算機磁盤存儲能力大大提高。1993年美國IBM的科學家，在多層膜GMR效應方面獲得突破性進展，他們發現了一種在低磁場下產生GMR的方法。利用濺射方法制得納米多層膜，然后將膜迅速退火，該材料在低磁場呈現大的GMR效應，將大大增高數據存儲器件的容量。俄羅斯科學家已開發出制備 Ni，Cu，Al，Ag，Fe，Sn，Mg，Mn，Pt，Au，Mo，W，V以及稀土金屬等納米級金屬超細粉末的生產工藝。熔點在1500以上的所有金屬都可獲得納米級超細粉末。Fe-Ni超細顆粒制作高密度金屬磁帶，已進入實用階段。目前國內外正在研制典型的垂直磁記錄介質納米級六角晶系鐵氧體，其高頻特性優于-Fe2O3，化學穩定性優于金屬磁粉，現已成為新型的磁記錄介質而嶄露鋒芒。3.2磁性液體磁性液體是由納米磁性微粒包覆一層長鏈的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構成穩定的具有磁性的液體8。它由強磁性微粒、基液及表面活性劑組成，各組分的要求如下：（1）強磁性微粒必須足夠小，的微粒直徑要小于3nm，Fe3O4的微粒直徑不能大于10nm;（2）基液：水基、煤油基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等；（3）表面活性劑的要求：一端要能化學吸附在磁性微粒表面，形成溶劑化膜，而另一端要與基液有較高的親和性，使其能在基液中自由伸展擺動，同時還要求表面活性劑分子有一定的鏈長，以克服微粒間的范德瓦爾斯吸引力。磁流體兼有磁體的磁性和液體的流動性，具有其他固態磁性材料以及其他液體所沒有的一系列新性質，被廣泛的應用于旋轉密封，如磁盤驅動器的防塵密封等，以及揚聲器、阻尼器件、磁印刷等。3.3磁性藥物磁性納米粒子經過表面修飾而帶有一定電荷或功能基團，可與特異性抗體結合，作為藥物載體用于藥物的輸運。圖1所示為磁性納米粒子結構示意圖。圖1 磁性納米粒子結構示意圖這種磁性載體能借助于外加磁場的導向作用，將藥物運送到人體預定的病變部位進行控制釋放，這樣即可以減少毒副作用，不殺死正常細胞，又可降低藥物用量，大大提高了藥物效率9,10。磁性納米顆粒也可以用于細胞分離11、靶向熱療12等領域，工作原理與磁性藥物類似。4.總結與展望納米磁性材料是20世紀70年代后逐步發展的新型磁性材料，由于其獨特的性質而被應用于眾多領域，對經濟建設、國防實力乃至社會進步產生巨大影響。可以預見，隨著相關技術的發展，越來越多的納米磁性材料被開發出來，將產生更大的經濟效益與社會效益。5參考文獻1 郭貽誠. 鐵磁學M. 北京大學出版社, 2014.2 都有為. 納米磁性材料及其應用J. 材料導報, 2001, 15(7): 6-8.3白木, 周潔. 納米磁性材料及其應用J. 信息記錄材料, 2004(7):6-8.4Yoshizawa Y, Yamauchi K, Yamane T, et al. 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