第五章纳米材料的磁学性能.ppt

图5-16 多层膜PtCo30nm/Co Xnm的磁滞迴线 （a）=11nm （b）=10nm （c）=8nm （d）=5nm 多层膜中软磁相的厚度或体积分数对矫顽力和磁化积有较大的影响。图5-16为退火后PtCo/Co多层膜（10层）的磁滞迴线与Co软磁层厚的关系。由图可知，随着Co层厚度的减小，多层膜的矫顽力和磁能积迅速增加。此外，多层膜退火时层间的扩散或非晶相转变为晶相也能导致磁能积的增加。 制备高剩磁硬、软相纳米复合永磁体合金的方法主要有三种，一是薄膜制备，二是快淬甩带，三是机械合金化。 目前，用上述方法制备的纳米复合永磁体的最大磁能积一般不超过200 kJ/m3。其主要原因有： 1）晶粒大于软、硬磁晶粒交互耦合的临界尺寸。如前所述，当软磁相的尺寸大于10 nm时将损害，而目前制备的磁体的晶粒尺寸一般大于20 nm，且范围波动大，降低了晶粒间的交换耦合作用，使磁能积下降。 2）软、硬磁两相的晶粒相互接触不好，分布不均匀。 3）所有样品都是各相同性的，无织构存在，不符合Skomski模型所要求的各向异性。 4）Skomski模型本身有问题。Skomski模型是1994年提出的，经过近20年的努力，实验值仍不到理论值的五分之一，就应当考虑Skomski模型是否正确。 因此，要使巨磁能积永磁体具有实用价值，还需要做大量的研究工作。同时，由于目前纳米复合永磁材料的磁能积与理论相比有很大的差距，从而使复合永磁材料的研究更富有挑战性。 5.3.3 巨磁化强度材料 1972年高桥发现在N2中蒸镀的50纳米厚的Fe膜中生成的饱和磁化强度可达2.83T, 超过Slater-Baoling公式的2.45T， 然而重复不了。直到1989年日立公司Sugita用分子速外延生长出Fe16N2单晶薄膜，测得饱和磁化强度可达2.9T。 5.4 磁性液体 5.4.1 磁性液体的组成 5.4.2 磁性液体的稳定性 5.4.3 磁性液体的饱和磁化强度 5.4.4 磁性液体的粘度 5.4 磁性液体 5.4.1 磁性液体的组成 磁性液体是经过表面活性剂处理的超细磁性颗粒高度分散在某种液体中而形成的一种磁性胶体溶液。这种胶体溶液在重力和磁场力的作用下不会出现凝聚和沉淀现象。 Fe3O4磁性液体 磁性液体中的磁性颗粒的尺寸一般为10nm或更小，具有自发磁化的特性。然而这些颗粒在液体中处于布朗运动状态，它们的磁矩是混乱无序的，处于超顺磁状态。磁性液体既有固体磁性材料的磁性，又具有液体的流动性。图5-17为施加磁场前后磁性液体中磁性颗粒的分布。 (a) (b) 图5-17 磁性液体中有无外加磁场时磁性颗粒的分布 （a）无外加磁场 （b）有外加磁场 磁场对磁性液体的作用 磁性液体由三种成分组成： 1）磁性颗粒， 2）包覆在磁性颗粒表面的表面活性剂或分散剂， 3）基液或载液。 1）磁性颗粒有三种类型，即20世纪60年代出现的第一代铁氧体颗粒，80年代出现的金属型颗粒和90年代出现的氮化铁颗粒。 A:铁氧体磁性颗粒主要有γ-Fe2O3、MeFe2O4（Me＝Co，Ni，Mn）和Fe3O4颗粒等，颗粒的抗氧化性是磁性液体稳定性的关键问题，也是磁性液体研究和应用的关键问题之一。 B:金属型磁性液体颗粒主要有Fe、Co、Ni及其合金颗粒。由于金属铁磁性材料的饱和磁化强度远高于铁氧体， 因此使用金属型磁性颗粒的磁性液体具有较高的饱和磁感应强度（0.1T）及较低的粘度，但金属型磁性颗粒极易氧化。用一层非晶态SiO2包覆Fe等超细颗粒可使金属型磁性颗粒具有很好的抗氧化性。 C:Fe-N化合物主要有FeN、Fe2N、ε-Fe3N、Fe16N2等。Fe-N系化合物在常温下为稳定相，同时具有高饱和磁化强度，其中薄膜中生成的Fe16N2相可具有2.83T的巨磁化强度。ε-Fe3N磁液的饱和磁化强度可达0.223T。因此用Fe-N化合物颗粒制备的磁性液体不仅具有稳定的化学特性，而且还具有优良的磁性能。 各种形貌的磁性纳米颗粒 2）表面活性剂的作用是使磁性颗粒表面活性化，使微粒以理想的单颗粒形态分散在基液中并能在范德瓦尔斯等各种吸引能量作用下也不会发生凝聚。表面活性剂的作用是其官能团与颗粒表面通过化学键或静电力产生很强的吸附作用，而官能团所在链的部分与溶剂分子保持较强的亲和性，如图5-18所示。 图5-18 磁性颗粒表面的活性剂层 如图5-19所示，图中虚线代表排斥力和范德瓦尔斯吸引力联合作用的能量，虚线上最高点为颗粒发生团聚必须克服的势垒。对于以水为载液的磁液，表面活性剂的作用是微粒表面形成类似双电层的结构，保持较高的表面电荷，利用静电