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纳米磁性材料

在大自然中，许多生物体内都存在着天然的纳米磁性粒子，例如：鸽子，海

豚，石鳖，蜜蜂，人类大脑中平均含有20微克（约500万粒）的磁性纳米粒子，

这些存在的纳米磁性微粒能够起到引导方向的作用，但是是如何和神经系统所联

系至今还是个谜。

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)。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。所以纳米磁性材料的特殊磁性是属于纳米磁性，而纳米磁性材料和

纳米磁性又分别是纳米科学和纳米物性的一个组成部分。

一、磁性纳米材料简介

磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特

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，交换作

用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这

些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。

磁性纳米材料可以大体分为固体磁性材料和磁流体。固体磁性材料中又包含

铁磁材料。具有铁磁性的纳米材料如纳米晶Ni，γ-Fe2O3等可作为磁性材料。

铁磁材料可分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料的主要特点是磁导率高饱和磁

化啊强度大、电阻高、损耗低、稳定性好。硬磁材料的主要特点是剩磁要大矫

顽力也要大，不易去磁。对温度、时间、振动等干扰的稳定性要好。磁流体作为

一种特殊的功能材料,是把纳米数量级(10纳米左右)的磁性粒子包裹一层长链

的表面活性剂，均匀的分散在基液中形成的一种均匀稳定的胶体溶液。磁流体由

纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成。一般常用的有Fe3O4、Fe2O3、Ni、Co

等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为活性剂防止团

聚。

二、磁性纳米材料的特点

1.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，纳米金属费米能级附近的

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。

2.小尺寸效应：当粒子尺度小到可以与光波波长，磁交换长度，磁畴壁宽

度，传导电子德布罗意波长，超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时，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。

3.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。

而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中，发现宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也

具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。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。

4.磁畴：块状磁性材料因交换作用能，磁各向异性能而导致磁矩平行排列

在其易轴方向，但这将导致很强的退磁能，为降低能量，材料必然分裂成磁畴，

5.超顺磁性:超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。当体积

为V的单畴磁性粒子继续减小，磁矩取向会因热运动能量比相应的磁能还大，可

越过各向异性能势垒，使粒子的磁化方向表现为磁的“布朗运动”，粒子集合体

的总磁化强度为零。

6.交换作用：纳米磁性材料内部有正常的磁交换作用。

三、纳米磁性材料的制备方法

纳米磁性材料的制备主要分为磁流体的制备、纳米磁性微粒的制备、纳米磁

性微晶的制备以及纳米磁性复合材料的制备。

1.磁流体的制备方法

磁流体的制备方法有物理法和化学法：物理法又可分为研磨法、热分解法、

超声波法、机械合成法、等离子CVD法等；化学法又可分为气相沉积法、水热

合成法、溶胶凝胶法、溶剂蒸发法、热分解法、微乳液法及化学沉降法等。各种

方法各具优缺点，根据不同的需求选择不同的制备方法。

物理法：研磨法工艺简单,但材料利用率低,球磨罐及球的磨损严重,杂质

较多,成本昂贵,还不能得到高浓度的磁流体,因而实用差。热分解法