铁氧体磁性材料03版.ppt

铁氧体磁性材料 学生 郭晓宇 90年代以来 磁性材料处于蓬勃发展的全盛时期 除传统的永磁 软磁 磁记录等磁性材料在质与量上均有显著进展外 新颖的磁性功能材料 如巨磁电阻 巨磁阻抗 巨霍尔效应 巨磁致伸缩 巨磁热效应 巨磁光效应等 利用特大的磁 电 磁 力 磁 热 磁 光等交叉效应的磁性功能材料为未来磁性材料的发展开拓了新领域 稀土磁性材料 稀土元素由于其独特的4f电子结构 大的原子磁矩 很强的自旋轨道耦合磁矩等特性决定了它具有广泛的用途 特别是当稀土元素与其它元素形成配合物时 具有丰富的磁学 电学及光学特性 如稀土永磁材料 稀土磁致伸缩材料 稀土磁光村料 稀土磁致冷材料 目前20K以下的低温磁致冷装置在某些领域己实现实用化 稀土巨磁阻材料 例如用高真空直流磁控溅射法在玻璃为底和4英寸si 100 上制备的多层膜 主要用作磁记录或磁传感器材料 目前稀土磁性材料的研究重点主要在以下几个方面 一是加强稀土磁性材料的理论研究 完善现有的工艺理论体系 二是发掘新的稀土磁性材料 开发其新功能 三是缩短实验室研究与工业化时间 加强产业开发 纳米磁性材料 纳米磁性材料是20世纪80年代出现的一种新型磁性材料 当颗粒尺寸为纳米级时 由于纳米颗粒的小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 其多种电磁特性或物理特性将发生变化 例如光吸收显著增加 并产生等离共振频移 磁有序态向磁无序态 超导向正常相的转变 声子谱发生改变等 当纳米级强磁性颗粒 Fe Co合金 氧化铁等 尺寸为单磁畴临界尺寸时 具有很高的矫顽力 可制成磁性信用卡 磁性钥匙 磁性车票等 还可以制成磁性液体 广泛的用于电声器件 阻尼器件 旋转密封 润滑 选矿等领域 铁磁性的物质进入纳米级 由于由多畴变成单畴 显示出极强的顺磁效应 研究表明颗粒为6nm的纳米铁晶体的断裂强度较之多晶铁提高了12倍 纳米金属的磁化率是普通金属的20倍 而饱和磁矩是普通金属的I 2 软磁性能达到高磁导率 高磁感应强度和低矫顽力 而硬磁性能则达到最大磁能积 剩磁 矫顽力三者并高 其中最大磁能积更是翻了数倍 以Fe为主的合金纳米磁粉 添加Co Ni后 其粉粒长轴为150nm 短轴为30nm 可用于涂布型磁带可获得高密度输出 1998年著名的Finement纳米微晶软磁材料Fe73 5CuNb3Si13 5B9问世以来具有高的软磁性能 作为工作频率为30kHz的2kw开关电源变压器质量仅为300g 体积仅为铁氧体的l 5 效率高达96 纳米磁致冷材料也取得了重要进展 20世纪90年代用Fe离子取代部分Gd离子研制出15 30K温区较好的磁致冷材料 我国对稀土类钙钛矿化合物LaMnO进行了大量的研究 获得了一些磁熵变较大 居里点可调 价格相对便宜的材料 如能解决居里点上调到室温时磁熵变大幅下降的问题 则该类材料有较大的应用前景 四川大学还研制了四种合金材料 并已申请了专利 目前纳米微晶磁性材料的制备方法主要有非晶晶化法和机械合金法 随着制备手段的提高 制备技术的改进 纳米磁性材料的性能有望进一步提高 其应用必将更加广泛 目前 纳米磁性材料的研究和发展方向主要集中在以下几个方面 一 纳米磁性材料的基础理论研究 包括成分 结构和性能等 二 纳米磁性材料的多元化和制备手段 三 纳米磁性材料实际应用技术 生物磁性材料 磁性材料在人体上的应用很早 远在2000多年前 我国和国外均有利用磁石 磁铁矿 作为内服和外用药物治病的记载 如我国明代著名药物学家李时珍的著作 本草纲目 公元578年 中便描述磁石的气味 性能 为 辛 寒 无毒 列举了磁石在医药上的10余种应用 都附有处方和用法 建国后我国审定的正式药典 中华人民共和国药典 1963年 中亦有记载磁石以及磁石为重要中药的成分 功能和主要病症 2000多年来 生物磁性材料的研究和应用有了很大的进展 如铁氧体磁性细粉或磁石作造影剂 可替代钡盐 将磁化过的永磁铁氧体微粉作为示踪剂 20世纪90年代初日本海老尺辛等学者研制出具有生物活性的微晶玻璃作为治疗癌症特别是骨瘤的人工发热体 还有用作磁性药物微球的正铁酸盐等 以及人工骨材料的磁性多孔磷酸三钙陶瓷人工骨材料 尽管有些生物磁性材料还处于试验室阶段 但随着生物磁学 材料科学 生物工程 临床医学以及各种基础生物科学的进一步发展 在不久的将来 生物磁性材料一定会在临床上得到更广泛的应用 特别是21世纪是生物科学的世纪 科学家已经指出 21世纪生物科学的发展将主要会在以下几个方面 1 生物体中的磁现象 2 磁场对生物体的影响 3 磁性手段在生物研究中的应用 铁氧体磁性材料 磁铁矿是人类最早接触到的铁矿石 铁氧体是从20世纪40年代迅速发展起来的一种新型的非金属磁性材料 与金属磁性材料相比 铁氧体具有电阻率大 介电性能高 在高频时具有较高的磁导率等优点 随着科学技术的发展 铁氧体不仅在通讯广播 自动控制 计算技术和仪器仪表等电子工业部门应用日益广泛 已经成为不可缺少的组成部分 而且在宇宙航行 卫星通讯 信息显示和污染处理等方面 也开辟了广阔的应用空间 铁氧体一般是指铁族元素和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物 它是一种具有亚铁磁性的强磁性材料 故通称为铁氧体磁性材料 从它的电特性看来 属于半导体范畴 所以有的铁氧体也称为磁性半导体 随着生产的发展 铁氧体不仅已在自动控制 通讯广播 仪器仪表和计算技术等方面成为不可或缺的组成部分 而且在卫星通讯 宇宙航行 污染处理和信息显示方面也开辟了新的广阔应用前景 铁氧体材料与器件的发展 往往和磁学 固体物理学 无线电电子学 固体物理化学等基础学科的发展有密切联系 它们相互促进 相互发展 不断开辟出新的应用领域 铁氧体种类繁多 根据目前在实际生产中的应用情况 铁氧体磁性材料可分为硬磁铁氧体 软磁铁氧体 矩磁铁氧体 旋磁铁氧体和压磁铁氧体等五种 各有单晶 多晶和薄膜等形式 铁氧体的磁性与其结构有密切关系 其晶体结构主要有尖晶石型 磁铅石型 石榴石型三种 其中以磁铅石型铁氧体应用最为广泛 一 片状粉体材料 粉体材料特性主要包括粒度 粒度分布 颗粒形状 比表面积及表面结构等 其中粉体材料的形状是描述粉体材料特征的主要参数之一 粉体材料的形状是指一个粉体颗粒的轮廓边界或表面上各点所构成的几何图形 它直接影响着粉体的性质及其应用性能 例如片状粉体具有优良的附着力与反射光线的能力 可用于涂料 油墨及化妆品等行业 多角状粉体具有良好的研磨性能 可用于磨料制造 针状 纤维状粉体具有较好韧性 耐磨性与及耐高强度冲击性 是制造填料原料的优质原料 粉体颗粒具有千差万别的外部形貌特征 描述颗粒形状的方法可分为定性描述与定量描述 定性描述颗粒形状的常用术语有球形 圆形球体 片状 板片状形体 针状 形状似树枝体 纤维状 规则或不规则的线状体等 尽管某些术语并不能准确地描述粉体的形状 但它们大致地反映了粉体形状的某些特征 因此 这些术语至今在工程上仍然被广泛使用 常用的粉体形状的定量描述方法主要有Fourier方法 方波函数法等 片状粉体是一种重要的结构功能性粉体材料 主要性能参数包括粒度 粒度分布 厚度 径厚比及表面结构等 其径度可为微米级 也可为纳米级 而厚度多集中在纳米级 其优势体现在其特殊的二维平面结构 具有良好的附着力与反射光线的能力 可用于颜料 涂料 油墨等领域 片状磁性材料的应用 一般片状粉体材料具有较小的厚度与较大的径厚比 在厚度方向可以达到纳米级 而在径向为微米级 因此 它兼有纳米和微米粉体的双重功效 表面活性适中 既能与其它活性基团有效结合 又不易团聚而便于有效分散 中南大学的苏周曾对不同级别的片状氧化铝用途进行了详细的阐述 当其粒径达到2 40 m时 在化妆品领域其上妆效果和附着力就会得到明显的提高 当其粒径较小时在抛光粉的应用效果更强 北京化工大学的赵芸等研究当层状双金属氢氧化物 LDH 的晶粒尺寸不同时可以满足阻燃剂 选择性红外吸收材料 紫外阻隔材料及热稳定剂等功能材料的不同需求 片状材料又由于其特殊的形貌而具有良好的附着力 显著的屏蔽效应与反射光线能力 葛副鼎等人从理论上分析了吸波剂形状对其吸波性能的影响 得到当吸收剂颗粒的形状为圆片状或针状时 吸波材料的吸波能力大于吸收剂颗粒为球形的结论 常见的吸波材料有BaTiO3 铁氧体 碳化硅等 二 钡铁氧体 1 磁铅石型铁氧体分类磁铅石型铁氧体一般由BaO Me2 O和Fe2O3 3种氧化物复合而成 Me2 为二价金属离子 Fe3 可以由其他离子取代 磁铅石型铁氧体主要有M W X Y Z U等类型 在六角铁氧体吸收剂的研究中 BaFe12O19 Ba M 的研究较早 Ba M具有很高的磁晶各向异性场 可以作为厘米波和毫米波段吸收剂 纳米W X Y Z U型铁氧体吸波材料 主要是在M型铁氧体的基础上 用金属离子Me Mg Mn Co Ni Zn Cu Ti 等部分置换BaFe12O19中的Ba2 组成Ba Me Fe2O3三元系或多元系的复合铁氧体 包括形成W BaMe2Fe16O27 Me为Zn Co等二价金属离子 X Ba2Me2Fe28O46 Y Ba2Me2Fel2O22 Z Ba3Me2Fe24O41 U Ba4Me2Fe36O60 等6种复合铁氧体 2 钡铁氧体的组成及晶体结构 钡铁氧体BaFe12O19是一种硬磁材料 它是一种比较简单的磁铅石型铁氧体 晶体结构如图所示 它有5个晶格 属于六角晶型的片状颗粒状态 磁化轴垂直于基面即六角平面的法向 具有磁各向异性 每个BaFe12O19晶胞包括两个分子式 可以分成10个氧离子层 在c轴方向氧离子的密堆积排列又可分成几个层和块 包括Ba2 的氧离子层叫钡层 以B1表示 这种B1层每隔4个氧离子层出现一次 每一个B1层中 包括一个Ba2 3个Fe3 和3个O2 其中2个占B位 一个占据由五个氧离子组成的六面体位置 也称E位 两个B1层之间有一个由氧离子立方密堆积的块 其构造类似尖晶石故又称为尖晶石块 以S4表示 在尖晶石块S4中包括4个氧离子层 每个氧离子层中包括4个氧离子 在每一个尖晶石块S4中 有9个Fe3 填充在氧离子密堆积的空隙中 2个占据A位 7个占据B位 所以每个磁铅石晶胞共有38个O2 24个Fe3 和2个Ba2 Fe3 分别分布在4个A位 18个B位 2个E位 而Ba2 则共同参加氧离子的密堆积 3 磁性能分析 磁性能主要的性能指标是 剩余磁化强度 Mr 饱和磁化强度 Ms 矫顽力 Hc 磁能积 BH 磁性能检测经常使用的是振动样品磁强计 它广泛用于各类磁性材料的测量 是现今磁性测量的常规测试设备 振动样品磁强计是基于电磁感应原理制成的仪器 它可分为两种类型 第一种是被磁化的样品在包围它的线圈中或在两个串联反接的线圈之间以某一频率往复运动 将探测线圈中的感应电动势积分 得到与磁通量成正比的电压 从而测定样品的磁化强度 第二种类型的振动样品磁强计是采用尺寸较小的样品 它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m的磁偶极子 使样品在某一方向做小振幅振动 用一组相互串联反接的探测线圈在样品周围感应这个磁偶极子场的变化 可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度 这种类型的仪器使用较为广泛 4 制备方法 近年来 随着纳米材料的不断发展 纳米材料的制备方法也越来越多 为了保证钡铁氧体具有良好的吸波性能 制备钡铁氧体的方法主要有 物理法和化学法 化学法主要有 溶胶 凝胶法 化学共沉淀法 水热合成法 微乳液法 自蔓延高温合成法等 物理法主要有高能机械研磨法 1 溶胶 凝胶法 溶胶 凝胶法是一种现阶段常见的无机纳米材料的新兴湿化学合成方法 其过程是 金属化合物经溶胶 凝胶后固化 经低温热处理并煅烧除去有机物后得纳米粒子 这种方法的优点是工艺过程容易控制 产品的粒度分布窄 均匀性好 但是该法对外界条件的要求较高 不易控制 成本较高 对工业化而言 还比较难以大规模地实现 2 化学共沉淀法 化学共沉淀法对外界条件要求不高 是制备纳米材料的经典方法 比较有利于大规模工业化的生产 其。