纳米磁性材料的制备方法比较与应用

稀土纳米磁性材料用于磁存储器、磁流体、巨磁阻，性
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第 30 卷第 5 期
唐山师范学院学报
2008 年 9 月
能可大大提高，使器件变的性能高、小型化[15]。周期性纳 米磁性线材料潜在的用途是作超高密度垂直磁记录介质、 GMR 读出磁头、超高灵敏度微型磁传感器等。此外，它们 也是研究磁相互作用和磁化过程的理想体系[16]。 3.2 在生物医学领域的应用
化到亚微米或纳米量级。 2.4 纳米磁性结构复合材料的制备方法
由于磁性复合材料的种类繁多，因此其制备方法也不尽 相同。同一种功能的材料可以采用不同的方法制备，也可以 用同一种方法制备出不同功能的复合材料。目前比较常用的 制备方法主要有溶胶－凝胶法、化学共沉淀法、磁控溅射法 和激光脉冲沉积法等。
溶胶－凝胶法可得到晶形薄膜。Adriana 等用溶胶－凝 胶法制备得到了纳米复合颗粒，其尺寸控制在 100nm 内， 磁性性能优异。Sarah 等用溶胶－凝胶法制备了多晶铁氧体。 粉体混合后制备成复合材料，材料的磁性随 BaTiO3 含量的 增加而减弱，但磁饱和强度反而增加。修向前等用溶胶一凝 胶法制备了 Fe 薄膜，在室温下有铁磁性，矫顽力为 240A/m， 居里温度高于室温，有希望应用于电子器件中。该方法具有 一系列的优点：形成溶胶的过程中，原料很容易达到分子级 均匀，易于进行微量元素的掺杂；能严格控制化学计量比， 工艺简单，在低温下即可实现反应；所得产物粒径小，分布 均匀，很容易在不同形状和材质的基底上制备大面积薄膜。 用料较省，成本较低。但同时也存在一些问题，例如反应过 程较长，干燥时凝胶容易开裂，颗粒烧结时团聚倾向严重， 工艺参数受环境因素影响较大等。
非晶化方法制备纳米晶粒：通过晶化过程的控制，将非 晶化材料转变为纳米材料是目前较常用的方法。尤其适用于 薄膜材料与磁性材料的研究中。在 Fe-Si-B 体系的磁性材料 中，由非晶化方法制的纳米磁性材料很多。
深度塑形变形法制备纳米晶体：该方法是材料在准静态 压力的作用下发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细
化学共沉淀法[11-13]工艺设备简单、投资少、污染小、 经济可行、产品纯度高，在水溶液中容易控制产物的组分， 反应温度低，颗粒均匀，粒径细小，分散性也好，表面活性 高，性能稳定和重现性好。但对于多组分氧化物来说，要求 各组分具有相同或相近的水解或沉淀条件，特别是各组分之 间沉淀速度不一致时，溶液均匀性可能会遭到破坏，此外还 容易引入杂质，有时形成的沉淀成胶体状，难以洗涤和过滤， 因而此工艺具有一定的局限性。 3 纳米磁性材料的应用前景
纳米磁性材料的应用十分广泛，在高密度磁记录，磁流 体，磁传感器和微波材料以及冶金环境等方面均有着十分广 泛应用[14]。 3.1 在通信及计算机方面的应用
纳米磁性材料在巨磁电阻、磁性液体和磁记录、软磁、 永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方 面具有广阔的应用前景。纳米氧化铁是新型磁记录材料，在 高磁记录密度方面有优异的工作性能，记录密度约为普通氧 化铁的 10 倍。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁 传感器己经问世，包覆了超顺纳米磁性微粒的磁性液体也被 广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。 软磁铁氧体在无线电通讯、广播电视、自动控制宇宙航行、 雷达导航、测量仪表、计算机、印刷、家用电器等方面均得 到了广泛应用。
水热法[6]具有两个特点：一是较高的温度（130～250℃） 有利于磁性能的提高；二是在封闭容器中进行，产生相对高 压（0.3～4MPa）并避免了组分挥发。 2.2 磁性微粒的制备方法
磁性微粒的制备方法主要有包埋法和单体聚合法，另外 还有沉淀法、化学转化法等。利用纳米磁性微粒构成海绵状 体和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛用于各种过滤 器、活性电极材料，如备受关注的汽车尾气净化器。
运用于生物医学领域的纳米材料被称之为纳米生物材 料，它们在靶向药物、酶的固定化、免疫测定、细胞的分离 与分类等领域有广泛的应用[17]。医学实验研究表明磁流体 能逃逸网状内皮细胞系统的吞噬，具有优良的导向性，是对 生物体最有应用前景的导向材料之一[18]。此外，人们利用 纳米粒子使药物在人体内的传输更为方便这一特点，将纳米 磁性粒子制成药物载体，通过静脉注射到动物体内，在外加 磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航，使其移动到病变部位 达到定向治疗的目的，该方法局部治疗效果好而且副作用 少。动物临床实验证明，带有磁性的 Fe2O3 粒子是发展这种 技术的最有前途的功能材料[19]。 3.3 纳米磁性材料的电学、磁学效应及应用
Key words: magnetic nano-materials; preparation; application
1 引言 20 世纪 70 年代人们利用共沉淀法制备出了磁性液体材
料，1988 年巨磁电阻效应的发现引起了世界各国的关注， 掀起了纳米磁性材料的开发和应用研究热潮。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，记录的信息量也 在不断增加。以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。 纳米磁性微粒尺寸小、单畴结构矫顽力高，用它制作磁记录 材料，可以提高信噪比，改善图像质量。应用的需求使得人 们对磁性材料展开了广泛的研究[1]，磁性复合材料的研究现 状、制备方法以及应用前景受到人们的关注，成为现代材料 研究的热点。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体（零 维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒
子等）、纳米纤维（一维纳米材料）、纳米薄膜（二维纳米材 料）、纳米块体（三维纳米材料）、纳米复合材料和纳米结构 等。纳米磁性材料大致可分为 3 大类：一是纳米颗粒，二是 纳米微晶，三是纳米结构材料。纳米磁性材料的磁单畴尺寸、 顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等在 1～100 nm 范围内， 具有奇异的超顺磁性和较高的矫顽力。20nm 的纯铁微粒的 矫顽力是大块铁的 1000 倍；当粒径在 50～200 nm 之间时， 矫顽力和饱和磁化强度均达到最大值，且具有单畴特性。人 们可以在研究纳米磁性材料性能的基础上，根据实际需要选 择适宜的纳米磁性材料并应用到器件制作之中。 2 纳米磁性材料的制备方法
Preparation and Application Prospect of Nano-magnetic Materials
WANG Qinglu1, ZHANG Zhi-gang2
(1. Department of Educational Administration, Tangshan Teachers College, Hebei Tangshan 063000, China; 2. Department of Physics, Tangshan Teachers College, Hebei Tangshan 063000, China)
王庆禄，等：纳米磁性材料的制备方法比较与应用
2.1 磁流体的制备方法 磁性流体，简称磁流体，指的是吸附有表面活性剂的磁
性微粒在基液中高度弥散分布而形成的稳定胶体体系[2]。它 由 3 部分组成：磁性粒子、基液（也叫载液）和表面活性剂 （稳定剂）[3]。其中铁磁性颗粒一般选取 Fe3O4、铁、钴、 镍等磁性好的超细颗粒。正是由于铁磁性颗粒分散在载液 中，因而磁流体呈现磁性。最常用的稳定剂有油酸、丁二酸、 氟醚酸，能够防止磁性颗粒相互聚集，即使在重力、电、磁 等力作用下磁流体亦能长期稳定存在，不产生沉淀。载液种 类很多，可以是水、煤油和汞等[4]。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。 2.1.1 物理法
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。
────────── 基金项目：唐山师范学院资助项目（00C080201）。 收稿日期：2007-10-24 作者简介：王庆禄（1972-），男，河北唐山人，副教授，唐山师范学院教务处。 - 58 -
包埋法[7-9]制备的磁性微粒、磁流体与高分子间通过范 德华力、氢键和螯合作用以及功能基间的共价键结合，得到 的微粒粒径分布宽、粒径不易控制、壳层中难免混有杂质。
单体聚合法[10]磁性也较强， 且该法简便、快速，微粒同时还具有热敏性。 2.3 纳米磁性微晶的制备方法
Abstract: The preparation methods of magnetic nano-materials, such as the mechanical ball grinding law, the hydro-thermal process, the microemulsion law, the ultrasonic wave law and so on, are introduced. Both the advantages and disadvantages for each kind of the preparation methods are deduced. A summary about the current application of the magnetic nano-materials has been generalized, and the research prospect on the application of magnetic nano-materials is foreseen as well.
第 30 卷第 5 期 Vol.30 No.5
物理学研究
唐山师范学院学报 Journal of Tangshan Teachers College
2008 年 9 月 Sep. 2008
纳米磁性材料的制备方法比较与应用
王庆禄 1，张志刚 2
（1.唐山师范学院 教务处，河北 唐山 063000；2.唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）