纳米磁性功能复合材料
纳米磁性功能复合材料
摘要： 磁性功能材料一直是国民经济和军事领域的重要基础材料。早在1930年，Fe3O4 微粒就被用来做成磁带；此后，Fe3O4粉末和粘合剂结合在一起被制成涂布型磁带；后来，又采用化学共沉淀工艺制成纳米Fe3O4磁性胶体，用来观察磁畴结构。20世纪60年代磁性液体的诞生亦与此有着密切的关系。如今，磁性功能材料广泛的应用于通信、自动控制、电信和家用电器等领域，在信息存储、处理和传输中已经成为不可缺少的组成部分，尤其在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。面对纳米科技的发展浪潮，磁性材料无论在研究领域还是在应用领域，都已取得了长足的进步。在磁性材料方面，量子理论的发展与磁性材料的结合，使得磁性材料的发展进入材料设计阶段。
正文：         
纳米磁性功能复合材料
一、 纳米磁性功能复合材料的定义。
<1>、磁性复合材料：以高分子材料为基体与磁性功能体复合而成的一类功能材料。常用的
磁性材料主要有铁磁性的软磁材料和硬（永）磁材料。软磁材料的特点是低矫顽力和高磁导率。硬磁材料则表现在高矫顽力和高磁能积。除了上述磁性材料外，尚有铁磁材料和反（逆）铁磁材料。
<2>、纳米材料：尺度为1~100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。它具有断裂强度高、韧性好、耐高温等特性。
<3>、纳米复合材料：分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。
二、 纳米磁性微粒的磁学特性。
<1>磁畴结构:磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子  理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是  指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含  大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整  齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向  不同，如图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。  宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩  方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的为零磁距，它也就不能吸  引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性  材料被磁化以后，它才能对外显示顺 磁性
<2>超顺磁性：2016广东高考如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体，对于每一个颗粒而言，由于磁性原子或离子之间的交换作用很强，磁矩之间将平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上，但是颗粒与颗粒之间由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。现在，如果进一步减小颗粒的尺寸即体积，因为总的磁晶各向异性能正比于K1V，热扰动能正比于kT（K1是磁晶各向异性常数，V是颗粒体积，k是玻尔兹曼常数，T是样品的绝对
温度），颗粒体积减小到某一数值时，热扰动能将与总的磁晶各向异性能相当，这样，颗粒内的磁矩方向就可能随着时间的推移，整体保持平行地在一个易磁化方向和另一个易磁化方向之间反复变化。从单畴颗粒集合体看，不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向，这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似，但是也不尽相同。因为在正常顺磁体中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言，每个颗粒可能包含了5000个以上的原子，颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。所以把单畴颗粒集合体的这种磁性称为超顺磁性。
<3>矫顽力：一个表示磁化强度变化困难程度的量。
<4>居里温度：居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。
<5>磁化率：表征磁介质属性的物理量。常用符号cm表示，等于磁化强度M与磁场强度H之比，即M＝cmH对于顺磁质，cm＞0，对于抗磁质，cm＜0，其值都很小。对于铁磁质，
cm很大，且还与H有关（即M与H之间有复杂的非线性关系）。对于各向同性磁介质，cm是标量；对于各向磁性磁介质，磁化率是一个二阶张量。
  在国际单位制（SI）中，磁化率cm是一个无量纲的纯数。
  某一物质的磁化率可以用体积磁化率κ 或者质量磁化率χ来表示。体积磁化率无量纲参数。在CGS单位系统下的磁化率值是SI下的４π倍，即χ（CGS）=４πχ（SI）。体积磁化率除以密度即为质量磁化率，亦即χ＝κ／ρ，其单位为m^3/kg．
<6>磁化曲线：　磁化曲线是表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。磁化曲线是表征物质磁化强度或磁感应强度与磁场强度的依赖关系的曲线。
<7>磁滞回线：　当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化。这种现象叫磁滞。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。
图示为强磁物质磁滞现象的曲线。一般说来,铁磁体等强磁物质的磁化强度M或磁感应强度B 不是磁场强度H的单值函数而依赖于其所经历的磁状态的历史。以磁中性状态(H =M=B=0)为起始态,当磁状态沿起始磁化曲线0ABC磁化到 C点附近（如图）时，此时磁化强度趋于饱和,曲线几乎与H轴平行。将此时磁场强度记为Hs,磁化强度记为Ms。此后若减小磁场，则从某一磁场(B点)开始,M随H 的变化偏离原先的起始磁化曲线四月的说说,M的变化落后于H。
当H 减小至零时,M不减小到零,而等于剩余磁化强度Mr。为使M减至零,需加一反向磁场-,称为矫顽力。反向磁场继续增大到-Hs时,强磁体的M将沿反方向磁化到趋于饱和-Ms,反向磁场减小并再反向时，按相似的规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线。于是当磁场从Hs变为－Hs,再从－Hs变到 Hs时，强磁体的磁状态将由闭合回线CBDEFEGBC描述,其中BC及EF两段相应于可逆磁化,M为H 的单值函数。而BDEGB为磁滞回线。在此回线上,同一H可有两个M值,决定于磁状态的历史。这是由不可逆磁化过程所致。若在小于Hs的±Hm 间反复磁化时,则得到较小的磁滞回线。称为小磁滞回线或局部磁滞回线(见磁化曲线图2)。相应于不同的520贺卡Hm,可有不同的小回线。而上述 BDEGB为其中最大的。故称为极限磁滞回线。H大于极限回线的最大磁场强度Hs时,磁化基本可逆；H小于此值时,M为H的多值函数。通常将极限磁滞回线上的Mr及定义为材料的剩磁及矫顽力,为表征该材料的磁特性的重要参量。
三、 纳米磁性复合材料集合体的磁学特性。
<1>、不考虑纳米磁性微粒间相互作用的磁学。
A.如果该纳米磁性复合材料集合体经外场取向，那么其中的单磁微粒（单轴晶体）的易磁
化方向就会一致排列，这时介质的磁化特性与单晶体材料相似。当外场与易轴的交角为零度时磁化，则剩磁Mr=Ms，这也是一般磁记录介质所希望的。
B. 如果磁性微粒没有通过外场取向，而是随机在粘合剂中混乱分布，那么介质的磁化过程就与多晶体物质的磁化过程相似。
<2>、考虑纳米磁性微粒间相互作用的磁学特性。
纳米磁性复合材料中的磁性微粒可以视为一个个分裂的小永磁体，在它们周围产生磁场，微粒之间的相互作用就是通过这样的静磁场进行的。
四、 纳米磁性功能复合材料的种类及其特征。
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<1>、根据纳米磁性复合材料中纳米微粒组分的属性分类。
A. 氧化物纳米磁性复合材料。
氧化物纳米磁性复合材料是纳米磁性功能复合材料中最重要的一类。由于该类复合材料中的纳米微粒的表面容易被改性，因此较容易获得物理稳定和化学稳定的纳米复合材料，具
有储存、运输和进一步加工等特点。
✧ MOx型化合物（x=1    .0~1.33）：  FeO、MnO、EuO等属于这类化合物。
✧ AB2O4型化合物（x=1.33）：单纯二价尖晶石铁氧体（MnFe2O4、Fe3O图书馆停电30秒4、CuFe2O4等）、多元系尖晶石铁氧体（抵押质押Mn/Zn铁氧体、M/Fe铁氧体等）。
✧ AO·nB2O3型化合物（x=1.33~1.5）：磁铁铅矿型铁氧体及其衍生物、CaFe4O7。
✧ 其它氧化物纳米磁性复合材料：ABO3型化合物。
B. 金属合金类纳米磁性复合材料。
此类纳米复合材料，是有两种及两种以上的纳米级金属元素或者是纳米级金属元素与纳米级非金属元素，通过熔化或烧结等适当方法结合在一起的磁性复合材料。众所周知，单一的纳米铁磁金属可以成为很好的磁性材料。但是，应该看到绝大多数的金属磁性材料都是有合金组成的。这是一类新型纳米磁性复合材料，其性质取决于组成复合纳米材料的各元素存在的状态。如果纳米磁性复合材料中没有各自独立相态的元素彼此相互作用共同形成一个相态，那么这种纳米复合材料就不再是组成元素性质的叠加，而是产生了新的性质。
✧ 含铁、镍、钴的纳米磁性复合材料：此类纳米磁性复合材料使人们最早研究的纳米磁性材料，并且他们又是一切金属与合金纳米磁性材料的基础。
✧ 不含铁、镍、钴的纳米磁性复合材料：一些过渡金属单独存在时显示反铁磁性，但组成合金或化合物后就常常显示出铁磁性。
C. 其他纳米磁性复合材料。
除了上述两大类纳米磁性复合材料外，按照纳米微粒的属性分类还有其他一些，如氮类和铁酸盐类纳米磁性复合材料等。
<2>、根据纳米磁性复合材料中的成分组合分类。
A、无机纳米磁性复合材料（包括金属系纳米磁性复合材料、铁氧系纳米磁性复合材料、纳米磁性复合颗粒膜等）；
B、纳米磁性高聚物复合材料（包括纳米磁性天然高聚物、纳米磁性人工合成高聚物等）；
C、磁流体（包括铁氧系磁流体、金属系磁流体、氮化金属系磁流体等）；
五、 纳米磁性复合材料的应用。
<1>、在生物、医药领域的应用。
纳米磁性复合材料近来被广泛研究，其巨大的应用潜力特别是在生物医学、生物工程等领域的应用引起了各国研究者的高度重视，成为生物医学材料研究领域中的一个热门课题。
纳米技术对医学发展具有重要的推动作用，疾病诊断、预防和的实际需求对纳米技术提出了获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术的期望，如早期诊断和预警、代谢产物中的生物标志物的发现、及其微量或痕迹量或瞬间的样品量的检测技术，适于大量或批量的实用检测技术平台，载体的效率和容量，靶向、缓释、可控的药物载体，药靶确证和药物筛选，甚至是突变或个体化差异的检测、诊治等。利用DNA分子的自组装特性，可以获得新型的纳米结构材料，用于发展全新的生物检测技术，实现基因的关键因素之一是发展安全有效的基因运载系统，利用纳米技术发展新型医学传感器，利用纳米技术发展新型活细胞检测技术。另外纳米技术对再生医学的发展具有重要影响和推动作用，纳
米技术为模仿和构建天然组织里不同种类的细胞外基质提供了全新的视角和方法，纳米技术将有助于探索和确定成体干细胞中的信号系统，以激发成体干细胞中巨大的自我修复潜能，纳米技术在医学科学中的应用，如单分子、单细胞体内成像应用、单一癌症细胞检测、药物释放直观技术等。

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