納米磁性材料

重慶科技學院課程結(jié)業(yè)論文課程名稱：磁性材料論文題目：納米磁性材料的發(fā)展與應(yīng)用院（系）冶金與材料工程學院

專業(yè)班級金屬材料工程071班學生姓名 學生學號2007440375 任課教師陳登明老師成績：，評語： 2010年7月2日納米磁性材料的發(fā)展與應(yīng)用羅新中2007440375摘要：論文介紹了納米磁性材料的結(jié)構(gòu)和性能，對納米磁性材料在一些領(lǐng)域的應(yīng)用原理進行了詳細的闡述，評述了納米器件的發(fā)展和應(yīng)用前景，同時對納米磁性材料的發(fā)展給出了一些自己的看法。關(guān)鍵詞：納米；磁性材料；磁性器件1前言納米磁性材料技術(shù)早在20世紀70年代就被應(yīng)用于共沉制造磁性液體材。1988年，法國巴黎大學教授研究組首先在Fe/Cr納米結(jié)構(gòu)的多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，引起國際上的反響。此后，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)中的應(yīng)用投入很大的力量，興起納米磁性材料的開發(fā)應(yīng)用熱。納米磁性材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，主要是與磁特性相關(guān)的物理長度恰好處于納米量級，例如磁單疇尺寸、超順磁磁性臨界尺寸、交換作用長度等大致在1nm?100nm量級，當磁性材料結(jié)構(gòu)尺寸與這個物理長度相當時，就會呈現(xiàn)出反常的磁學性質(zhì)從納米材料的結(jié)構(gòu)特征我們可將其分為3大類：1.納米顆粒型，如磁記錄介質(zhì)、共沉磁性液體、電渡吸收材料；納米微品型，如納米微品永磁材料、納米、微品軟磁材料；磁微電子結(jié)構(gòu)材料，如薄膜、顆粒膜、多層膜、隧道結(jié)等。2納米顆粒型2.1磁存儲介質(zhì)材料近年來，隨著信息量的飛速增加，要求記錄介質(zhì)材料高性能化，特別是記錄高密度化。高記錄密度的記錄介質(zhì)材料與超微粒有著密切的關(guān)系，例如，要求每lcm可記錄1000萬條以上的信息，那么，一條信息要記錄在lmm?lOmm中，至少具有300階段分層次的記錄，在1mm?lOmm中至少必須有300個記錄單位。若以超微粒作記錄單元，可使記錄密度大大提高納米磁性微粒的尺寸極小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿足以下要求：顆粒的長度應(yīng)遠小于記錄波長；粒子的寬度應(yīng)該遠小于記錄深度；一個單位的記錄體積中，應(yīng)盡可能有更多的磁性粒子。納米磁記錄介質(zhì)的尺寸極小，如合金磁粉的尺寸為8Onm，鋇鐵氧體磁粉的尺寸為4Onm，今后將進一步提高密度，向“量子磁盤”化發(fā)展，利用磁納米線的存儲特性，記錄密度達400Gbit/英寸。2.2磁性液體這是十分典型的納米顆粒，是由超順磁性的納米微粒包覆了表面活性劑，然后彌漫在基液中而構(gòu)成的［1］例如對鐵氧體類型的微顆粒，大致尺寸為lOnm；對金屬微顆粒，尺寸通常大于6nm；要求生成磁性液體的強磁性顆粒要足夠小，削弱磁偶極矩之間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則的熱運動。在納米尺寸下，強磁性顆粒失去了大塊材料的鐵磁或亞鐵磁性能，呈現(xiàn)沒有磁滯現(xiàn)象的超順磁狀態(tài)。為了防止顆粒聚團，產(chǎn)生沉積，需吸附表面活性劑，活性劑的高分子鏈要足夠長，排斥力大于吸引力；另外，鏈的一端與磁性顆粒吸附，另一端與基液親和。利用磁性液體可以被磁場控制的特性，用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生環(huán)狀的磁場分布，從而可將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“0”形環(huán)，且沒有磨損，可以做到長壽命的動態(tài)密封。這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一。2.3納米磁性藥物磁性治療技術(shù)，國內(nèi)外正在加緊研究，如治療癌癥，用納米金屬性磁粉液體注射到人體病變的部位，并用磁體固定在病灶的細胞附近，再用微波輻射金屬加熱法升到一定的溫度，能有效地殺死癌細胞。另外，還可以用磁粉包裹藥物，用磁體固定在病灶附近，能加強藥物治療作用，一般的肌肉注射藥物擴散面積大，病細胞接收的藥量有限。2.4隱身材料納米粒子對紅外和電磁波有很好的吸收作用，一方面，由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達渡波長，因此納米顆粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少了波的反射率，使紅外控測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的表面積比常規(guī)粗粉大3個到4個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)探測目標[2]3納米微晶型3.1納米微晶稀土永磁材料稀土釹鐵硼磁體的發(fā)展突飛猛進，磁體的磁性能也在不斷提高，目前燒結(jié)釹鐵硼磁體的磁能積達到50MGOe，接近理論值64MGOe，并已開始規(guī)模生產(chǎn)。為了進一步改善磁性能，目前已采用速凝薄片合金的生產(chǎn)工藝，一般的快淬磁粉品粒尺寸為20nm?50nm，如作為粘結(jié)釹鐵硼永磁原材料的快淬磁粉。為了克服釹鐵硼磁體低的居里溫度和易氧體、比鐵氧體的成本高等缺點，目前正在探索新的稀土永磁材料，如釤鐵氮、釹鐵氮等化臺物。另一方面，開發(fā)復(fù)合稀土永磁材料，將軟磁相與永磁相在納米尺寸內(nèi)進行復(fù)合，就可獲得高飽和磁化強度和高矯頑力的新型永磁材料。據(jù)報道，日本已可制備理論值達120MGOe的新型釹鐵硼系永磁體。微磁學理論證明，稀土永磁磁相的晶顆尺寸只有低于20nm時，通過交換復(fù)合才有可能增大剩磁值。3.2納米微晶稀土軟磁材料1988年，首先發(fā)現(xiàn)在鐵基非晶基體中加人少量的銅和稀土，經(jīng)適當溫度晶化退火后，可獲得一種性能優(yōu)異的具有超細品粒(直徑約為10nm)軟磁合金，后被稱為納米晶體軟磁臺金。用納米品磁性材料可制成各種各樣的磁性器件，應(yīng)用在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，用作電流互感器、開關(guān)電源變壓器、濾波器、漏電保護器、互感器及傳感器等，可取得令人滿意的經(jīng)濟效益。近年來，國內(nèi)外對納米品磁性材料的研究非常熱門，發(fā)展很快，鐵基納米品合金材料已經(jīng)在以下幾個方面獲得成功的應(yīng)用：精密電流互感器，在高電壓輸電線路中的應(yīng)用日益增多，準確度達到0.2級和儀表保安系數(shù)小于5,并且成本比高磁導率坡莫合金低50%。高頻大功率開關(guān)電源變壓器，其工作頻率為20kHz?50kHz，輸出功率在10kW以上，效率在90%以上，而且體積小，溫升低。開關(guān)電源，能解決損耗、體積和溫升三者的難題，滿足高頻化和小型化的要求。抗電磁干擾器件，具有抗飽和能力強、電感量大、品質(zhì)因素高、體積小和高效節(jié)能等特點，廣泛地應(yīng)用于通訊設(shè)備、精密測控設(shè)備和計算機設(shè)備等。傳感器，特別適用于高靈敏場合的磁性器件，如磁頭、漏電保護開關(guān)等。4磁微電子結(jié)構(gòu)21世紀的信息產(chǎn)品將朝著小型化和輕型化發(fā)展，將會促進元件的集成化和微型化?？梢灶A(yù)見，在磁性行業(yè)內(nèi)，將形成一門新的技術(shù)——磁性微電子技術(shù)。用類似半導體集成電路工藝制造磁性微型器件，尺寸僅為幾十微米級。磁性材料采用薄膜成膜技術(shù)，厚度可達到幾個毫微米到幾個微米。從結(jié)構(gòu)上看，有單層膜，包括一般的晶態(tài)膜、微晶膜、超微晶膜和非晶態(tài)薄膜；還有多層膜以及納米級磁性顆粒彌漫在薄膜中構(gòu)成的顆粒膜［3］從性能和應(yīng)用上看，可分軟磁、永磁、旋磁、磁光、磁阻、磁存貯和磁致伸縮等。4.1巨磁電阻材料將納米品的金屬軟磁顆粒彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料中，構(gòu)成兩相組織的納米顆粒薄膜，這種薄膜的最大特點是電阻率高，稱為巨磁電阻效應(yīng)材料。在100MHz以上的超高頻段顯示出優(yōu)良的軟磁特性。由于巨磁電阻效應(yīng)大，可使器件小型化、廉價，可制作各種傳感器件，例如測量位移、角度、數(shù)控機床、汽車測速、旋轉(zhuǎn)編碼器、微弱磁場探測器等。同樣還能制成數(shù)字磁頭，用于攝錄相機、數(shù)碼相機、數(shù)字電視和可視手機。4.2磁性薄膜變壓器個人電腦和手機的小型化，必須采用高頻開關(guān)電源，并且工作頻率越來越高，逐步提高到1MHz?2MHz或更高。要想使高頻開關(guān)電源進一步向輕、薄、小方向發(fā)展，立體三維結(jié)構(gòu)鐵芯已經(jīng)不能滿足要求，只有向低維的平面結(jié)構(gòu)發(fā)展，才能使厚度更薄、長度更短、體積更小。對于10W?25W小功率開關(guān)電源，將采用印刷鐵芯和磁性薄膜鐵芯。幾個微米厚的磁性薄膜，基本上不能形成三維立體結(jié)構(gòu)，而是二維平面結(jié)構(gòu)，其物理特性也與原來的立體結(jié)構(gòu)不同，可以獲得前所未有的高性能和綜合性能W.8］。例如鉆基非品磁性薄膜的飽和磁通密達到1.5特斯拉，比鉆基的非晶和金高許多。對于高頻下使用的磁性薄膜，主要指標是高頻損耗，所以特別要提高電阻率，因為它直接影響高頻下的損耗和有效導磁率。但是，對于磁性薄膜并不單純追求高電阻率，還要兼顧其它指標。軟磁鐵氧體材料的電阻率雖然高，但飽和磁通密度低，不適合制作數(shù)兆赫以上的高頻磁性薄膜集成變壓器和電感器。4.3磁光無源器件隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，微波系統(tǒng)已經(jīng)成熟，而光纖通信正在蓬勃地發(fā)展。現(xiàn)在，國外的微波工作者逐漸轉(zhuǎn)向光通信領(lǐng)域，同時，把微波通信中應(yīng)用的磁無源器件也帶到光通信方面，利用磁性材料的磁光效應(yīng)研制光無源器件⑷。根據(jù)光纖通信的技術(shù)要求和磁性材料的本征特性，磁光無源器件的發(fā)展具有廣闊的市場在光波寬帶通信中，要把各種光頻回路匹配起來，必須考慮使用光環(huán)行器、隔離器和開關(guān)等器件。因為在光纖通信中，光源受到光纖反射光的影響會引起工作不穩(wěn)定。隨著光回路的復(fù)雜化，這種情況會變得更加嚴重。為了實現(xiàn)光源的穩(wěn)定性，與微波領(lǐng)域中采用的措施一樣，使用隔離器是不可避免的。光隔離器能降低反射光的影響，從而得到高性能的光傳輸特性。光環(huán)行器是雙向傳輸光路和光測量裝置不可缺少的，尤其是光纖通信的良好匹配元件。另外，用磁性材料制作的光無源器件，具有良好的光特性，如釔鐵石榴磁性單品材料在近紅外波段具有一個透明的窗口，光吸收損耗極低。這對磁光無源器件的發(fā)展提供了一個良好的環(huán)境.其特性比機械和電光器件更好，而且適合于集成化磁光無源器件的優(yōu)點是功耗低、結(jié)構(gòu)簡單等⑸。4.4磁光存儲器當前，只讀和一次刻錄式的光盤已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是可重復(fù)寫、擦的光盤還沒有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。最具有發(fā)展前途的是磁性材料介質(zhì)的磁光存儲器，它可以像磁盤一樣反復(fù)多次地重復(fù)記錄。目前大量使用的軟磁盤，由于材料介質(zhì)和記錄磁頭的局限性，其存儲密度已經(jīng)達到極限，已經(jīng)不能滿足信息技術(shù)的發(fā)展要求，無法在一張盤上存儲更多的圖象和數(shù)據(jù)，采用磁光盤存儲，就能在一張盤上記錄數(shù)千兆字節(jié)到數(shù)千兆字節(jié)的容量，并且能反復(fù)地擦寫使用。5結(jié)束語納米技術(shù)作為跨世紀的新學科，它已成為科學界和工程技術(shù)界備加關(guān)注的熱點，將成為本世紀信息時代的核心。美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家都制定了發(fā)展納米技術(shù)的國家規(guī)劃，并作為自然科學基金優(yōu)先支持的項目。納米科技的發(fā)展給傳統(tǒng)磁性產(chǎn)業(yè)帶來了跨越式發(fā)展的重大機遇和挑戰(zhàn)，納米級磁性材料的開發(fā)和研究是磁性材料發(fā)展的一個必然方向，但同時也應(yīng)重視用納米技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和對現(xiàn)有材料進行納米改性方面的研究，以全面提高企業(yè)的技術(shù)水平和競爭能力。我們相信，在不久的將來，磁性材，納米材料的應(yīng)用必有新的突破。參考文獻白木，周杰.納米磁性材料及其應(yīng)用[J].信息記錄材料，2002,3(2)：37一39.徐小玉，趙玉濤，戴起勛，等.磁性復(fù)合材料的制備技術(shù)與研究進展[J].材料導報，2005，19(7)：69—71.張立德，牟季美.納米材料與納米結(jié)構(gòu)[M].北京：科學出版社，2001.程敬泉，高政，周曉霞，等.磁性納米材料的制備及應(yīng)用新進展[J]