纳米粒子

磁性纳米材料的制备和应用发展综述

摘要：综述了磁性纳米材料的制备方法,其中包括固相法、液相法和气相法。对磁性纳米材料当前的应用热点进行了概述，并对其研究前景进行了展望。 关键词：磁性；纳米材料；制备；改性； 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。 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[1]。纳米磁性材料的磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、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[2~3]。20nm的纯铁微粒的矫顽力是大块铁的1000倍；当粒径在50~200nm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。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[4]。磁性纳米微粒尺寸小、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。

2 磁性纳米材料的制备

在人们所熟知的大量磁性材料中，由于不能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求，饱和磁化强度高但稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制。目前可选作磁性微粒的仅有少数几种，主要为金属氧化物，如三氧化二铁（Fe2O3）、MFe2O4(M=Co，Mn，Ni)、四氧化三铁（Fe3O4），二元和三元合金，如金属铁、钴、镍及其铁钴合金、镍铁合金，以及钕铁硼(NdFeB)、镧钴合金（LaCo）合金等，它们的稳定性(即抗氧化能力)依次递减，但饱和磁化强度却按上述次序递增。纳米科技的发展，使这些磁性材料的应用成为可能，目前，磁性材料纳米化已成为材料科学的一个发展趋势。

目前磁性纳米材料制备技术可以有多种分类，一种是分做物理法和化学法；另一种是按照物质状态进行分类，如固相法、液相法和气相法。其中，固相法包括非晶晶化法和高能球磨法；液相法包括喷雾法、沉积法、蒸发法、溶胶凝胶法、溶剂挥发分解法及电沉积法；气相法包括熔融金属反应法、气体冷凝法、真空蒸镀法、溅射法、激光诱导法、电加热蒸发法、混合等离子法及化学气相沉积法等。

这些方法各有其优缺点：非晶晶化法是在非晶基础上通过退火的热处理方式实现纳米晶化的一种方法；高能球磨法是在高能球磨机中，将几十微米的磁性材料粗颗粒通过与研磨球、研磨罐及颗粒之间的频繁碰撞，使这些微米的固体颗粒发生反复地被挤压、变形、断裂、焊合等强烈的塑性变形，磁性材料颗粒表面的缺陷密度增加，晶粒逐渐细化，直至形成纳米级磁性颗粒。球磨法工艺操作简单，成本也较低，但使用该法制备的磁性纳米材料容易引进杂质，很难得到均匀而细小的颗粒，同时还存在分散性较差、晶体缺陷较多、颗粒稳定性较低、能耗很大的缺点。

溶胶凝胶法是利用金属有机或无机化合物作为前体，经溶液、溶胶、凝胶而固化，优点是工艺简单、反应物种多、产物颗粒均一、过程易控制、分散性好、易实现高纯化、反应周期短、反应温度低，但是制备成本高，而且还需要高温煅烧，这对小粒径磁性纳米颗粒的合成不利。

机械合金化法能制备出常规方法难以获得的高熔点金属和合金纳米材料，还可以制备纳米金属间化合物、互不相溶体系的固溶体及纳米晶陶瓷复合材料等，该法工艺简单、效率高，因而是制备磁性纳米材料的一种有效工艺方法。

溅射法是工艺比较成熟的方法，产量大、工艺过程比较简单、成本低、晶粒度容易控制，但缺点是由于辊表面不可避免地存在一些缺陷，因而通过此法制得的条带存在微裂纹等缺陷，并且利用该方法只能制备出二维的磁性纳米材料薄带。 沉淀法包括共沉淀法、均匀沉淀法和直接沉淀法，共沉淀法适合制备氧化物，是在混合的金属盐溶液中添加沉淀剂，即得到组分均匀的溶液，再进行热分解，特点是简单易行，但产物纯度低、粒径大；直接

沉淀法是使溶液中的金属阳离子直接与沉淀剂发生

化学反应而形成沉淀物；均匀沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时不断搅拌，使沉淀剂在溶液中缓慢生成，消除了沉淀剂的不均匀性。

化学气相沉积法也称气相化学反应法，制备的产物颗粒细小、形貌均匀，具有良好的分散性。高温分解法是在高沸点有机溶剂中加热分解有机金属化合物来制备纳米粒子。微乳液法是将2种互不相溶的液体通过表面活性剂分子作为界面膜，形成热力学稳定、各向同性的分散体系，这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而可形成球形颗粒，又避免了颗粒之

间进一步团聚，因此，该方法所得纳米颗粒粒径分布窄，且单分散性、界面性和稳定性好，同时，与其他方法相比，还具有实验装置简单、粒径易于控制、能耗低、适应面广等优点。 3 磁性纳米材料的应用

磁性纳米材料是当今世界材料领域的研究热点之一，在高密度磁记录、磁流体、磁传感器和微波材料以及催化、环境治理等方面将得到广泛的应用[5]。 3.1 在通讯及计算机方面的应用

磁性纳米材料由于其特殊的超顺磁性，因而在巨磁电阻、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，包覆了超顺磁性纳米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。

稀土纳米磁性材料尺寸小、具有单磁畴结构、矫顽力很高，用于制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。其体积小、可靠性高，用于微型电机系统，是新一代航空、航天和航海电机发展的重要方向，用于磁存储器、磁流体、巨磁阻，性能可大大提高，使器件变的性能高、小型化[6]。

随着纳米结构生长技术的发展，近年来，开发周期性磁性纳米线材料在磁性器件应用研究中引起人们极大的兴趣。由于磁性纳米线材料具有平行线轴的一维性质，故会显示出一些特殊性能，如巨磁阻抗效应、巨磁电阻(GMR)效应；当外磁场沿着纳米线轴向磁化时，它们会表现出高矫顽力、大剩磁比。这些磁性纳米线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[7]。 3.2 在生物医学领域的应用

运用于生物医学领域的纳米材料被称之为纳米生物材料，其中具有生物相容性和一定生物医学功能的磁性纳米生物材料具有小尺寸效应、良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点，由于磁性生物纳米材料的生物

活性、亲和性或反应活性，可结合各种功能分子如酶、抗体、细胞、DNA或RNA等，因而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[8]。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，因此成为对生物体最有应用前景的导向材料之一[9]。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，将磁性纳米粒子制成药物载体，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Fe203粒子是发展这种技术的最有前途的功能材料[10]。

纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料、纳米磁流体、纳米信息存储材料、纳米吸波磁性材料、纳米巨磁致伸缩材料作为纳米技术的重要领域，其前景十分诱人，必将对经济建设、国防实力、学科发展以至社会进步产生巨大的影响。

参考文献：

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