体材料中金属元素Fe、Co和Ni是最通常的铁磁性金属元素，它们具有很高的原子固有磁矩。当纳米材料的尺寸接近原子级别时，原子的固有磁矩是否会改变成为研究纳米材料磁性的一个重要前提。1997年，Billas等人报道了Fe、Co、Ni三种铁磁元素原子团的磁矩。图8-11所示为Fe、Co、Ni原子团簇单个原子平均磁矩与原子团簇中原子数N的关系。Fe的测试温度为120 K；Co和Ni的测试温度为78 K；图中点为实验数据，虚线为块体的原子磁矩。......
2023-06-20
磁性纳米材料的应用与研究
【摘要】：磁性纳米材料是一种新型的功能性纳米材料，作为一种特殊的外磁场可控以及自身存在磁相互作用的材料。磁性纳米材料按不同的标准可分为多种类型。根据应用的角度不同，磁性纳米材料可分为纳米微晶软磁材料、纳米微晶永磁材料、纳米磁记录材料、磁性液体、颗粒膜磁性材料、巨磁阻材料等。下面列举一部分磁性纳米材料进行简单介绍。纳米微晶软磁材料。对于不同的纳米材料，这种临界尺寸是不相同的。
磁性纳米材料是一种新型的功能性纳米材料，作为一种特殊的外磁场可控以及自身存在磁相互作用的材料。它在生产和生活的诸多方面具有巨大的应用前景，已经成为炙手可热的研究对象。近年来的磁性材料，在非晶态、稀土永磁化合物、超磁致伸缩、巨磁电阻等新材料相继被发现外，由于组织的微细化、晶体学方位的控制、薄膜化、超晶格等新技术的开发，磁性材料的特性得到了显著提高，应用领域也越来越广。磁性纳米材料按不同的标准可分为多种类型。
根据物质的磁性不同，磁性纳米材料大致可分为：永磁（硬磁）纳米材料、软磁纳米材料、半硬磁纳米材料、旋磁纳米材料、反铁磁材料、矩磁纳米材料和压磁纳米材料等。
根据材料的尺度大小分为纳米颗粒型（如一些磁记录介质、磁性液体、磁性药物及吸波材料等）、纳米微晶型（如纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料等）、纳米结构型，包括人工纳米结构材料（薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道膜）和天然纳米结构材料（钙钛矿型化合物）等。
根据材料的物相分为：固相磁性纳米材料和液相磁性纳米材料等。
根据应用的角度不同，磁性纳米材料可分为纳米微晶软磁材料、纳米微晶永磁材料、纳米磁记录材料、磁性液体、颗粒膜磁性材料、巨磁阻材料等。
根据材料的组成可分为单质金属磁性纳米材料（主要是指铁系金属如Fe、Co、Ni等磁性纳米材料）、合金磁性纳米材料（如CoPt、FePt和稀土合金磁性纳米材料等）、金属氧化物磁性纳米材料（主要是指铁氧体型金属氧化物如Fe3O4）和其他化合物纳米磁性材料，如FeS2、Co2P、Fe3N等。
下面列举一部分磁性纳米材料进行简单介绍。
（1）纳米微晶软磁材料。纳米微晶软磁材料具有高起始磁化率、磁化强度和低的矫顽力，用于磁记录、磁屏蔽等。
（2）纳米微晶永磁材料。稀土材料是研究较多的永磁材料。这种材料具有高的最大磁能积、剩余磁通密度和矫顽力，同时对这三个物理量来说，都要具有较高的温度稳定性。纳米尺度永磁材料的性能优异，其永磁性能可以随合金的组元、含量和制造工艺等不同而出现显著的变化。
（3）磁性液体材料。磁性液体是含有磁性微粒，具有磁性和液体流动性的悬浮液体。在磁场的作用下，液体的性质会发生一系列变化。它的出现，开拓了固体磁性材料无法胜任的新的应用领域，自诞生以来其潜力便不断得到发挥，并在众多方面显示了新颖的应用。
（4）磁性生物高分子微球。具有超顺磁性的磁性物质，经过表面处理后包覆在高分子中，形成磁性高分子微球。微球的粒径一般为微米级，由于其比表面积大，官能团密度和选择吸附能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，粒子稳定性也大大提高。
（5）纳米磁性吸波材料。这类材料主要为铁氧体的纳米磁性材料，如果将其放入涂料中，不仅具有良好的吸收和耗散红外线的性能，又有优良的吸波特性，另外，由于其密度小，在隐身方面的应用具有明显的优越性。
众所周知，磁性材料中含有大量的磁畴，所谓磁畴就是具有完全相同磁化方向的小区域。随着粒子尺寸的减小，粒子中的磁畴数就会减少（如图8-2所示）。一般地，多磁畴粒子的矫顽力小于单磁畴的矫顽力，单磁畴的矫顽力由所谓的磁晶各向异性和形状各向异性共同决定。因此，细长的单畴粒子［如图8-2（c）］优先用于磁记录材料。纳米材料的畴结构与块体材料不同，当粒子小到一定尺寸下有可能成为单畴结构。所谓纳米磁性材料单畴结构的临界尺寸，就是指当纳米材料的尺寸小于该尺寸时，整个粒子就成为一个磁畴；当纳米材料的尺寸大于该尺寸时，将过渡到多畴结构。对于不同的纳米材料，这种临界尺寸是不相同的。由于微粒的磁各向异性正比于微粒体积，当粒子变得足够小［如图8-2（a）］，其磁各向异性与布朗热运动相当时，磁矩不可能有择优取向，而展现出超顺磁性。这种状态与原子磁矩杂乱排列的顺磁性相似，不过超顺磁状态是指微粒的磁矩杂乱排列，而在一个微粒中的所有原子磁矩还是沿同一个方向排列。
图8-2 磁性粒子的磁畴结构［2］
（a）超顺磁粒子 （b）（c）单个磁畴 （d）双磁畴 （e）多磁畴粒子
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