一、磁性納米材料的基本概念 1、納米是什么？ 一種長度單位，一等于十億分之一米，千分之一微米。大約是三、四個原子的寬度。納米的英文名稱是：nano meter，簡稱nm。 2、納米科學(xué)技術(shù) 納米科學(xué)技術(shù)是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計算機技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如納電子學(xué)、納米材科學(xué)、納機械學(xué)等。納米科學(xué)技術(shù)被認為是世紀之交出現(xiàn)的一項高科技。 納米材料與納米粒子 1、納米材料(nano material)，納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。 2、納米粒子(nano particle)，納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。 納米材料的奇異特性 1、表面效應(yīng)：粒子直徑減少到納米級，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，而且納米粒子的表面積、表面能都會迅速增加。這主要是因為處于表面的原子數(shù)較多，表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很大的化學(xué)活性，晶體微?；橛羞@種活性表面原子的增多，其表面能大大增加。 2、小尺寸效應(yīng)：指納米粒子尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象。這一效應(yīng)可使納米粒子具有高的光學(xué)非線性、特異催化性和光催化性質(zhì)等。 3、體積效應(yīng)：指納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時，周期的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化。如光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移，由磁有序態(tài)向磁無序態(tài)，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變等。 4、宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近來年，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)MQT（Macroscopic Quantum Tunneling）。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起，確定了微電子器件進一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進行信息儲存的最短時間。 納米材料的分類 1、納米顆粒型材料：應(yīng)用時直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆粒型材料。 2、納米固體材料：納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。 3、納米膜材料：顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜，通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜，當(dāng)兩組份的比例大致相當(dāng)時。就生成迷陣狀的復(fù)合膜，因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。對金屬與非金屬復(fù)合膜，改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。 4、納米磁性液體材料：磁性液體是由超細微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。 二、納米材料的研究歷史 從20世紀70年代納米顆粒材料問世，80年代中期實驗室合成納米塊體材料，到現(xiàn)在有20多年的歷史，從研究內(nèi)涵和特點大致可分三個階段： 1、第一階段（1990年以前） 探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。 2 、第二階段（1994年以前） 人們關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。 3、第三階段（1994年以后） 納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。 第三階段的研究對象主要是：納米絲、管、微孔等。 三、納米材料的制備方法 納米材料的制備方法——物理方法 1、真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。 2、物理粉碎法 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。 3、機械球磨法 采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材料的納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。 納米材料的制備方法——化學(xué)方法 1、氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。 2、沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。 3、水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。 4、溶膠凝膠法 金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶杉{米粒子。其特點反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制備。 5、微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團聚、熱處理后得納米粒子。其特點粒子的單分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體納米粒子多用此法制備。 四、納米復(fù)合永磁材料 什么是納米復(fù)合永磁材料 1、納米復(fù)合永磁材料 納米復(fù)合永磁材料是由納米晶硬磁相和納米晶軟磁相組成，而在硬磁相和軟磁間具有交換作用的復(fù)合永磁材料。由于成分和微結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，與傳統(tǒng)的永磁材料相比，復(fù)相納米永磁具有全新的特征。 2、納米復(fù)合永磁材料的特點 ①理論磁能積高達960kJ/m3（120MGOe）；②由于含鐵量高，成本相對較低；③有更好的加工性能；④有更好的抗腐蝕性能。 納米復(fù)合永磁材料的內(nèi)稟磁性 1、與傳統(tǒng)永磁材料內(nèi)稟磁性的差別 傳統(tǒng)的“內(nèi)稟磁性”僅依賴于材料成分和晶體結(jié)構(gòu)。在納米復(fù)相永磁中，由于晶粒細化引起的各種交換作用的改變，一些內(nèi)稟磁性已不再完全由成分和晶體結(jié)構(gòu)決定，而依賴于晶粒尺寸、形狀和分布。 2、納米復(fù)相永磁內(nèi)稟磁性——居里溫度 居里溫度是指鐵磁材料的自發(fā)磁化消失所對應(yīng)的溫度。納米復(fù)相永磁的居里溫度為自發(fā)磁化消失溫度最低的相對應(yīng)的溫度。對于通常的Nd2Fe14B/α-Fe雙相納米永磁，其中Nd2Fe14B的自發(fā)磁化消失溫度低，故為復(fù)相材料的居里溫度。硬—軟磁相的交換耦合作用顯著增強居里溫度。 3、納米復(fù)相永磁內(nèi)稟磁性——飽和磁化強度 雙相納米永磁的飽和磁化強度為：Μs=fMSS+(1-f)MHS，但復(fù)相納米永磁中晶粒尺寸、分布等微結(jié)構(gòu)因素對硬磁相和軟磁相的飽和磁化強度也有影響。 4、納米復(fù)相永磁內(nèi)稟磁性——磁晶各向異性 對于復(fù)相納米永磁，由于各相之間的交互作用，磁晶各向異性不再由成分和晶體結(jié)構(gòu)唯一確定。 納米復(fù)合永磁的“剩磁增強”現(xiàn)象 1、納米復(fù)合永磁的“剩磁增強”現(xiàn)象 根據(jù)Stoner-Wohlfarth模型，對于由單軸磁各向異性的單疇粒子組成的各向同性的磁體，其剩磁比（剩磁Mr/飽和磁化強度Ms）的最大值為0.5。到目前為止，所有大晶粒各向同性磁體的剩磁都沒有超越上述界限，但在復(fù)相納米永磁中，剩磁通常大于Ms/2，這就是“剩磁增強”現(xiàn)象（Remanence enhancement）。 2、 納米復(fù)合永磁的“剩磁增強”的判據(jù) 有人把Mr/Ms＞0.5作為復(fù)相納米永磁材料產(chǎn)生剩磁增強的標(biāo)準，這是不準確的。0.5作為評判標(biāo)準只適合構(gòu)成復(fù)相納米永磁的各個相都具有單軸磁晶各向異性的情形，而目前幾乎所有被研究的復(fù)相納米永磁系都不具備這一特征。實際上對于三軸晶系的各向同性多晶體（如α-Fe），按Stoner-Wlhlfarth模型，其最大剩磁為0.832Ms，因此對Nd2Fe14B /α-Fe雙相納米系，剩磁增強的判據(jù)應(yīng)為：Μr=0.832fMSS+0.5(1-f)MHS 。 納米復(fù)合永磁的矯頑力機理 通常的反磁化過程可分為形核型和釘扎型兩類，它們在熱退磁狀態(tài)后的磁化曲線和磁滯回線上表現(xiàn)出不同的特征：以形核為主的磁化曲線上升很快，起始磁導(dǎo)率較高，用不大的外場就能達到飽和，其矯頑力通常隨外磁場的增大而增大；以釘扎為主的磁化曲線起始磁導(dǎo)率低，只有當(dāng)外磁場達到矯頑力時才增大，其矯頑力與外磁場無關(guān)。按目前的理論，軟磁相在復(fù)相納米永磁中充當(dāng)反磁化形核，反磁化過程受形核控制。而實際上硬磁相與軟磁相的交換作用阻礙著反磁化疇的擴張，對反磁化疇起著釘扎作用。Nd2Fe14B/α-Fe雙相納米永磁的起始磁化曲線之所有表現(xiàn)出既不同于單一的釘扎型、又不同于單一的形核的特征，原因可能就是這個。對于特定晶體結(jié)構(gòu)的材料，其反磁化機理會受到材料微組織形態(tài)或元素的添加/取代的影響。如傳統(tǒng)的快淬NdFeB磁體（微晶結(jié)構(gòu)）的反磁化過程受形核控制，而納米晶Nd2Fe14B則受釘扎控制。通過調(diào)整微結(jié)構(gòu)和元素添加/取代是目前提高復(fù)相納米永磁矯頑力的兩個努力方向。