纳米材料及纳米Fe3O4磁性材料的研究

纳米材料及纳米Fe3O4磁性材料的研究

纳米是一个长度单位，1nm=10-9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1-100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料）。

按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。

按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等。

当材料的结构具有纳米尺寸调制特征时，将呈现许多特异的性能。下面以纳米Fe3O4磁性材料为例。

一、Fe

3O

4

的介绍：

磁铁矿Fe

3O

4

是一种简单的铁氧化物，是一种非金属磁性材料，它是反尖晶

石型结构。磁铁矿可以写成【Fe3+】+【Fe2+Fe3+】O

4

，磁铁矿中每个Fe3+离子有五个3d电子，它们是自旋平行的，因此其磁矩为5.92BM，但由于在四面体空隙中Fe3+离子和八面体空隙中是我Fe3+磁矩取向相反，这就是它们的磁矩全部抵消。

铁氧体磁性材料是由金属氧化物组成的，可用MO。XFe

2O

3

表示，其中M是二

加劲属离子，如：Fe，Mn，Co，Ni，Mg，Ba等，而X可取1，2，3，4，6。事实上，铁氧磁性材料的自发此话与其中的金属氧化物的自发磁化密切相关。现以MnO为例说明金属氧化物的间接交换作用，以进一步说明铁氧体材料中的自发磁化。MnO晶体属立方晶系，Mn2+和O2-是交替地占据着晶格的位臵，任何一个Mn2+最邻近的都是O2-，而每一个O2-周围又是Mn2+，由于任何一个Mn2+周围都有O2-显然Mn2+交换作用是通过O2-而不是直接交换的，当O2-中的一个2p电子进入了Mn2+的3d轨道后Mn2+就变为Mn+，由于Mn+中的两个电子必须反平行排列，因此在O-两侧成一直线的Mn+和Mn2+的磁矩必然是反平行的，这种交换作用使得MnO中的Mn2+的磁矩一半向着一个方向，另一半向着另外一个方向，总磁矩为零，所以MnO 为反磁性的。

任何物质的磁性都是带电颗粒运动的结果，铁磁性颗粒具有很强的磁性，可在很低的磁场中获得很强的磁感应，甚至磁饱和，还有其他的一些特殊的磁特性。

Fe

3O

4

是强磁性颗粒的典型代表，它属立方晶系，具有反尖晶石型结构，单个晶

胞内含有8 个Fe

3O

4

分子，是一个典型的磁氧体，属亚铁磁质。Fe

3

O

4

的晶格常数

a=8.39Ǻ（1Ǻ=0.1nm）居里点578℃，易磁化方向为{111}方向，个向异性常数k1=-12，随着颗粒粒度的减小，其磁化率随之减小，而矫顽力随之增加，这种关系在粒度小于0.02-0.03m时表现很明显。

颗粒在外磁场的作用下发生相互吸引而形成团聚，从20世纪70年代以来，在磁性颗粒的磁作用能及磁吸引力方面做了大量研究，取得许多成功，大致分为三类：强磁性颗粒间吸引能，强磁性颗粒与弱磁性颗粒间的磁吸引能和弱磁性颗粒间的

磁吸引能。Fe

3O

4

是一种强磁性颗粒，它具有铁磁性性质。

纳米材料的化学性质之一，在纳米材料的溶液中加入表面活性剂，使其吸附在微粒表面，形成微细胞状态，由于活性剂的存在，微粒之间产生了排斥力，使得微粒不能接触从而防止团聚作用的发生，特别是磁性纳米材料很容易团聚，因此加入界面活性剂，如：油酸。使其包裹在磁性微粒表面就尤为重要，在制备

Fe

3O

4

的磁性液体时就用油酸防止团聚，他制备该液体时，将30μm的Fe

3

O

4

粒子

放入油酸和n-庚烷中进行长时间的球磨，得到了稳定地分散在n-庚烷中的10nm

的Fe

3O

4

微粒的磁流体。

磁性流体既具有磁性，又具有流动性，在现代高科技领域中有着重要应用，尤其在润滑和密封方面，具有广泛的应用前景。磁性流体主要由 3 部分组成，即纳米磁性微粒基载液和表面活性剂。磁性流体的较强磁性能和长期稳定性是衡量其质量高低的基本指标，也是其能够获得良好应用的关键。在纳米磁性流体的制备过程中，表面活性剂对磁性微粒的良好包覆，对于磁性流体的稳定性起了至

关重要的作用，同时也有利于提高和保持磁性能。磁性流体中纳米Fe

3O

4

粒子为

磁铁矿类物质，具有强磁性，同时由于粒径小，它又具有超顺磁性，这使它能够在外磁场下实现定位定向移动，从而获得一系列应用。

Fe

3O

4

本身不一定有自发的磁场和磁力，而是表现出铁磁性，即它在磁场中能

像铁金属一样受到很大的吸引力，离开磁场会残余一点磁力，时间长了就消失了，

Fe

3O

4

之所以表现出铁磁性与其晶体结构（尖晶石型晶体）及其易于游离出自由

电子密切相关。自然界有种保留着磁铁矿晶体结构，但已变成Fe2O3的矿物（假象赤铁矿）也像磁铁矿一样表现出铁磁性。一般意义上说的磁铁是指永磁铁，它

是有Fe

3O

4

+锶、钡、稀土等元素经高温烧制成型，在充磁机上充磁后，利用其晶

体结构中的“磁畴”来永久显示出自发磁场和磁力的。

二、制备纳米磁性Fe

3O

4

材料的方法：

1 机械球磨法

机械球磨法是在球磨机中加入粒度为几十微米的Fe3O4粗颗粒，通过钢球之间或钢球与研磨罐内壁之间的撞击，使Fe3O4产生强烈的塑性变形并破碎，进而粗颗粒细化，知道形成纳米颗粒。机械球磨法制备纳米材料重现性好，操作简单，但生产时期长，粒径细化也难达到纳米级的要求。英延照等采用球磨机法制备了15nm左右的Fe3O4纳米颗粒，但由于强烈的塑性变形，会造成Fe3O4颗粒晶粒有较大的晶格畸变。

2 水热法

水热法是在特制的密闭反应容器中，以水为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解、反应并重结晶，从而得到预想的产物。水热法有两个优点：一是相对高的温度（130~250度）有利于磁性能的提高；二是在封闭容器中进行，产生相对高压（0.3~4MPa），避免了组分挥发，有利于提高产物纯度和保护环境，但由于反应是在高温环境下进行，所以对设备的要求较高。

用水热法制备了纳米Fe3O4粒子，通过选用合适的分散剂和采用超声波分散的方法，制备出在重力场和磁场中稳定性好的水基磁流体，由正交实验结果分析出了影响水基Fe3O4磁流体性能的主要因素。最终得到最佳的反应条件：浓