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              納米磁性材料與器件的研究和應(yīng)用前景

              發(fā)表時(shí)間:2009-09-30   文章來源:

              納米(Nanometer ,簡稱nm),是一種幾何尺寸的度量單位。1納米為1微米的千分之一,1米的十億分之一,約等于4?/FONT>5個(gè)原子的大小。在上個(gè)世紀(jì)的大部分時(shí)間里,人們時(shí)而熱衷于飛機(jī)、坦克、人造衛(wèi)星等宏觀世界,時(shí)而又徜徉在原子、電子和基本粒子等微觀世界中。通常,1微米以上為宏觀尺度,小于0.1納米則為微觀尺度,在這兩者之間,稱為介觀尺度。正是由于對(duì)介觀物理的研究,人們才得以發(fā)現(xiàn)納米世界,F(xiàn)在我們所說的納米尺度,一般按照國際上的標(biāo)準(zhǔn)概念,是指0.1?/FONT>100 nm的范圍。

                納米技術(shù)是指從納米尺度上研究、制備與控制材料結(jié)構(gòu)的技術(shù)。所謂從納米尺度上控制材料結(jié)構(gòu)的技術(shù),是指通過操縱原子、分子或原子團(tuán)、分子團(tuán),使其重新排列組合,產(chǎn)生新的物質(zhì),或制造新器件的技術(shù)。 
              采用納米技術(shù)制造的磁性材料及器件,稱為納米磁性材料和納米磁性器件,后者又可稱為磁電子器件。 基本上,納米磁性材料可分為兩類:一類是本身具有納米結(jié)構(gòu)的磁性材料;另一類是用納米顆粒作為添加劑改性的磁性材料。納米磁性材料可以是磁粉、磁體、細(xì)絲、薄帶或磁性薄膜,也可以是磁性液體、涂料、漿料或其它復(fù)合材料。 

                本文簡要介紹了納米磁性材料的基本概念,報(bào)道了國內(nèi)外納米磁性材料和器件的研究開發(fā)動(dòng)向,最后指出了納米磁性材料和器件的應(yīng)用前景,以及產(chǎn)業(yè)化所必須注意的一些問題。

              2.納米磁性材料的研發(fā)動(dòng)向 

                目前,國內(nèi)外制備納米顆粒的方法大體上可分為三類:物理法、化學(xué)法和機(jī)械法。物理法有:等離子焙燒法、電弧法、激光蒸發(fā)法等;化學(xué)法常見的有:溶膠--凝膠法、共沉淀法、噴霧法、醇鹽水解法、水熱法、超臨界流體干燥法、碳?xì)浠衔锎呋纸夥ǖ龋粰C(jī)械法在制備納米合金方面應(yīng)用較多,此外,磁性液體中納米顆粒的研磨也屬機(jī)械法。有的機(jī)械法中也涉及一些化學(xué)反應(yīng)。

              2.1納米軟磁材料

                納米軟磁鐵氧體---中科院山西煤化所姚志強(qiáng)博士等人采用超臨界流體干燥法制備了10-20 nm的 MnZn鐵氧體,可望實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)性能;電子科技大學(xué)采用共沉淀法,正在探索制備NiZn鐵氧體納米粉料的試驗(yàn);還有一些單位在NiZn鐵氧體中添加某種納米氧化物,以降低燒結(jié)溫度,可制成低溫共燒NiZn鐵氧體漿料,用于片式電感等; 

              納米晶軟磁合金---采用快淬、霧化等工藝,可制造非晶和微晶合金,再經(jīng)熱磁取向,可將晶粒細(xì)化到20-50nm,此時(shí)μi可達(dá)8-100萬甚至更高,是普通軟磁鐵氧體的幾倍、幾十倍!晶粒越細(xì)、磁導(dǎo)率就越高。目前非晶帶材厚度可做到20-50μm、寬1.5-1000mm,處理成納米晶薄帶后,可用作電子變壓器,以替代高μi軟磁鐵氧體,還可做成低頻應(yīng)用的EMI元件,也可用于電力變壓器,具有體積小、功耗低的特點(diǎn),可節(jié)能30 %以上。2.2納米永磁材料 

                納米永磁鐵氧體---哈爾濱船舶學(xué)院張密林教授于1996年就開始采用溶膠--凝膠法制備Ba鐵氧體永磁納米粉;中科院山西煤化所姚志強(qiáng)博士采用超臨界流體干燥法制得60-80 nm的Ba鐵氧體永磁,可提高內(nèi)稟矯頑力,降低燒結(jié)溫度;最近有人在Sr鐵氧體永磁材料中添加納米硅基氧化物,磁感應(yīng)強(qiáng)度提高約10%,最大磁能積可提高5-8 %,其研究成果令人振奮。 

                納米稀土永磁---日本住友特殊金屬公司、中科院金屬所等國內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)目前均投入相當(dāng)大的人力和資金,研發(fā)納米稀土永磁材料,研究的重點(diǎn)是探索納米工藝條件和納米結(jié)構(gòu),相分布、晶粒尺寸、相界面與磁性能之間的關(guān)系;研究納米復(fù)合稀土永磁材料中硬磁相和軟磁相之間的磁性交換耦合機(jī)制。我所近幾年來應(yīng)用SC工藝、HDDR工藝等納米技術(shù),制造高性能燒結(jié)和粘結(jié)NdFeB等方面做了大量開拓性工作。

              2.3納米磁記錄介質(zhì) 

                納米磁記錄介質(zhì)---研究表明,納米磁記錄磁粉可提高錄音和錄像磁帶的信噪比,粒度在30-80 nm 的Fe、Co、Ni金屬磁帶,比普通帶的記錄密度提高10-100倍!用磁控濺射或液相外延等薄膜(厚度為幾個(gè)nm)工藝形成的納米磁性陣列,可做成量子磁盤,實(shí)現(xiàn)超高密度的信息存儲(chǔ),目前國外已達(dá)到的存儲(chǔ)信息量是普通盤的100萬倍以上。2000年全世界磁記錄產(chǎn)品銷售達(dá)1000億美元,是磁性行業(yè)中市場規(guī)模最大的。因此,納米磁記錄介質(zhì)的研發(fā)是很有前途的。

              2.4 納米磁性隱身材料 

                吸波材料——由于電磁兼容技術(shù)的發(fā)展和隱形武器的需求,納米吸波材料的研究自然成了國內(nèi)外高度重視的熱門課題之一。納米MnZn、NiZn鐵氧體、鐵粉芯(羰基鐵)、磁粉、鐵磁纖維、磁片、磁磚、油漆、涂料、膠帶及各種元器件和復(fù)合材料,都有可能用于隱形飛機(jī)、坦克、艦船等武器平臺(tái);建造微波暗室,防雷達(dá)虛象、天線旁瓣以及抑制方艙及儀器、線纜的信號(hào)泄漏和干擾信號(hào)等,均為納米磁性隱身材料提供了用武之地; 

              屏蔽材料——以前的電磁屏蔽材料大都采用銅網(wǎng)和鍍鋅鐵板等,目前研發(fā)的納米包封鐵磁纖維、非晶和納米晶軟磁合金是一類理想的屏蔽材料,可望得到較為廣泛的應(yīng)用。

              2.5 磁性液體:

                早期的“納米” 早在八十年代,國內(nèi)外不少單位投入相當(dāng)人力、財(cái)力,研究磁性液體,這是早期的納米材料,九所研制成功的磁性液體及應(yīng)用成果曾獲國家創(chuàng)造發(fā)明三等獎(jiǎng)。

              2.6納米薄膜與器件 

                1988年以來,三巨材料的問世以及應(yīng)用研究,出現(xiàn)了磁電子器件這一新概念、新名詞,三巨材料是指:巨磁阻抗(GMI)材料及器件——其交流阻抗隨外磁場而變化;巨磁電阻(GMR)材料——其電阻率隨外磁場而變化;巨磁致伸縮材料——其幾何尺寸隨外磁場而伸縮變化; 以上材料均采用薄膜、超薄膜、多層膜、顆粒膜技術(shù)形成納米結(jié)構(gòu),用于薄膜讀出磁頭、磁性隧道結(jié)非易失存儲(chǔ)器、機(jī)械運(yùn)動(dòng)量及電流量傳感器、磁聲納、磁聲表面波器件、超聲波換能器、致動(dòng)器、薄膜變壓器、自旋晶體管(全金屬晶體管)以及永磁薄膜、軟磁薄膜、微波多晶、單晶薄膜及器件等。上述納米器件亦可稱為磁電子

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