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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：463

1前言
纳米是一个长度单位，即10－9米，英文缩写为nm。纳米磁性材料技术早在20世纪70年代就被应用于共沉制造磁性液体材料，1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在fe/cr纳米结构的多层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，主要是与磁特性相关的物理长度恰好处于纳米量级，例如磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等大致在1nm～100nm量级，当磁性材料结构尺寸与这个物理长度相当时，就会呈现出反常的磁学性质。从纳米材料的结构特征我们可将其分为3大类：1.纳米颗粒型，如磁记录介质、共沉磁性液体、电波吸收材料；2.纳米微晶型，如纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料；3.磁微电子结构材料，如薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道结等。
2纳米颗粒型
2.1磁存储介质材料
近年来，随着信息量的飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有着密切的关系，例如，要求每1cm2可记录1000万条以上的信息，那么，一条信息要记录在1mm2～10mm2中，至少具有300阶段分层次的记录，在1mm2～10mm2中至少必须有300个记录单位。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒的尺寸极小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。作为磁记录单位的磁性粒子的大小必须满足以下要求：颗粒的长度应远小于记录波长；粒子的宽度（如可能，长度也包括在内）应该远小于记录深度；一个单位的记录体积中，应尽可能有更多的磁性粒子。
纳米磁记录介质的尺寸极小，如合金磁粉的尺寸为80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸为40nm，今后将进一步提高密度，向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400gbit/英寸2，相当于每平方英寸可存储20万部《红楼梦》。
2.2磁性液体
这是十分典型的纳米颗粒，是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成的。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为10nm；对金属微颗粒，尺寸通常大于6nm。要求生成磁性液体的强磁性颗粒要足够小，削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。在纳米尺寸下，强磁性颗粒失去了大块材料的铁磁或亚铁磁性能，呈现没有磁滞现象的超顺磁状态。为了防止颗粒聚团，产生沉积，需吸附表面活性剂。活性剂的高分子链要足够长，排斥力大于吸引力；另外，链的一端与磁性颗粒吸附，另一端与基液亲和。
利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“o”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中，为了防止尘埃进入硬盘，损坏磁头与磁盘，普遍在转轴处采用磁性液体的防尘密封。在精密仪器的转动部分，如x射线衍射仪中的转靶部分的真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。此外，在单晶炉的提拉部位、真空加热炉等有关部件的密封处等，磁性液体是较为理想的动态密封材料。通常的润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10nm，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用作润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5倍～6倍，从而使得在相同条件下的功率可以增加1倍。磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的结构，选用合适粘滞性的磁性液体，可使扬声器具有较佳的频响曲线。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等，不再一一列举，今后还可能开拓更多的应用领域。
2.3纳米磁性药物
磁性治疗技术，国内外正在加紧研究，如治疗癌症，用纳米金属性磁粉液体注射到人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，能加强药物治疗作用，一般的肌肉注射药物扩散面积大，病细胞接收的药量有限。
2.4电波吸收（隐身）材料
纳米粒子对红外和电磁波有很好的吸收（隐身）作用，一方面，由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米颗粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使红外控测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的表面积比常规粗粉大3个～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现探测目标。
隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但当前真正发挥作用的隐身材料大多使用在与航空航天和军事有密切关系的部件上。对于上天的材料，一个非常重要的要求是重量轻，在这方面纳米材料是有优势的，特别是由轻元素组成的纳米材料在航空隐身材料方面的应用十分广泛。有几种纳米微粒很可能在隐身材料上发挥作用，例如纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛的复合粉体与高分子纤维结合对中红外波段有很强的吸收性能，这种复合体对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。纳米磁性材料，特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，应用在隐身方面有明显的优越性。另外，这种材料还可以与驾驶舱内信号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑雷达操纵员，达到隐身目的。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管，在隐身材料方面的应用也将大有作为。
在民用领域，吸收紫外线的防太阳晒用具、吸收红外的保暖布料，防静电的涂料，使用在仪器、计算机机房、飞机和飞船的驾驶室，可以防静电干扰。为了提高通信质量，在高楼和雷达附近的建筑上涂上纳米吸收材料，可以防回音、防噪声，另外，在手机的防辐射方面也有用武之地。吸收红外线的材料，也可在军事上应用，士兵穿上其织物，夜行军时不易时被红外探测器发现。
3纳米微晶型
3.1纳米微晶稀土永磁材料
稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进，磁体的磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50mgoe，接近理论值64mgoe，并已开始规模生产。为了进一步改善磁性能，目前已采用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20nm～50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为了克服钕铁硼磁体低的居里温度和易氧体、比铁氧体的成本高等缺点，目前正在探索新的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发复合稀土永磁材料，将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。据报道，日本已可制备理论值达120mgoe的新型钕铁硼系永磁体。微磁学理论证明，稀土永磁磁相的晶颗尺寸只有低于20nm时，通过交换复合才有可能增大剩磁值。永磁器件的开发应用已经渗透到国民经济的各个领域，这里就不再细说。
3.2纳米微晶稀土软磁材料
1988年，首先发现在铁基非晶基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，可获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约为10nm）软磁合金，后被称为纳米晶体软磁合金。用纳米晶磁性材料可制成各种各样的磁性器件，应用在电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。
近年来，国内外对纳米晶磁性材料的研究非常热门，发展很快，铁基纳米晶合金材料已经在以下几个方面获得成功的应用。(1)精密电流互感器，在高电压输电线路中的应用日益增多，准确度达到02级和仪表保安系数小于5，并且成本比高磁导率坡莫合金低50％。(2)高频大功率开关电源变压器，其工作频率为20khz～50khz，输出功率在10kw以上，效率在90％以上，而且体积小，温升低。(3)开关电源，能解决损耗、体积和温升三者的难题，满足高频化和小型化的要求。(4)抗电磁干扰器件，具有抗饱和能力强、电感量大、品质因素高、体积小和高效节能等特点，广泛地应用于通讯设备、精密测控设备和计算机设备等。(5)传感器，特别适用于高灵敏场合的磁性器件，如磁头、漏电保护开关等。
4磁微电子结构
21世纪的信息产品将朝着小型化和轻型化发展，将会促进元件的集成化和微型化。可以预见，在磁性行业内，将形成一门新的技术——磁性微电子技术。用类似半导体集成电路工艺制造磁性微型器件，尺寸仅为几十微米级。磁性材料采用薄膜成膜技术，厚度可达到几个毫微米到几个微米。从结构上看，有单层膜，包括一般的晶态膜、微晶膜、超微晶膜和非晶态薄膜；还有多层膜以及纳米级磁性颗粒弥漫在薄膜中构成的颗粒膜。从性能和应用上看，可分软磁、永磁、旋磁、磁光、磁阻、磁存贮和磁致伸缩等。
4.1巨磁电阻材料
将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜的最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100mhz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。1994年，ibm公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将记录密度提高17倍，达5gbit/英寸2，最近报道已达11gbit/英寸2，在与光盘的竞争中，磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，可使器件小型化、廉价，可制作各种传感器件，例如测量位移、角度、数控机床、汽车测速、旋转编码器、微弱磁场探测器（squids）等。同样还能制成数字磁头，用于摄录相机、数码相机、数字电视和可视手机。
4.2磁性薄膜变压器
个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1mhz～2mhz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻、薄、小方向发展，立体三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使厚度更薄、长度更短、体积更小。对于10w～25w小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不能形成三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。例如钴基非晶磁性薄膜的饱和磁通密度bs达到1.5特斯拉，比钴基的非晶合金高许多。对于高频下使用的磁性薄膜，主要指标是高频损耗，所以特别要提高电阻率，因为它直接影响高频下的损耗和有效导磁率。但是，对于磁性薄膜并不单纯追求高电阻率，还要兼顾其它指标。软磁铁氧体材料的电阻率虽然高，但饱和磁通密度bs低，不适合制作数兆赫以上的高频磁性薄膜集成变压器和电感器。今后的发展方向是微晶femc磁性薄膜，m可以是钛、锆、铬、钽，是利用femc复合靶在氩气中溅射形成非晶磁性薄膜，热处理后晶化，形成微晶结构。这种材料现在主要用作薄膜磁头，并且已经用于工作频率在10mhz左右的移动通信机电源中的变压器。
4.3磁光无源器件
随着通讯技术的发展，微波系统已经达到成熟地步，而光纤通信正在蓬蓬勃勃地发展。现在，国外的微波工作者逐渐转向光通信领域，同时，把微波通信中应用的磁无源器件也带到光通信方面，利用磁性材料的磁光效应研制光无源器件。根据光纤通信的技术要求和磁性材料的本征特性，磁光无源器件的发展具有广阔的市场。在光波宽带通信中，要把各种光频回路匹配起来，必须考虑使用光环行器、隔离器和开关等器件。因为在光纤通信中，光源受到光纤反射光的影响会引起工作不稳定。随着光回路的复杂化，这种情况会变得更加严重。为了实现光源的稳定性，与微波领域中采用的措施一样，使用隔离器是不可避免的。光隔离器能降低反射光的影响，从而得到高性能的光传输特性。光环行器是双向传输光路和光测量装置不可缺少的，尤其是光纤通信的良好匹配元件。在多模光纤装置中把来自一路通道的信息快速转换到另外几种通道中，需要光多接点开关。另外，用磁性材料制作的光无源器件，具有良好的光特性，如钇铁石榴石磁性单晶材料在近红外波段1.55微米具有一个透明的窗口，光吸收损耗极低。我们知道，光的传输损耗与通过光纤的光波波长有关。在1.55微米～1.58微米波长时，光纤具有较低的光传输损耗和较小的光色散，有利于远距离和宽带光纤通信。如目前广泛使用1.55微米的光波频率，在此波长时，光传输损耗约为每公里0.2分贝，这样，在远距离光纤通信中，只需要间距为100公里～150公里的中继器。这对磁光无源器件的发展提供了一个良好的环境，其特性比机械和电光器件更好，而且适合于集成化。
磁光无源器件的优点是功耗低、结构简单等，但最主要的是能够薄膜化，适合于集成光学系统。这一点很重要，因为把光源、透镜、棱镜和非互易光学元件制成薄膜器件集成在一块衬底上的集成光学技术是21世纪的发展方向。在集成光学基础上发展的集成磁光学是应用磁性薄膜作为光波导来制作光无源器件，也是磁性薄膜学的一大重要技术发展。
4.4磁光存储器
当前，只读和一次刻录式的光盘已经得到广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，它可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限，已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。
目前，世界各国均在加强对纳米材料及器件的研究和开发，希望采用纳米技术使磁性材料的性能有突破性的发展，同时开拓新的应用领域。我们坚信，在不久的将来，在磁性材料行业，纳米材料的应用必有新的发展。

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