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功能磁性材料

摘要：磁性材料是利用物质的磁性、各种磁效应以及它的声、光、电、热特性来满足各方而技术要求的材料。将材料的磁性和其它的特性相结合，便会形成具有新型功能的磁性材料。本文介绍了几种功能磁性材料的特性、制备及其应用。
关键词：功能磁性材料，制备，特性，应用
Function of magnetic materials

ABSTRACT：Magnetic materials is the use of magnetic properties of substances, a variety of magnetic effects as well as its sound, light, electricity, thermal characteristics to meet the parties while the technical requirements of materials. Magnetic materials and other characteristics of the combination will form a new functional magnetic materials. This article describes several characteristics of functional magnetic materials, Preparation and Application.
KEY WORDS：Functional magnetic materials, preparation, properties, application
引言
早在很久以前，我们的祖先就发现理物质磁性现象并应用在实际生活中。现如今，磁性材料以其磁性、光学、声学、电学和热学性能使其在当今的世界上应用广泛，尤其是功能磁性材料应用在世界各个领域。
1 磁性液体
磁性液体(Magnetic Fluids) 又称磁流体, 是由纳米级的磁性颗粒通过表面活性剂的包覆, 高度均匀分散于基载液中所形成的稳定的固液两相胶状液体[1]。0既具有固相材料的磁性, 又具有液相的流动性润滑性以及密封性，它的分散性很好，即使在心力、电磁力等作用下也不会发生固液分离, 是一种典型的纳米复合材料[2]。
1.1 磁性液体的特性
磁性液体的特性是磁性颗粒、界面活性剂及载液性能的综合表现。作为一种特殊的胶体体系，磁性液体同时兼有软磁性和流动性，因此具有许多独特的力学、磁学、光学和声学特性[3]。
1.1.1 力学性能
磁性液体能克服重力、压力、离心力等作用，当把磁性物体放置于磁性液体中时，磁性物体能稳定地依附于适当的位置。当把磁性液体的某一部分加热或冷却时，能产生磁热循环，不需要机械驱动就能引起液体的运动；在磁性液体附近施加旋转磁场，就能在液体中产生涡流，出现在其他流体中看不到的特殊现象。若在一个塑料或玻璃等非磁性材料做的容器中，先放一块永久磁铁，再倒入磁性液体时，就会看到示意性液体沿着磁力线的方向向上拱起，通过磁力、重力、表面张力的综合作用，可以看到磁性液体呈现六角形的美丽花纹。
1.1.2 磁学性能
磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁，不存在磁滞回线，在外磁场下，磁性液体被磁化，满足修正的伯努利方程。
1.1.3光学性能
当光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色性现象。当磁性液体被磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，偏振光的电矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，具有更高的折射率。
1.1.4声学性能
超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性。
1.2 磁性液体的制备方法
磁性液体的制备方法很多，主要介绍下面几种常见的方法。
1.2.1机械研磨法
常见的机械研磨法包括球磨法和轴承废渣加工法。球磨法是1965年由在美国太空总署工作的Pappell提出的，是制备磁性流体最早使用的方法，其原理是将粉碎得到的磁性粒子和表面活性剂添加到基液中，在球磨机中经过长时间的球磨(1000h以上)，再在高速离心机中除去直径大于25 nm的粗大粒子，就可得到磁性流体。
1.2.2 化学沉淀法
化学沉淀法是1972年由Reimers等人开发的一种磁液制备方法，该方法是将2价的铁盐溶液(FeC12 )和3价的铁盐溶液(FeC13)按一定的比例混合，加入沉淀剂NaOH(或NH3·H2O)反应后，获得粒度小于10 nm 的Fe3O4磁性颗粒，经脱水干燥后，添入一定量的表面活性剂母液，充分搅拌混合后获得铁氧体磁性液体。
1.2.3热分解法
热分解法可以用来制备金属磁性液体和氮化铁磁性液体。热分解的原理是将化学不稳定的有机金属进行热分解，析出金属单质，再将析出的金属超微粒子分散于载液中，制成磁性液体。此法工艺简单、能耗低，可制备高饱和磁化强度的磁性液体。
1.2.4等离子体CVD法
等离子体CVD法是在反应容器底部旋转溶人含表面活性剂的载液，并使容器保持在0.133 Pa的低压状态。以可气化分解获得铁磁性金属颗粒的有机金属化合物作为原料，使之气化，与H2、N2等气体混合后导入到反应容器内，在直流电场、高频电场、微波或激光的作用下产生低温等离子体。在该等离子体的作用下使气化的有机金属化合物分解生成金属原子或者金属原子团，这些原子和原子团在向容器底部流动的过程中碰撞长大成纳米级金属颗粒,经搅拌后，这些金属颗粒被表面活性剂包覆后分散在载液中成为金属磁性液体。
1.2.5真空蒸镀法
真空蒸镀法是日本的Kimoto在1963年报道的，基本原理是在旋转的真空滚筒的底部放入含有表面活性剂的载液，随着滚筒的旋转，在其内表面上形成一层液体薄膜。将铁磁性金属加入置于滚筒中心部位的蒸发源，使之蒸发，金属气体在液体薄膜中发生冷凝，冷凝后的粒径为2～10nm的铁磁性颗粒被液体膜捕捉，随着滚简的旋转再次进入载液内。滚筒继续旋转，由底部提供新的液体膜，如此反复制备成稳定的金属磁性液体。
1.2.6水溶液吸附—有机相分散法
水溶液吸附一有机相分散法最早是由日本下饭坂润三在1966年发明的。在水溶液中制备的磁流体称水基磁流体，价格便宜，但易凝聚。该法的基本原理是：若将Fe2+ 和Fe3+ 混合生成部分Fe3O4 粒子，再加入过量表面活性剂油酸钠，加热后一部分水解成油酸，在Fe3O4表面的双分子吸附层变成单分子吸附层，从水溶液中分离沉淀，清洗后将其分散在载液中制得磁流体。
1.3 磁性液体的应用
磁性液体是一种很有诱惑力的新型液态磁性材料，由于其特殊的物理化学性质，具有很广泛的应用前景，其应用范围己扩展到航空航天、电子、化工、机械、能源、冶金和环保生物医疗等各个领域。
2 巨磁电阻材料
所谓巨磁电阻效应,是指材料的电阻率将受磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。一般定义为GMR =[(ρ0 - ρH) /ρ0]×100%。其中,ρH 为在磁场H 作用下材料的电阻率,ρ0 指无外磁场作用下材料的电阻率。
2.1 分类
目前,已发现具有GMR 效应的材料主要有多层膜、自旋阀、颗粒膜、“非连续”多层膜、磁隧道结、钙钛矿型稀土—锰氧化物、熔淬薄带等[4]。
2.1.1　多层膜
1988 年Baibich 等首次发现( Fe/ Cr) n 多层膜磁性能超晶格中高达50 %的巨磁电阻效应。不久,在过渡金属Fe 、Co 、Ni 磁性薄膜与Cr 、Cu、Ag、Au 等非磁性薄膜所组成的多层膜系统中, GMR 效应被广泛观察到。
2.1.2 自旋阀
自旋阀的概念首先由IBM公司的Dieny等提出的具有NiFe/Cu/NiFe/MnFe结构的多层膜系统。迄今所获得的最好结果为Philips公司的Folkerts等制备的自旋阀磁头器件,最大磁场灵敏度达到1.5%/Oe 时的饱和场为240A/m ,但磁电阻却只有3%，因此其应用前景不高。

2.1.3 颗粒膜
所谓金属颗粒膜,是指铁磁性金属以颗粒的形式分散地镶嵌于非互溶的非磁性金属的母体中,其巨磁电阻效应普遍认为是来源于自由传导电子在颗粒与母体之间的界面上及磁性颗粒内部的自旋相关散射,与多层膜结构的CPP巨磁电阻效应的起源极为相似。
2.1.4 “非连续”多层膜
Bodmacg等报道的将传统NiFe/Ag多层膜进行适当热处理,形成所谓的“非连续”多层膜。在这种体系中,由于Ag原子的热扩散,打破了原有均匀的多层膜结构。磁性层被分割成一个个具有横向解耦的小岛,但还没有形成颗粒膜中的单畴铁磁颗粒;在适当条件下,偶极子场使磁矩反平行排列,在较低饱和场下获得018 ～112 %/Oe 的灵敏度，相应的GMR 效应≈5%。

2.2 巨磁材料的应用
磁信息科学技术的研究和应用在当代信息社会中起着重要的作用，因而受到科学研究界的广泛重视。最近在磁信息科技中、特别在磁记录中有着重要应用的巨磁电阻和庞磁电阻材料的研究和应用有了许多新的进展。
2.2.1 GMR读出磁头在计算机信息存储中的应用[5]
传统电磁感应式磁头，在读取高密度磁记录信息时，信噪比已不能满足要求，因为此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的．如果采用磁电阻磁头读取信息，磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化．因此磁电阻磁头是读取高密度磁记录信息较理想的手段．
2.2.2 GMR在随机存储(MRAM)中的应用[5]
近几年，人们用GMR研制成了巨磁电阻随机存储器(MRAM)，这种存储器最大的优点是断
电后数据依然保存，不会消失．此外它还具有抗辐射、抗干扰、速度快、功耗低、使用寿命长、成本低等优点，在容量和运行速度上均超过半导体存储器．因而，MRAM 在诸如计算机的BIOS芯片、蜂窝电话、传真机、录象机、数字照相机和大容量存储器等方面都有着极为重要的价值和应用前景。
2.2.3巨磁电阻传感器的应用[5]
磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向和变化等．在GMR传感器出现以前，人们使用的磁电阻传感器主要是利用AMR效应材料，但由于AMR磁电阻率变化小，因而在检测微弱磁场时受到限制．利用GMR效应的传感器继承了AMR传感器所具有的优点，而且由于GMR磁电阻变化率大，使它能传感微弱磁场，从而大大提高了传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标，扩大了测量范围和应用面。
3 超磁致伸缩材料
超磁致伸缩材料(简写为GMM)是一种新型的功能材料，在室温下具有极大的磁致伸缩应变，典型代表为Terfenol-D，其饱和磁致伸缩系数一般大于3.0×10-5。
3.1 超磁致伸缩材料(GMM)的性能特点
Terfenol—D是稀土超磁致伸缩材料(GMM)的典型代表，作为一种新型高效的磁(电)一机械能(声能)转换材料，相比压电材料(PZT)和传统磁致伸缩材料Ni、Co等具有许多优点，主要有以下几点:
(1) 在室温下，Terfenol-D能量转换效率高，机电耦合系数大于0.7，即能量转换效率高于70％，镍基磁致伸缩材料不到20％，PZT只有50％左右；Terfenol-D能量密度高，是Ni的400～800倍，是PZT的14～30倍；磁致伸缩应变大，其静态应变饱和值A 达1．5×103 ～2.0×10-3，在线性范围内也达1．0×10-3，是Ni的3O倍，PZT的3～5倍；输出力大，负载能力强，可达到220～800 N。
(2) Terfenol—D的可控性好，其响应速度小于1s，性能重复性好，而PZT的响应速度约为l0s，所以用GMM制作的执行器适合用在高速响应和精确定位的场合[6]。
(3)Terfenol-D的可靠性强，用GMM制作的执行器，一般是由激励线圈驱动，不存在PZT中退激化中引起的失效问题，同时不存在老化、疲劳等问题，而且超磁致伸缩换能器只需低压驱动，这对于驱动电源的要求大大降低了。
(4) 4)Terfeno1-D的频率特性好，频带宽，尤其适合低频区工作，在0～5kHz范围内的能量转换效率优于PZT，可以应用于制作水声换能器，也可用于高频环境。
3.2超磁致伸缩材料的应用
由于超磁致伸缩材料，在磁场作用下长度发生变化，发生位移而做功；在交变磁场作用下，发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，将电磁能转换成机械能或声能，相反也可以将机械能转换成电磁能，这样可以制成功率电一声换能器、电一机换能器、驱动器、传感器和电子器件等。广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域{7}。 (1)在磁(电)一声转换技术中的应用
超磁致伸缩材料广泛应用于声转换技术中，由于超磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频响应好、频带宽等特点，是制作大功率、小体积、低频、宽频带水声换能器的理想的材料。因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料。用稀土超磁致伸缩材料制造的水声换能器其能量密度为压电换能器的10倍，工作距离超过104 km．是压电换能器的几十倍，而且它还具有比传统材料低一半的声速。
(2)在磁(电)一机转换器件中的应用
超磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器．具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点。它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点，而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势，如在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床的给进系统方面，用精密致动器，位移精确度可达纳米级，响应速度快，输出力大，设计相对简单。
(3) 在检测领域中的应用
利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩压力和电流等的传感器敏感元件。
利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中产生应变的原理，结合激光二极管或PZT材料可以制成各种测磁仪。
利用超磁致伸缩材料的压磁效应研制的压磁式压力传感器，运用了磁场平衡原理，当传感器受力时，压力方向和垂直于压力方向上的磁场不再均匀分布，这样就会在输出线圈中产生磁通．激发线圈产生二次电压信号。
4 结束语
随着磁学理论的发展和生产技术的进步，磁性材料已成为国L6经济和人类社会重要的
基础材料，成为材料科学领域相对独立的材料体系c传统磁性材料性能不断提高，新型磁性
材料不断出现．对信息、能源、交通等产业的发展产生了幢大的促进作用，也对磁性材料的
教学和研究提出了新的要求。
参考文献：
[1] 龙毅, 张正义. 新功能磁性材料及其应用[M ]. 北京:机械工业出版社, 1997.
[2] 翁兴园. 磁流体技术及应用的发展现状与未来[ J ]. 磁性材料及器件, 1999, 29 (6): 35～39.
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[5] 张献图，金 刚，劳晓东. 巨磁电阻效应及其应用(J).河南：周口师范学院学报，2008,28（5）:51～54.
[6] 唐志锋．超磁致伸缩执行器的基础理论与实验研究[D]．杭州：浙江大学,2005．
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