γ-Fe2O3基磁性复合纳米微粒及其磁性液体的制备及性质研究

摘要

通过共沉淀法制得非晶前躯体FeOOH/Ni(OH)2，并经过FeCl2溶液处理可制得表面包裹2FeCl3·5H2O层的γ-Fe2O3/Ni2O3磁性复合纳米微粒。使用VSM、XRD、TEM和XPS揭示了γ-Fe2O3/Ni2O3复合纳米微粒在制备过程中其磁性与结构对FeCl2浓度的依赖关系。实验结果表明，产物的磁化强度并不随FeCl2处理液浓度的变化而单调变化。随着FeCl2处理液浓度的增加，复合纳米微粒中粒径约为8nm的γ-Fe2O3相保持不变，Ni2O3相减少而2FeCl3·5H2O相增加。样品表观磁化强度的变化，来自于Ni2O3相的减小与2FeCl3·5H2O相的增加对磁性的影响。
　　 对Fe(NO3)3处理前后的γ-Fe2O3/Ni2O3复合磁性纳米微粒的性质、成分及结构进行了分析与探讨。实验结果表明，在Fe(NO3)3溶液处理过程中，Fe(NO3)3溶液吸附在微粒的表面形成Fe(NO3)3·9H2O包裹层，该层厚度δ=1.2nm;根据EDX、XRD、XPS分析结果导出了微粒中各物相的摩尔比、质量分数、体积分数。由物相的比值解释了微粒的磁化强度及微粒体积的变化，并导出了微粒的平均密度。
　　 在沸腾的硝酸铁溶液中加入氧化铜粉末，将发生水解反应生成纳米尺寸的铁氧化物。使用VSM、XRD、TEM和XPS对其产物进行了表征。实验结果表明，产物是由极细的水铁矿(Fe5O7(OH)·4H2O)纳米晶组成的弱磁水铁矿纳米团簇。纳米团簇表面吸附少量硝酸铁，大小约为40nm。这种团簇可在酸性水溶液中分散为纳米微粒。
　　 用Massart法合成了γ-Fe2O3/Ni2O3水基离子型磁性液体。基于γ-Fe2O3/Ni2O3复合纳米微粒的磁性液体是一个多分散体系。微粒间的磁相互作用很弱，由于热效应的影响，微粒不能仅通过磁相互作用而发生团聚。初始磁化率和光透射驰豫现象揭示了在多分散磁性液体中链状团聚体形成是由于“排空力”和“结构力”的影响。同样由于磁相互作用较弱，磁性液体中没有环状团聚体，以致微粒的饱和磁化强度与体积分数之积与相应磁性液体的饱和磁化强度相吻合。在无磁场作用下，磁性液体中具有链状预团聚结构。实验表明，由于该磁性液体中只有单一的链状团聚结构，因此对外磁场反应灵敏，具有优良的磁光效应。
　　 分别对基于粒径约为11nm的γ-Fe2O3/Ni2O3复合纳米微粒（A微粒）的单元磁性液体与γ-Fe2O3/Ni2O3强磁性纳米微粒和约为6nm的弱磁水铁矿(Fe5O7(OH)·4H2O)纳米微粒(B微粒）的稀二元磁性液体的磁化过程进行了研究。测量结果表明，体积分数为φA=2.4％的单元磁性液体与A微粒体积分数为φA=0.2％，B微粒体积分数分别为φB=0.1％和φB=0.6％的二元磁性液体的磁化曲线表现出类磁滞现象，即在高场中，磁性液体的退磁曲线位于磁化曲线之上。而对于体积分数为φA=0.94和0.2的单元磁性液体和体积分数φA=0.2％，φB=1.0％的二元磁性液体，其磁化曲线并无此现象。基于“大微粒”和“小微粒”的双分散模型以及从强磁微粒和弱磁微粒组成的二元体系的内部调制作用，分别对单元和二元磁性液体的类磁滞现象进行了解释。
　　 在方波信号调制的磁场作用下，测量了单元γ-Fe2O3/Ni2O3磁性液体及对应弱磁水铁矿φFh=0.4％固定的二元磁性液体随磁场变化的响应时间。测量结果表明，随着强磁部分φγ体积分数的增大，响应时间都逐渐减小。且具有相同体积分数φ(x)的二元磁性液体比单元磁性液体减小的快，即响应时间更短。同时测量了单元磁性液体及其二元磁性液体的磁致光透射变化情况，并从微观上对其进行了分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁性纳米微粒简介

1．2 磁性液体简介

1．3 二元磁性液体

1．4 本论文研究意义

参考文献

第二章 γ-Fe2O3／Ni2O3复合纳米微粒的制备及表面调制处理

2．1 强磁γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒的制备及表征

2．1．1 强磁γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒的制备

2．1．2 强磁γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒的表征

2．1．3 讨论

2．1．4 结论

2．2 硝酸铁处理前后γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒的磁性及表征

2．2．1 不同Fe(NO3)3处理γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒的制备

2．2．2 不同Fe(NO3)3处理γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒的表征

2．3 机理分析

2．3．1 微粒结构

2．3．2 微粒中各物相的摩尔比

2．3．3 微粒中各物相的质量比

2．3．4 微粒中各物相的体积比

2．3．5 微粒的密度

2．3．6 硝酸铁处理后的γ-Fe2O3／Ni2O3纳米微粒非磁性层厚度

2．4 结论

参考文献

第三章 水铁矿(Fe5O7(OH)·4H2O)纳米团簇的制备及表征

3．1 水铁矿(Fe5O7(OH)·4H2O)纳米团簇的制备

3．2 水铁矿(Fe5O7(OH)·4H2O)纳米团簇的表征

3．3 讨论

3．4 结论

参考文献

第四章 磁性液体制备及基本性质

4．1 磁性液体制备简介

4．2 二元磁性液体的制备

4．2．1 单元强磁γ-Fe2O3／Ni2O3磁性液体的制备

4．2．2 单元弱磁水铁矿(Fe5O7(OH)·4H2O)磁性液体的制备

4．2．3 二元磁性液体的合成

4．3 磁性液体的基本性质

4．3．1 密度

4．3．2 粘度

4．4 结论

参考文献

第五章 磁性液体的磁化性质

5．1 单元磁性液体的磁化性质

5．1．1 实验结果

5．1．2 分析与讨论

5．1．3 结论

5．2 二元磁性液体的磁化性质

5．2．1 实验结果

5．2．2 分析与讨论

5．2．3 结论

5．3 单元磁性液体与二元磁性液体类磁滞现象比较

参考文献

第六章 磁致光透射研究

6．1 磁性液体响应时间测量装置

6．2 磁性液体的响应时间

6．2．1 单元γ-Fe2O3／Ni2O3磁性液体及其二元磁性液体的响应时间

6．3 磁性液体响应时间的机理分析

6．4 磁性液体的磁致光透射率变化

6．4．1 γ-Fe2O3／Ni2O3磁性液体磁致光透射率

6．4．2 弱磁Fe5O7(OH)·4H2O磁性液体磁致光透射率

6．4．3 二元磁性液体的磁致光透射率

6．5 不同中心磁场下的磁性液体磁致光透射率变化

6．5．1 γ-Fe2O3／Ni2O3磁性液体的磁致光透射率

6．5．2 二元磁性液体的磁致光透射率

6．6 磁致光透射强度驰豫变化的机理

6．6．1 单元磁性液体磁致光透射机理

6．6．2 二元磁性液体磁致光透射机理

6．7 结论

参考文献

附录一

附录二

攻读硕士期间工作情况

致谢