多元尖晶石铁氧体基微纳米纤维的电纺制备、表征与磁性能研究

摘要

近年来,一维磁性纳米材料如纳米管、纳米带、纳米线和纳米纤维等因其新奇的物理和化学性质以及在基础研究和应用技术方面的重要价值而受到人们的广泛关注。它们不但具有普通纳米粒子的各种特殊效应,而且还具有独特的形状各向异性和磁各向异性,可以突破各向同性粉体材料对电磁性能的限制,被认为是构筑新型电磁光功能材料与器件的重要组元,有望在高密度磁记录、磁传感器、磁性复合材料、微纳功能器件、自旋电子器件、电磁波吸收、催化以及生物医学等方面得到实际应用。在制备一维微纳米结构材料的众多方法中,高压静电纺丝技术不仅具有制备过程简单、成本低、可大量生产等优势,更重要的是应用范围广泛,而且所得的纤维均匀、连续、直径可控、长度可达宏观尺度。尖晶石铁氧体是一种在工业和日常生活中应用非常广泛的磁性材料,它们的性质与其化学组成和形貌及微观结构有着密切的联系。目前有关尖晶石铁氧体一维微纳米结构的研究主要集中在单元尖晶石铁氧体方面,而对性能优越和应用范围更为广泛的多元尖晶石铁氧体的研究较少。为此,多元尖晶石铁氧体一维微纳米结构及其相关复合材料的研究将具有非常重要的科学价值和现实意义。
　　 本论文以高压静电纺丝技术为基础,与溶胶-凝胶技术和热处理过程控制相结合,围绕着一维多元尖晶石铁氧体微纳米纤维及其相关复合材料的可控制备、结构调控与磁性能进行研究,主要工作和创新成果如下:
　　 1.多元尖晶石铁氧体微纳米纤维。以PVP为络合剂,分别与相关无机盐反应制得前驱体溶液,利用静电纺丝技术先制备出PVP／无机盐的复合微纳米纤维,然后将得到的PVP／无机盐复合微纳米纤维经适当的高温焙烧处理获得了所需要的无机物微纳米纤维。(1)可控制备了二元尖晶石型Mn0.5Zn0.5Fe2O4、Ni1-xZnxFe2O4(x=0.0～0.8)、Co0.5Ni0.5Fe2O4、Co1-xZnxFe2O4(x=0.0～0.5)、Li0.5-0.5xZnxFe2.5n5xO4(x=0.0～0.8)以及三元尖晶石型Ni0.5-xCuxZn0.5Fe2O4(x=0.0～0.5)铁氧体微纳米纤维。(2)采用TG-DTA、FHR、XRD、SEM、(HR)TEM、SAED、EDS和VSM等技术对所制备的微纳米纤维进行了表征,系统研究了焙烧温度和化学组成对纤维的结构、微观形貌和宏观磁性能的影响,并对其因为进行了分析和讨论。(3)初步认识和揭示了一维或准一维多元尖晶石铁氧体的组成、结构与性能之间的关系,发现Co1-xZnxFe2O4微纳米纤维的晶格常数随Zn含量的变化呈一种非单调行为,不满足Vegard定律,而Ni1-xZnxFe2O4和Li0.5-0.5xZnxFe2.5-0.5xO4微纳米纤维的晶格常数则随Zn含量的变化基本符合Vegard定律；确定了多元尖晶石铁氧体微纳米纤维Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Co0.5Zn0.5Fe2O4、Co0.5Ni0.5Fe2O4、Li0.35Zn0.3Fe2.35O4及Ni0.3Cu0.2Zn0.5Fe2O4的单磁畴临界尺寸,分别在33、39、30、35和53 nm左右；在单畴范围内,建立了Co0.5Zn0.5Fe2O4、Co0.5Ni0.5Fe2O4及Ni0.3Cu0.2Zn0.5Fe2O4微纳米纤维的矫顽力与其晶粒尺寸的依赖关系,分别与其平均晶粒尺寸的0.65、0.70和0.71次方成正比,验证了随机各向异性模型对一维纳米体系所预测的结果(即Hc∝D2／3)。(4)此外,还分别探讨和表征了Ni0.5Zn0.5Fe2O4和Ni0.3Cu0.2Zn0.5Fe2O4微纳米纤维的磁各向异性以及纤维与其相应粉体在磁学行为上的差异,并合理解释了引起这种差异的因为。
　　 2.多元尖晶石铁氧体／非磁性氧化物复合微纳米纤维。在成功制备出NiZn铁氧体微纳米纤维的基础上,结合溶胶.凝胶技术,采用静电纺丝法合成了Ni0.5Zn0.5Fe2O4／SiO2和Ni0.5Zn0.5Fe2O4／Al2O3复合微纳米纤维。研究了SiO2和Al2O3对Ni0.5Zn0.5Fe2O4微纳米纤维的物相、微观结构及形貌和宏观磁性能的影响规律,并探讨了相关的物理机制。发现引入非晶SiO2和Al2O3非磁性氧化物是调控尖晶石铁氧体微纳米纤维微观结构及磁性能的一条有效途径。
　　 3.尖晶石铁氧体／磁性合金复合微纳米纤维。结合部分还原过程控制技术,利用静电纺丝法制备了平均直径约为170nm的镍铁氧体／Fe-Ni合金微纳米纤维,研究了它们的晶体结构、物相组成、微观形貌和宏观磁性能,并与还原前的纯镍铁氧体微纳米纤维进行了比较。发现所制备的复合微纳米纤维由面心立方(FCC)、体心立方(BCC)结构Fe-Ni合金和尖晶石结构镍铁氧体所构成,Fe-Ni合金与镍铁氧体两相间具有较好的磁交换耦合,使之表现出了更为优良的磁性能,比饱和磁化强度和矫顽力分别由还原前的49.5 emu／g和17.4 kA／m提高到还原后的103.9 emu／g和36.6 kA／m。该制备新方法可扩展用于构筑其他类型的磁性金属或合金／铁氧体复合微纳米纤维。

目录

文摘

英文文摘

基金项目

第一章 绪论

1.1 纳米材料概况

1.2 纳米磁性材料的特性

1.3 磁性纳米线(纤维)研究进展

1.4 静电纺丝技术简介

1.5 尖晶石型铁氧体

1.5.1 尖晶石铁氧体结构特征

1.5.2 尖晶石铁氧体的磁性

1.6 选题背景和研究内容及意义

参考文献

第二章 Mn0.5Zn0.5Fe2O4微纳米纤维的制备与表征

2.1 实验部分

2.1.1 实验药品

2.1.2 主要设备及分析仪器

2.1.3 制备方法

2.2 前驱体纤维的结构及形貌的演化

2.3 Mn0.5Zn0.5Fe2O4纤维的磁性能

2.4 本章小结

参考文献

第三章 CoZn铁氧体纳米纤维的制备与表征

3.1 实验部分

3.1.1 实验药品

3.1.2 主要设备及分析仪器

3.1.3 制备方法

3.2 Co0.5Zn0.5Fe2O4/PVP前驱体纤维的结构及形貌的演化

3.3 Co1-xZnxFe2O4纳米纤维的结构及形貌

3.4 Co1-xZnxFe2O4纳米纤维的磁性能

3.5 本章小结

参考文献

第四章 NiZn铁氧体微纳米纤维的制备与表征及其掺杂效应

4 1实验部分

4.1.1 实验药品

4.1.2 主要设备及分析仪器

4.1.3 制备方法

4.2 Ni0.5Zn0.5Fe2O4/PVP前驱体纤维的结构及形貌的演化

4.3 Ni1-xZnxFe2O4微纳米纤维的结构及形貌

4.4 Ni1-xZnxFe2O4微纳米纤维的磁性能

4.5 SiO2掺杂对Ni0.5Zn0.5Fe2O4微纳米纤维结构、形貌和磁性能的影响

4.5.1 SiO2对纤维结构的影响

4.5.2 SiO2对纤维形貌的影响

4.5.3 SiO2对纤维磁性能的影响

4.6 Al2O3掺杂对Ni0.5Zn0.5Fe2O4微纳米纤维结构、形貌和磁性能的影响

4.6.1 Al2O3对纤维结构的影响

4.6.2 Al2O3对纤维形貌的影响

4.6.3 Al2O3对纤维磁性能的影响

4.7 本章小结

参考文献

第五章 NiCuZn铁氧体纳米纤维的制备与表征

5.1 实验部分

5.1.1 实验药品

5.1.2 主要设备及分析仪器

5.1.3 制备方法

5.2 Ni0.5Cu0.2Zn0.5Fe2O4/PVP前驱体纤维的结构和形貌的演化

5.3 Ni0.5-xCuxZn0.5Fe2O4纳米纤维的结构与形貌

5.4 Ni0.5-xCuxZn0.5Fe2O4纳米纤维的磁性能

5.5 纳米纤维与粉体的磁性能比较

5.6 本章小结

参考文献

第六章 LiZn铁氧体纳米纤维的制备与表征

6.1 实验部分

6.1.1 实验药品

6.1.2 主要设备及分析仪器

6.1.3 制备方法

6.2 Li0.35Zn0.3Fe2.35O4/PVP前驱体纤维的结构及形貌的演化

6.3 Li0.5-0.5xZnxFe2.5-0.5xO4纳米纤维的结构及形貌

6.4 Li0.5-0.5xZnxFe2.5-0.5xO4纳米纤维的磁性能

6.4.1 焙烧温度对磁性能的影响

6.4.2 化学成分对磁性能的影响

6.5 本章小结

参考文献

第七章 CoNi铁氧体微纳米纤维的制备与表征

7.1 实验部分

7.1.1 实验药品

7.1.2 主要设备及分析仪器

7.1.3 制备方法

7.2 CO0.5Ni0.5Fe2O4/PVP前驱体纤维的结构及形貌的演化

7.3 Co0.5Ni0.5Fe2O4微纳米纤维的磁性能

7.4 本章小结

参考文献

第八章 Fe-Ni合金/镍铁氧体复合微纳米纤维的制各与表征

8.1 实验部分

8.1.1 实验药品

8.1.2 主要设备及分析仪器

8.1.3 制备方法

8.2 纤维的结构

8.3 纤维的形貌

8.4 纤维的磁性能

8.5 本章小结

参考文献

第九章 结论和展望

9.1 结论

9.2 展望

致谢

读博期间的研究成果