多元尖晶石鐵氧體基微納米纖維的電紡制備、表征與磁性能研究.pdf

1、近年來(lái),一維磁性納米材料如納米管、納米帶、納米線和納米纖維等因其新奇的物理和化學(xué)性質(zhì)以及在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面的重要價(jià)值而受到人們的廣泛關(guān)注。它們不但具有普通納米粒子的各種特殊效應(yīng),而且還具有獨(dú)特的形狀各向異性和磁各向異性,可以突破各向同性粉體材料對(duì)電磁性能的限制,被認(rèn)為是構(gòu)筑新型電磁光功能材料與器件的重要組元,有望在高密度磁記錄、磁傳感器、磁性復(fù)合材料、微納功能器件、自旋電子器件、電磁波吸收、催化以及生物醫(yī)學(xué)等方面得到實(shí)際應(yīng)用。在制

2、備一維微納米結(jié)構(gòu)材料的眾多方法中,高壓靜電紡絲技術(shù)不僅具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、可大量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì),更重要的是應(yīng)用范圍廣泛,而且所得的纖維均勻、連續(xù)、直徑可控、長(zhǎng)度可達(dá)宏觀尺度。尖晶石鐵氧體是一種在工業(yè)和日常生活中應(yīng)用非常廣泛的磁性材料,它們的性質(zhì)與其化學(xué)組成和形貌及微觀結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。目前有關(guān)尖晶石鐵氧體一維微納米結(jié)構(gòu)的研究主要集中在單元尖晶石鐵氧體方面,而對(duì)性能優(yōu)越和應(yīng)用范圍更為廣泛的多元尖晶石鐵氧體的研究較少。為此,多元尖晶石鐵

3、氧體一維微納米結(jié)構(gòu)及其相關(guān)復(fù)合材料的研究將具有非常重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本論文以高壓靜電紡絲技術(shù)為基礎(chǔ),與溶膠-凝膠技術(shù)和熱處理過(guò)程控制相結(jié)合,圍繞著一維多元尖晶石鐵氧體微納米纖維及其相關(guān)復(fù)合材料的可控制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控與磁性能進(jìn)行研究,主要工作和創(chuàng)新成果如下:
　　 1.多元尖晶石鐵氧體微納米纖維。以PVP為絡(luò)合劑,分別與相關(guān)無(wú)機(jī)鹽反應(yīng)制得前驅(qū)體溶液,利用靜電紡絲技術(shù)先制備出PVP／無(wú)機(jī)鹽的復(fù)合微納米纖維,然后

4、將得到的PVP／無(wú)機(jī)鹽復(fù)合微納米纖維經(jīng)適當(dāng)?shù)母邷乇簾幚慝@得了所需要的無(wú)機(jī)物微納米纖維。(1)可控制備了二元尖晶石型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)鐵氧體微納米纖

5、維。(2)采用TG-DTA、FHR、XRD、SEM、(HR)TEM、SAED、EDS和VSM等技術(shù)對(duì)所制備的微納米纖維進(jìn)行了表征,系統(tǒng)研究了焙燒溫度和化學(xué)組成對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和宏觀磁性能的影響,并對(duì)其因?yàn)檫M(jìn)行了分析和討論。(3)初步認(rèn)識(shí)和揭示了一維或準(zhǔn)一維多元尖晶石鐵氧體的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)Co1-xZnxFe2O4微納米纖維的晶格常數(shù)隨Zn含量的變化呈一種非單調(diào)行為,不滿足Vegard定律,而Ni1-xZnxFe2

6、O4和Li0.5-0.5xZnxFe2.5-0.5xO4微納米纖維的晶格常數(shù)則隨Zn含量的變化基本符合Vegard定律；確定了多元尖晶石鐵氧體微納米纖維Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Co0.5Zn0.5Fe2O4、Co0.5Ni0.5Fe2O4、Li0.35Zn0.3Fe2.35O4及Ni0.3Cu0.2Zn0.5Fe2O4的單磁疇臨界尺寸,分別在33、39、30、35和53 nm左右；在單疇范圍內(nèi),建立了Co0.5Zn0.5Fe2O

7、4、Co0.5Ni0.5Fe2O4及Ni0.3Cu0.2Zn0.5Fe2O4微納米纖維的矯頑力與其晶粒尺寸的依賴關(guān)系,分別與其平均晶粒尺寸的0.65、0.70和0.71次方成正比,驗(yàn)證了隨機(jī)各向異性模型對(duì)一維納米體系所預(yù)測(cè)的結(jié)果(即Hc∝D2／3)。(4)此外,還分別探討和表征了Ni0.5Zn0.5Fe2O4和Ni0.3Cu0.2Zn0.5Fe2O4微納米纖維的磁各向異性以及纖維與其相應(yīng)粉體在磁學(xué)行為上的差異,并合理解釋了引起這種差異的

8、因?yàn)椤?br>　　 2.多元尖晶石鐵氧體／非磁性氧化物復(fù)合微納米纖維。在成功制備出NiZn鐵氧體微納米纖維的基礎(chǔ)上,結(jié)合溶膠.凝膠技術(shù),采用靜電紡絲法合成了Ni0.5Zn0.5Fe2O4／SiO2和Ni0.5Zn0.5Fe2O4／Al2O3復(fù)合微納米纖維。研究了SiO2和Al2O3對(duì)Ni0.5Zn0.5Fe2O4微納米纖維的物相、微觀結(jié)構(gòu)及形貌和宏觀磁性能的影響規(guī)律,并探討了相關(guān)的物理機(jī)制。發(fā)現(xiàn)引入非晶SiO2和Al2O3非磁性氧化物

9、是調(diào)控尖晶石鐵氧體微納米纖維微觀結(jié)構(gòu)及磁性能的一條有效途徑。
　　 3.尖晶石鐵氧體／磁性合金復(fù)合微納米纖維。結(jié)合部分還原過(guò)程控制技術(shù),利用靜電紡絲法制備了平均直徑約為170nm的鎳鐵氧體／Fe-Ni合金微納米纖維,研究了它們的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成、微觀形貌和宏觀磁性能,并與還原前的純鎳鐵氧體微納米纖維進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)所制備的復(fù)合微納米纖維由面心立方(FCC)、體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)Fe-Ni合金和尖晶石結(jié)構(gòu)鎳鐵氧體所構(gòu)成,Fe-