铁氧体纳米结构的发热特性与微磁学模拟的研究

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纳米材料的研究,由于其表现出的特殊性能,在国内外是材料学科研究中的前沿热门课题。纳米材料的磁感应发热特性在靶向肿瘤治疗中的潜在应用吸引了众多的研究兴趣。磁感应发热具有三个特点:自发热、自控温度以及有选择地局部加热。其发热特性的机制和来源的研究具有重要的科学意义和应用价值。 近十年来微磁学模拟越来越成为研究磁性材料的非常重要也是十分必要的方法。通过微磁学模拟能揭示磁性材料内部的磁矩分布,畴壁的演化情况,比如它的形成、传播、收缩和移动等,从而反映出磁化成核和磁化反转的机理。对于实验的研究具有较大的帮助和直接的指导。 本论文的主要工作可分为三个部分 1、研制了频率范围为50~200KHz的高功率感应发热测量设备,交流磁场可达80mT以上,温度测量采用自制的温度自动采集系统。 2、对系列的铁氧体纳米结构材料的磁感应发热特性进行了系统的初步研究,主要结果为: (1)用化学共沉淀法制备了一系列不同的掺钴含量的钴铁氧体纳米颗粒,由X射线衍射确定其为立方尖晶石结构,形貌测量表明颗粒尺寸为15-20nm。 (2)用高频磁感应加热设备对不同钴含量的钴铁氧体纳米颗粒的高频磁感应发热特性进行了研究,实验发现,随着钴含量的增加,钴铁氧体纳米颗粒的发热效率增大,特别是Co<,1.2>Fe<,1.8>O<,4>纳米颗粒具有远大于其他铁氧体纳米颗粒的发热效率。 (3)对Fe<,3>O<,4>纳米颗粒、Fe<,3>O<,4>纳米颗粒链的磁感应发热特性进行了初步的研究,实验发现,由于具有更大的形状各向异性,Fe<,3>O<,4>纳米颗粒链具有比Fe<,3>O<,4>纳米颗粒更好的发热效率。 (4)同时在论文中讨论了磁场以及磁性液体的含量、胶粘程度对发热效率和温度的影响,并对发热机制进行了初步的探讨。 3、我们利用微磁学模拟的手段对Fe<,3>O<,4>纳米颗粒、一维Fe<,3>O<,4>纳米颗粒点阵以及单根Fe<,3>O<,4>纳米线在常温下的磁行为进行了系统的研究,结果表明Fe<,3>O<,4>纳米颗粒点阵的磁行为随着其内部颗粒间距的减小,各颗粒间的影响增加显著;当颗粒间重叠达到80nm时,Fe<,3>O<,4>纳米颗粒链的磁行为与同直径等尺度的纳米线非常相似;一维纳米点阵颗粒间距达到40nm时,各纳米颗粒零磁场平衡状态下的磁矩分布与单个Fe<,3>O<,4>纳米颗粒时相同。对单个半径为80nm的Fe<,3>O<,4>纳米颗粒的微磁学模拟得到特殊形状的磁滞回线,对其形成原因作出了合理解释。 我们对Ni、Co、NiFe、Fe4种典型的强磁材料形成的纳米接触进行了微磁学模拟,得出的结论如下: (1)纳米接触处是否能够形成畴壁结构与纳米接触的锥角密切相关,对于NiFe纳米接触器件,可以形成很好的畴壁结构的最佳锥角为10°,而Ni却在140°. (2)纳米接触处是否能够形成畴壁结构与形成纳米接触的材料密切相关,其中Ni和NiFe合金最易在纳米接触附近出现畴壁,而Fe和Co却不易在纳米接触点上捕捉住畴壁,这与涡旋结构的磁矩分布有很大关系。
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