二氧化硅基纳米磁性复合体的合成、表征及性能研究

《二氧化硅基纳米磁性复合体的合成、表征及性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文中文摘要由非磁性的绝缘氧化物基体和镶嵌在其中的磁性纳米颗粒组成的磁性纳米复合材料引起了材料研究者的广泛关注。利用溶胶－凝胶工艺所制备的多孔二氧化硅是多种纳米材料的优良载体，其多孔特性可为磁性纳米粒子提供成核位置，将颗粒间的团聚减到最少并能控制颗粒尺寸大小。本论文以γ-Fe2O3/SiO2、NiFe2O4以及CoFe2O4/SiO2三个体系的纳米复合体为研究对象，详细研究了体系中磁性颗粒的生长机理、磁性颗粒生长过程中颗粒与基体之间的作用力演变及这种演变对体系结构与磁性能的影响。对影响复合体中磁性颗粒尺寸与尺寸分布的各种因素进行了探讨。具体研究内容如下：以硝酸铁和正硅酸乙酯分别作为氧

2、化铁和SiO2的前驱体，通过溶胶－凝胶工艺成功制备了γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体。与以往γ-Fe2O3/SiO2体系的研究中仅选用铁的硝酸盐为氧化铁前驱体不同的是，本文在制备γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体时还同时选用铁的氯盐作为氧化铁前驱体并将实验结果与利用铁的硝酸盐为氧化铁前驱体所获研究结果进行对比。若使用氯化铁为氧化铁前驱体，γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体SiO2基体中则会生成α-Fe2O3。当干凝胶热处理温度较低时（T<400℃），复合体（硝酸铁为前驱体）以非晶态存在。当热处理温度到达600℃时，γ-Fe2O3粒子在SiO2基体中大量形成。随着热处理温度的进一步升高，粉体

3、中开始有α-Fe2O3杂质生成。以往的研究多通过调节前驱体浓度或热处理温度来调控复合材料中γ-Fe2O3颗粒的大小及颗粒尺寸分布，结果导致获得的材料不是晶粒尺寸过小就是颗粒尺寸分布太宽，甚至导致复合材料中出现α-Fe2O3杂质，本文的不同之处在于通过对添加剂盐酸加入量的调节来改变γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体中γ-Fe2O3粒子的大小一般在5.2～17.5nm之间，并改善颗粒尺寸分布情况。研究发现随着盐酸使用量的增加，所制备的γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体会发生从超顺磁性到铁磁性的转变。在所选定的实验条件下，所制备4-1的γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体的矫顽力值高达1.99×10

4、A·m，是纯颗粒状γ4-1-Fe2O3材料矫顽力值(～0.59×10A·m)的3倍以上。以正硅酸乙酯和硝酸钴、硝酸铁分别作为SiO2和铁氧体的前驱体，通过溶胶－凝胶工艺成功将CoFe2O4纳米颗粒分散于SiO2基体中，制备出了CoFe2O4/SiO2纳米复合体。当干凝胶热处理温度在400℃以下时，材料以非晶态存在；当热处理温度达到400℃时，SiO2基体中开始有CoFe2O4团簇形成；当热处理温度达到600℃时，CoFe2O4团簇开始大量形成，当热处理温度达到800℃时就在SiO2基体中形成了CoFe2O4纳米颗粒。CoFe2O4磁性纳米粒子的生成伴随着二氧化硅网络的重组以及金属离子与二氧化

5、硅基体之间相互反应的加强。但V二氧化硅基纳米磁性复合体的合成、表征及性能研究当热处理温度升高到800℃时，基体中纳米磁性粒子与基体间的反应会明显减弱，甚至消失。以CoFe2O4/SiO2纳米复合体为对象，研究了溶胶－凝胶工艺中不同的工艺参数对复合体中磁性颗粒大小及粒径分布的影响。通过对制备工艺条件中的酸环境、凝胶干燥温度和前驱体浓度的调节，实现了对纳米复合体中磁性颗粒的大小和尺寸分布的有效调控。研究发现前驱体中添加了盐酸的CoFe2O4/SiO2纳米复合体中CoFe2O4颗粒的尺寸比没有添加酸的试样的大。此外，添加盐酸还可以大大减小最终CoFe2O4颗粒的б/μ值。通过对凝胶干燥温度的调节可

6、改变二氧化硅基纳米磁性复合粉体中磁性粒子大小，并改善其颗粒尺寸分布情况。提高凝胶干燥温度有利于形成完整的二氧化硅网络，而完整的二氧化硅网络结构又可限制CoFe2O4晶粒的生长，从而实现CoFe2O4晶粒的有效细化。。前驱体浓度大小的变化可带来样品磁性能从超顺磁性向铁磁性的转变。二氧化硅基纳米磁性复合体的磁性能显示出极强的颗粒尺寸效应。磁性复合体的饱和磁场强度随着颗粒尺寸的增加而增大，纳米颗粒相对大块材料所发生的结构变化是引起复合体饱和磁场强度值减少的主要原因。在本实验条件下所制备的纳米复合体具有高的矫顽力值，在所选定的实验条件内，CoFe2O4/SiO2纳米复5-1合体的矫顽力最大值可达1.

7、59×10A·m，是纯CoFe2O4大块材料矫顽力值(～5-10.78×10A·m)的两倍以上。本文还以正硅酸乙酯和硝酸镍、硝酸铁分别作为SiO2和铁氧体的前驱体，通过溶胶－凝胶工艺成功将NiFe2O4纳米颗粒分散于SiO2基体中而制得NiFe2O4/SiO2纳米复合体。经150℃干燥、800℃热处理工艺合成的NiFe2O4/SiO2纳米复合体（[Fe]/[Si]≤13.5％）在室温下显示超顺磁性。随着前驱体