基于磁交换耦合软-硬磁铁氧体复合纳米纤维的可控制备及电磁特性

A new sol-electrospinning technique with high efficient, low cost and controllable process is developed using organic complex hydrosol instead of alcosol to prepare advanced soft (spinel type)/hard magnetic (magnetoplumbite type) ferrite composite nanofibers. The relationship between the precursor spinnability, heat-treatment, phase formation process and composition, structure, properties of composite nanofibers (Ni-Zn)Fe2O4/SrFe12O19 is studied. The phase distribution, composition, grain size, fiber diameter and arrangement of composite nanofiber are effectively controlled by optimizing the composition and process parameters. Then the effect of the composition, microstructure, diameter and aspect ratio on electromagnetic proterties of composite nanofiber are explored. The magnetic exchange interaction mechanism of soft/hard magnetic ferrite composite nanofibers is revealed. An one-dimensional theory model is established. The research results will be helpful to further develop the synthesis technology and discuss the formation mechanism of advanced one-dimensional nano composite materials and devices, and promote the application of the soft/hard magnetic ferrite composite nanofibers in many fields, such as the biological technology, advanced microwave absorption, permanent magnetic material, and micro-nano functional device.

本项目采用有机络合物水溶胶代替高分子醇溶胶，开发一种高效、低成本、能够可控制备新型软（尖晶石型）/硬（磁铅石型）磁铁氧体复合纳米纤维的溶胶电纺丝新技术。以(Ni-Zn)Fe2O4/SrFe12O19为主要研究对象，研究溶胶先驱体可纺性、素丝热处理及相形成过程与复合纳米纤维组成、结构及特性之间的关系，通过优化组成和制备工艺，实现软/硬磁的相分布、化学组成、晶粒尺度、纤维直径及排列的可控。探索软/硬磁铁氧体复合纳米纤维的化学组成、微观结构、直径大小、长径比等因素对其电磁性能的影响规律，揭示软/硬磁铁氧体复合纳米纤维的磁交换耦合作用机制，建立复合纳米纤维的一维理论模型。本项目的研究成果对探索先进一维纳米复合材料及器件的合成技术和形成机理，以及推动软-硬磁铁氧体复合纳米纤维在生物技术、先进吸波材料、新型永磁体、微纳磁性功能器件等领域的应用均有着重要的研究意义。

磁性纳米复合材料是指在纳米尺度内由软/硬磁两相复合而成的一种新型磁性材料。当软/硬磁两相间存在强烈的交换耦合作用时，在保持了各组分本征性能的同时，又可获得多种奇异特性，如巨磁阻效应、巨霍尔效应和小尺寸效应等，因此作为一种新型功能材料在电磁波吸收、磁记录、永磁材料等领域有着广阔的应用前景。一维或准一维磁性材料因其具有独特的形状各向异性和限域作用，有效提高软硬磁之间的交换耦合作用，从而拓宽对电磁波吸收的频带，提高吸收性能，被认为是一种具有良好应用前景的磁性材料。本项目以无机金属盐、柠檬酸等为主要原料，采用溶胶电纺丝技术制备了软硬磁复合纤维，对复合纤维前驱体溶液的可纺性、前驱体纤维热转化过程、复合纤维的结构、电磁性能进行了表征。主要结论如下：.1. 前驱体溶胶可纺性研究。从化学反应的观点出发，对溶胶可纺性进行了研究和探讨。结果表明：当柠檬酸根与金属离子的比例在1.8~2.5，pH值为4-5，PVP含量在8%-10%，固相含量在20%-30%时，柠檬酸根在溶液中主要以Hcit2-形式存在，且与金属离子螯合形成线性分子，前驱体凝胶具有较好可纺性。.2. SFO/NZFO软硬磁复合纤维的制备和结构、形貌表征。采用溶胶电纺丝技术制备了一系列SFO/NZFO前驱体复合纤维。结果表明，对于不同软硬磁相比例的复合磁性纤维，当煅烧温度为900℃时，可以得到纯相的SFO/NZFO复合铁氧体纤维，软硬磁相的晶粒尺寸在20nm左右，纤维直径在1μm左右，SFO相和NZFO相在纤维长度方向上随机相互堆积排列。.3. SFO/NZFO软硬磁复合纤维的磁交换耦合作用。通过对复合纤维磁性能的表征，研究了物相、微观结构和形貌对软硬磁复合纤维磁交换耦合作用的影响，并探讨了相关的物理机制。结果表明，在900和1000℃所得复合纤维的NZFO相的晶粒尺寸为10-20nm，满足产生超交换耦合效应的Kneller超交换耦合模型。.4. SFO/NZFO软硬磁复合纤维的微波吸收性能及机理。本项目揭示了软硬磁复合纤维的物相、微观结构和形貌与电磁波吸收特性三者之间的关系。结果表明，本项目制备的复合纤维在不同质量比下，其反射率小于-20dB的频率达到了10GHz，显示了优异的微波吸收性能。运用交换耦合理论解释了软硬磁复合纤维的微波吸收特性随组分和厚度的变化趋势，研究结果发现4mm时为软硬磁复合纤维理想的匹配厚度。