二氧化硅基纳米磁性复合体的合成、表征及性能研究

论文题目: 二氧化硅基纳米磁性复合体的合成、表征及性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 黄祥卉

导师: 陈振华

关键词: 磁性纳米复合体,溶胶凝胶工艺,二氧化硅,氧化铁,钴铁氧体,镍铁氧体,磁性能

文献来源: 湖南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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,所制备的γ-Fe2O3/SiO2纳米复合体的矫顽力值高达1.99×104 A·m-1,是纯颗粒状γ-Fe2O3材料矫顽力值（～0.59×104 A·m-1）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硅基体之间相互反应的加强。但

论文目录:

中文摘要

Abstract

插图索引

附表索引

第1章绪论

1.1 磁性纳米材料

1.1.1 磁性纳米材料的类别

1.1.2 尖晶石型铁氧体

1.1.3 纳米磁性材料的主要特性

1.2 纳米复合材料概述

1.2.1 纳米复合材料的定义

1.2.2 纳米复合材料的分类

1.3 纳米磁性复合材料及其研究现状

1.3.1 聚合物基纳米磁性复合材料

1.3.2 陶瓷基纳米磁性复合材料

1.4 二氧化硅干凝胶基质中磁性纳米粒子的原位合成原理

1.5 纳米磁性复合材料集合体的磁学特征

1.5.1 不考虑纳米磁性微粒间相互作用的磁学特征

1.5.2 考虑纳米磁性微粒间相互作用的磁学特征

1.6 纳米磁性复合材料的应用

1.7 选题的目的、意义及内容

1.7.1 选题目的及意义

1.7.2 主要研究内容

第2章二氧化硅干凝胶基质中磁性纳米粒子的原位合成工艺过程及表征

2.1 工艺流程

2.2 实验原料及设备

2.3 分析表征方法

2.3.1 结构与组成分析

2.3.2 显微组织结构观察与分析

2.3.3 热分析

2.3.4 磁性能测试

第3章溶胶-凝胶工艺制备γ-Fe_2O_3/SiO_2纳米复合体及其影响因素研究

3.1 引言

3.2 γ-Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体的制备工艺

3.2.1 实验原料

3.2.2 工艺流程及参数

3.3 氧化铁前驱体种类对 Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体的影响

3.3.1 γ-Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体的 XRD 分析

3.3.2 前驱体种类对纳米复合体中氧化铁晶相的影响机理研究

3.4 温度对 Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体相结构的影响

3.4.1 Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体的相结构分析

3.4.2 样品的 IR 分析

3.4.3 γ-Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体中氧化铁粒子生成机理

3.5 添加盐酸对纳米复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响

3.5.1 γ-Fe_2O_3 颗粒的平均尺寸及多分散度随盐酸的添加量的变化规律

3.5.2 添加盐酸对纳米复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响机理

3.6 Fe_2O_3/SiO_2 纳米复合体的磁性能研究

3.7 本章小结

第4章 CoFe_2O_4/SiO_2纳米复合体的合成及结构特征

4.1 引言

4.2 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的制备工艺

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验过程及参数

4.3 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的干凝胶的热处理过程分析

4.4 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的相结构分析

4.5 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的拉曼光谱分析结果

4.6 热处理温度对 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体磁性能的影响及机理

4.7 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的红外光谱分析结果

4.8 CoFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的电子显微镜分析

4.8.1 透射电镜及微区电子衍射分析结果

4.8.2 扫描电镜及能谱分析结果

4.9 本章小结

第5章影响纳米磁性复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布的因素研究

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验过程及具体参数

5.3 盐酸添加量对 CoFe_2O_4/SiO_2 复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响

5.3.1 复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布随盐酸添加量的变化

5.3.2 样品的磁性能随酸添加量的变化

5.3.3 盐酸添加对复合体中磁性颗粒平均尺寸及多分散度的影响机理

5.4 凝胶干燥温度对复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响

5.4.1 复合体中磁性颗粒平均尺寸及多分散度随凝胶干燥温度的变化

5.4.2 凝胶干燥温度对复合体中磁性颗粒平均尺寸及其分布的影响机理

5.5 前驱体浓度对复合体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响

5.5.1 复合体中磁性颗粒平均尺寸及多分散度随前驱体浓度的变化

5.5.2 磁性能的颗粒尺寸效应及原理分析

5.6 本章小结

第6章 NiFe_2O_4/SiO_2纳米复合体的合成及结构特征

6.1 引言

6.2 NiFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的制备工艺

6.2.1 实验原料

6.2.2 实验过程及参数

6.3 NiFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体干凝胶的热处理过程分析

6.4 NiFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体样品的相结构分析

6.5 NiFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的拉曼光谱分析

6.6 NiFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体的红外特征分析

6.7 NiFe_2O_4/SiO_2 纳米复合体样品的电子显微镜分析

6.7.1 透射电镜及微区电子衍射分析结果

6.7.2 扫描电镜及能谱分析结果

6.8 复合体的磁性能

6.9 凝胶干燥温度对纳米复合体中 NiFe_2O_4 颗粒大小的影响

6.10 前驱体浓度对纳米复合体中磁性颗粒尺寸及磁性能的影响

6.11 纳米复合体磁滞回线的偏移研究

6.11.1 磁滞回线的偏移

6.11.2 磁滞回线偏移现象的机制

6.11.3 磁滞回线偏移现象的应用

6.12 本章小结

结论

参考文献

附录攻读学位期间发表的论文

发布时间: 2006-05-10

参考文献

[1].二氧化硅/硅橡胶复合材料的界面作用及增强机制[D]. 宋丽贤.中国科学技术大学2017

二氧化硅基纳米磁性复合体的合成、表征及性能研究

猜你喜欢