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钴铁氧体是一种重要的尖晶石型铁氧体,与其他磁性材料相比,钴铁氧体具有高的磁晶各向异性、高电阻率、高频磁导率等,这些性能使钴铁氧体在磁光记录材料领域具有其他材料无法比拟的优势。近年来,随着纳米科学技术的发展,有关纳米钴铁氧体材料的研究表明,纳米钴铁氧体具有比传统钴铁氧体材料更为优异的性能,在计算机和通讯领域更广的应用前景,因此众多研究论文关注于这一材料的研究。
对纳米钴铁氧体而言,提高其形状各向异性对其磁性能的提高具有重要的意义,考虑到强磁场极强的洛仑兹力和磁力效应,本文针对强磁场下化学共沉淀法制备和热处理纳米钴铁氧体过程开展了试验研究,分析和探讨了磁场对纳米钴铁氧体颗粒形成和长大的影响的机理,以期为控制纳米钴铁氧体颗粒形貌提供一条全新的途径。本文得到以下主要结论:
1.随着磁感应强度的增加,共沉淀法制备的纳米钴铁氧体粉末衍射峰呈现明显锐化,晶化程度提高。磁感应强度由0T上升到10T的过程中,纳米钴铁氧体的剩余磁化强度Mr增加约15倍,饱和磁化强度Ms约增加1.44倍,矩形比M<,r>/M<,s>也由0.029上升到0.314。
2.无磁场及小于2T磁场下,制备的纳米钴氧体颗粒的形貌为单一的球形颗粒。当外加磁场增大到4T时,开始有棒状的纳米钴铁氧体颗粒形成。此时的棒状颗粒实际为球状颗粒聚合成长直链状,而且在球状颗粒之间出现了颗粒的溶合。
3.共沉淀温度在60℃、80℃和92℃时,钴铁氧体前驱体全部转变为单一的钴铁氧体。共沉淀温度提高,钴铁氧体衍射峰有明显的锐化,晶化程度提高,剩余磁化强度Mr、饱和磁化强度Ms和矩形比M<,r>/M<,s>提高。共沉淀温度为60℃时,钴铁氧体颗粒是球形的;当共沉淀温度为80℃和92℃时,有球形钴铁氧体颗粒形成的同时,有棒状钴铁氧体颗粒形成。
4.共沉淀反应中的前驱体浓度较高时,在强磁场下制备得到棒状的纳米钴铁氧体,当前驱体浓度很低时,制备得到饼状的纳米钴铁氧体。
5.强磁场驱使的定向排列生长机制和气体搅拌和热运动所造成的扰乱机制相互竞争,决定纳米钴铁氧体的最终形貌。当磁场强度大到使定向排列机制起主导作用时,纳米钴铁氧体呈棒状生长;当扰乱机制起主导作用时,纳米钴铁氧体呈无序的堆积生长。浓度很小时,因纳米钴铁氧体颗粒具有更大的自由度,由于强磁场对纳米粒子形成的磁双极效应,导致纳米钴铁氧体颗粒呈饼状生长。6.棒状晶粒具有更趋完整的晶型和更好的形状各向异性,而这种有序的排列生长和形状各向异性的提高,使磁畴排列也更趋于有序。从而,技术磁化时材料磁化得更彻底,饱和磁化强度(Ms)和剩余磁化强度(Mr)增大,矩形比(Mr/Ms)也将提高。
7.对钴铁氧体热处理进行时,随着热处理温度的升高和外加磁场磁感应强度升高,钴铁氧体的衍射峰强度提高,晶化程度提高,磁性能各项参数也提高。
8.对钴铁氧体进行磁场热处理时,热处理温度必须高于钴铁氧体的居里温度(520℃),才能使磁性能提高。
总之,通过在强磁场下用化学共沉淀法制备纳米钴铁氧体,我们发现强磁场可以改变纳米钴铁氧体的形貌,甚至可以实现纳米粒子的有序组装,提高晶化程度和磁性能,从而为高性能各向异性纳米磁性材料的制备提供了一个全新的途径。