纳米复合软磁材料
1 引言
软磁材料用作交流电力和电子设备，要求磁芯材料具有高饱和磁化强度、高居里温度、高起始磁导率和低涡流损耗、低磁滞损耗及低介电损耗，即有“三高二低”性能。通常，在所有磁性材料中，金属合金的软磁特性最好，但它们的电阻率太低 ，在高于100kHz频率下工作会导致大得不可接受的涡流损耗，即使制成薄带形式也是如此。因此，作为高频用磁芯，习惯上都只选择铁氧体，因为它们的电阻率高。但是和金属磁性材料比起来，铁氧体存在三大基本缺陷；（1）饱和磁化强度低；（2）起始磁导率低；（3）居里温度低。由于这些原因，磁性元件严重地阻碍了电子元件小型化的进程。
纳米复合工艺，可提供一种制造具有新奇电磁性能材料的新途径。在磁/陶瓷纳米复合材料中，电阻率可奇迹般地增大；相邻纳米磁性粒子间的交换耦合，将克服各向异性，战胜单个粒子的退磁效应，从而使软磁性能比传统（大晶粒尺寸）材料提高很多。近来，已开发出纳米结构Fe-M-O(M=Hf，Zr，Al，Si或稀土元素）薄膜，和纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B合金。在这些材料中，观测到它们的软磁性能极大的改善。
多数电子元件中都使用大尺寸磁芯，制作薄膜的方法不适用于大尺寸元件的制造，而纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B合金不能够用在高频下工作。为了制出Co/SiO2纳米复合材料（以后称n-Co/SiO2），用作大尺寸磁芯，进行了系统地研究。本文报告n-Co/SiO2系材料结构、静态和动态磁性的实验结果。
2 实验结果与分析
2.1样品的制备和结构的确定
采用湿式化学工艺合成 粉，其中，Co占的体积百分数0.4≤x≤0.9。制作步骤如下：
（1）制作含Co和 的原母质；
（2）搅拌母质，制成含Co和 的胶体溶液；
（3）将溶液退火，形成 纳米复合粉；
（4）压实磁粉，形成环形样品。
运用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和核磁共振（NMR）技术，确定制备态粉体的结构。所有 样品的衍射峰都和面心立方（fcc）Co的峰匹配，未检测到六角密堆积（hcp）Co峰。另外，XRD图形显示，无结晶 的衍射峰。还用这些样品完成了NMR实验。结果证实，在显微镜标度范围均为fcc结构，无hcp Co轨迹。NMR检验还揭示，各个样品中的所有粒子都是单畴。图1（略）给出合成态 样品的典型TEM照片。TEM研究披露，这种纳米晶复合材料系两相结构，其中的Co纳米粒子被非晶 相包围着。经过对TEM图象尺寸的分析判定，Co粒子的平均尺寸为30nm。
2.2磁性能及其分析
用SQUID磁强计，在10K和室温测得粉末试样的静态磁化曲线和矫顽力。磁环的交流磁性能，用磁滞回线示踪仪和阻抗电桥测定。为了把测得这些样品的磁矩，σ（单位emu/g）转换成磁化强度，M（单位G），采用了下列方程式。
d=xdm+(1-x)dn和M=σd (1)
式中，dm=8.9g/cm3和dn=2.5g/cm3，分别是Co磁性相和SiO2非磁性相的密度；d—— 的密度。
图2示出n-Cox/(SiO2)1-x粉末试样（闭环）饱和磁化强度MS测量值与Co体积百分数的关系曲线。为作比较，图2中还给出普通Co（Msm=1446G）的饱和磁化强度乘上Co体积百分数，即MS=xMsm计算出的饱和磁化强度（开环）。从中可以看出，测量值和计算值很接近，这说明用选定的合成方法，化学反应完全。关于粉末试样的矫顽力，通过控制晶粒尺寸和Co的体积百分数，可将其降到20～500Oe内。

图2 n-CoX/(SiO2)1-X的饱和磁化强度与Co体积百分数之关系：O：实验结果：计算值
图3是用n-Co0.5/(SiO2)0.5磁环测得复数磁导率，μ=μ′-jμ″随频率的变化（圆圈）。图中还给出NiFe2O4铁氧体μ随频率的变化（线），以作比较。从图3看到， 样品的μ′=16，直到最高测试频率240MHz的频响都十分平滑。在这个研究的频率范围内，其Q值大于30。与之相反，Ni铁氧体的μ′低，超过100MHz，它们的μ′和μ″值就迅速变得不适用。这些结果证实， 的高频磁性能优于NiFe2O4。


2.3讨论
在努力降低合金涡流损耗的工作中，曾开发过粉末磁性材料。这些粉末材料是由磁性相（通常为过渡金属或合金）和非磁性相（绝缘子）构成的复合物，磁性粒子埋在绝缘子母体中。这些磁性粒子的大小为微米级。这种粉末材料虽因引进绝缘成分而显著提高了电阻率，但由于退磁效应，使其软磁特性严重下降。因此，普通金属粉末材料的磁导率，比用相应金属或合金可得到的值低得多。此外，粉末材料总的电阻虽有很大提高，但就每个金属粒子而言，其值仍然低。当将它们用到>1MHz的频段时，粒子内产生的涡流仍是一个严重问题。
当其把它的结构单元减至纳米尺度以下时，在复合系统中就获得了完全不同的性能。引进晶粒内部磁有序的交换作用，也会以特征距离（所谓“交换长度” ，在纳米范畴内）伸到相邻环境（通过自旋极化或超交换作用机制）。就普通的粉末材料而言，交换耦合效应仅在粒子的界面区域中存在，并且很不明显。但是，若把粒子间的间隔减至接近 ，那么，在每个粒子大的体积内都可能发生晶间交换作用，并趋向于使邻近粒子的磁矩定向排列。在这种场合，交换耦合在确定系统的磁结构中起着重要作用，在这个作用下，材料将会拥有各种不同于大晶粒材料的性能。因而在磁性粒子间距远小于1ex的纳米复合材料中，交换耦合已含盖了粒子的整个体积。这样，每个粒子都会受到来自周围有不同磁矩取向的粒子的交换作用，从而抵消每个粒子的磁各向异性。结果，这种交换耦合纳米复合材料的磁导率，就可能会比大晶粒材料的磁导率高得多。
在制造金属磁性体/绝缘纳米复合软磁材料的时候，其基本要求是：
（1）磁性成份的晶粒尺寸应小于交换长度。对于Co，这个值约为30nm。
（2）绝缘成份应当能在相邻磁性粒子间提供交换作用。根据实验结果得知，在选取无机材料作绝缘成分时，它必须处于具有氧化物状短程有序的非晶态。
（3）除了利用交换耦合之外，磁性粒子的磁晶各向异性小，也是一条基本的要求。从这点看来，Co纳米粒子应当具有fcc结构，并须避免hcp结构。
（4）化学反应过程应该完全，为的是使盐中所有的金属离子都还原成金属，保证粒子的尺度小。新近的研究表明， 能够提供晶间交换作用。通过鉴定 纳米复合物，Co成分的纳米尺寸和fcc结构， 涂层的非晶态，化学反应完全，这一切都证明，本研究中选定的工艺方法是完全正确的。将来的工作，是进一步提高材料的起始磁导率。
传统磁性材料中，磁晶各向异性主要确定它们的磁结构和磁化过程（静态和动态的）。例如，畴壁共振和铁磁共振，会阻碍复数磁导率的高频响应，而这两者都与各向异性有关。为了提高这些共振频率，因此提高材料的截止频率，必须增大磁晶各向异性，但这要以牺牲它的起始磁导率为代价。不过，在纳米复合材料中，每个磁性粒子都是单畴，起着单磁矩一样的作用。磁结构与现在也很不相同，因为它的结构是由交换耦合决定的，而不是由各向异性决定，导致有利的非传统磁化过程。纳米复合磁性粒子内没有畴壁，就将不存在传统的畴壁共振，或者会使共振频率大幅度上移。看来，这就是为什么在我们这里和以前的研究中观察到纳米复合材料具有甚高截止频率的缘故。
3 结论
根据目前对 的研究，我们可以把纳米复合磁性材料优于铁氧体和粉末磁性材料的地方概括如下：
（1）除了总电导率减小了之外，纳米复合材料中纳米级磁性粒子内产生的涡流，直到GHz频段都小到可以忽略不计。
（2）可以选择象Fe和Co这样具有高饱和磁化强度和高居里温度的金属元素作为纳米复合材料的磁性成分，就会制得本征磁性能高过铁氧体的金属材料。
（3）邻近纳米粒子间的晶间交换作用，使每个粒子的磁晶各向异性最终达到平衡，并战胜由磁介质不连续产生的退磁效应，结果形成的磁软性高于从普通（大晶粒）材料得到的性能。
（4）虽然至今从理论上还没有搞清楚，但纳米复合系统的磁结构，可拥有有利的高频动态特性。在纳米结构薄膜和在这种大尺寸 纳米复合材料中，观测到甚高、同时增强的起始磁导率与截止频率，在任何情况下，用传统磁性材料是绝对得不到的。要开发出高频纳米复合软磁材料，研究磁化动力学是关键的一步。■

参考文献
1、IEEE Tr on Maghetics.vol37No4.2001.2275～2277