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强磁场能将高强度的磁化能无接触的传递到物质的原子尺度,改变原子、分子的排列、匹配和迁移等行为,改变材料的热力学状态,并对材料产生作用力,从而对材料的组织形态、微结构和性能产生巨大而深远的影响,为新材料的制备提供了一种重要手段,具有广阔的发展前景。本文将强磁场极端条件与不同纳米氧化物材料的制备相结合,通过详细的分析和测试手段,得到不同形貌和性能的纳米氧化物材料,并对其形成机制进行了研究。论文的主要内容如下:
1、首次采用强磁场极端条件制备了磁性的γ-Fe2O3纳米管,并对其形成机制进行了探讨。系统研究发现12 T强磁场下可以形成较好的纳米管,在300 K时具有较强的铁磁性。根据热力学原理,提出其形成机制为Fe(NO3)3加热分解生成α-Fe2O3,外加磁场造成了体系的吉布斯自由能降低,从而使生成的α-Fe2O3在磁场的作用下立即转变为γ-Fe2O3,磁化能是γ-Fe2O3形成的驱动力。这为磁性纳米管的制备提供了一种新方法。
2、以表面活性剂(SDBS)作为模板采用溶剂热法合成了中空的、杨梅状的α-Fe2O3微球。微球的尺寸小于3μM,由尺寸在150到400 nm之间、纺锤状的纳米颗粒组成,且这些纳米颗粒的一端朝向同一个中心。当用作光分解水杨酸的催化剂时,表现出较好的催化活性。为其它分层结构材料的合成提供一种简单、廉价的方法。
3、研究了磁场热处理对非晶α-Fe2o3微球相组成、微观结构和磁性能的影响。实验发现,当施加12 T强磁场后,仍为单个微球,微球的相组成中出现了γ-Fe2O3,在室温下具有较强的铁磁性,常规热处理后微球出现了团聚现象;研究还发现当采用14 T磁场处理后,样品中γ-Fe2O3相的含量降低,样品同样具有室温铁磁性。通过强磁场热处理可以有效控制样品的相组成及形貌,进而改善了样品的磁性能。
4、率先将强磁场加工技术应用于未掺杂ZnO纳米颗粒的制备过程,极大改进了ZnO材料的室温铁磁性能。系统研究发现,随着磁场强度的增加,纯ZnO样品在300 K时的饱和磁化强度随之增加,最大值达到0.02 emu·g-1,远远高于目前文献报道的最大值。同时,强磁场还可以改变ZnO纳米颗粒的尺寸和生长行为。应用拉曼、荧光光谱和XRD精修手段分析了ZnO样品磁性的起因,结果表明随着磁场强度增加,样品中间隙Zn的浓度越大,样品的饱和磁化强度也就越高,因此间隙Zn对样品的磁性起着非常重要的作用。本研究工作对进一步揭示ZnO磁性的起源具有重要意义。