摘 要

磁性纳米粒子因其在磁机械换能器中的潜在应用而引起人们的广泛关注。在这篇论文中我们采用了一种新的技术手段，通过磁场辅助水热合成超磁致伸缩响应极限的Fe₃O₄纳米粒子。与在零磁场下生长的磁铁矿样品相比，磁场合成的Fe₃O₄在低饱和磁场下的磁致伸缩增强值高达68 ppm。利用磁耦合的唯象模型能够很好地解释磁场合成Fe₃O₄中磁致伸缩响应的增强现象。我们还观察到磁场可以加速成核速率，从而减小颗粒尺寸，这个发现可以用基于我们模型的磁能项经典成核理论来解释。

关键词：磁耦合 磁致伸缩 材料设计

Enhanced magnetostrictive properties of magnetite nanoparticles through magnetic field-assisted hydrothermal synthesis

Abstract

Magnetic nanoparticles have attracted much attention due to their potential applications in magnetomechanical transducers. Here, we adopt a novel technique to exceed the magnetostrictive response limit of magnetite (Fe₃O₄) nanoparticles via magnetic field-assisted hydrothermal synthesis. Compared with the magnetite sample grown under zero magnetic field, the magnetic field-synthesized Fe₃O₄ exhibits enhanced magnetostriction value as large as 68 ppm at low-saturation field. Using a phenomenological model of magnetomechanical coupling, the observed enhancement of magnetostrictive response in magnetic field-synthesized Fe₃O₄ can be well explained. We also observe that the application of a magnetic field can accelerate the nucleation rate and thereby decrease the particle size, which can be described by the classical nucleation theory with a magnetic energy term based on our model.

Key Words: Magnetomechanical coupling; Magnetostriction; Materials design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 磁致伸缩效应 1

1.2 磁致伸缩机理 3

1.3 磁致伸缩材料及其应用现状 3

1.4本论文的研究内容 4

第二章 实验设备及测量方法 6

2.1 水热法 6

2.2 测量与表征 7

2.2.1 XRD原理 7

2.2.2 振动样品磁强计工作原理 9

2.2.3 磁致伸缩测量 9

第三章 实验与结果分析 11

3.1实验过程 11

3.2实验结果与分析 11

3.2.1 结构和大小 11

3.2.2磁性 14

3.2.3 磁致伸缩 15

第四章 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1 磁致伸缩效应

磁致伸缩是铁磁性材料在磁化过程中改变形状或尺寸的一种性能。由于外加磁场而引起的材料磁化的变化改变了材料的磁致伸缩应变，直到达到其饱和值，即λ。这种效应是詹姆斯·焦耳在1842年观察铁样本时首次发现的，该效应导致了易化铁磁芯中的摩擦加热引起的能量损失。此效应也是由变压器听到的低沉的嗡嗡声造成的，这样振荡的交流电流会产生变化的磁场。

在铁磁材料的内部有一个结构，它被划分为磁畴，每个磁畴都是一个均匀的磁极化区域。当施加磁场时，磁畴之间的边界移动并且磁畴旋转，这两种效应都会引起材料尺寸的变化。材料磁畴的变化导致材料尺寸变化的原因是磁晶各向异性的结果，即在一个方向上比另一个方向磁化晶体材料需要更多的能量。如果给材料施加一个与易磁化轴方向成角度的磁场，材料将倾向于重新排列其结构，从而使易磁化轴与磁场对齐，以此来得到自由能最小化的系统。由于不同的晶体方向与不同的长度有关，所以该效应会在材料中产生应变。材料在受到机械应力作用时，磁化率（对施加电场的响应）的变化称为维拉里效应。另外两个与磁致伸缩有关的效应：Matteucci效应是在受扭矩作用下产生磁致伸缩材料磁化率的螺旋各向异性，而Wiedemann效应是在螺旋磁场作用下导致这些材料产生扭转。

铁磁体在外加磁场的影响下能够产生磁致伸缩，从而改变了铁磁体的几何尺寸。相反的，如果材料在受到外在压力或张力的情况下，它的几何尺寸发生了改变，那么材料内部的磁化状态也会相应改变，这就是所谓的压磁效应，通常称为磁致伸缩的逆效应^[1]。

超声波发生器和接收器正是基于材料在交变磁场作用下几何尺寸发生变化的原理制成的，同样的，利用这个原理也可以制作出速度、加速度、力传感器、延迟线、稳频器、滤波器和磁声存储器等器件^[2]。这些应用对材料的性能是有要求的，例如，磁致伸缩系数、磁弹性耦合数和灵敏度都要求很高，即当磁场H一定时，磁感B随应力σ的变化要大。

磁致伸缩的大小与外部磁场关系如图1-1所示，λ随磁场H的增加而增大，最后趋于一个定值，该定值用表示，代表饱和磁致伸缩系数。饱和磁化是材料与所施加的磁场达到最大对准的点，对应于可以获得的最大磁矩。磁致伸缩系数仅适用于饱和磁化之前，因为材料达到其最大应变后不能继续拉长。最大伸长率也对应于在整个材料体积上的90°布洛赫壁和磁畴旋转。换句话说，饱和磁化强度对应于所有的磁畴全部对齐。施加的磁场在超过饱和点之后，再怎么增加都不会影响材料，因为其磁畴已经不能进一步对齐了。此时应变和应变之间的关系磁场几乎是线性的，这是最佳的工作范围，能够使材料在损耗最小的情况下将磁能转化为机械能。

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