專利名稱：一種超低摩擦的納米γ-Fe₂O₃/SiO₂磁性復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁性材料領域，涉及一種磁性復合材料，尤其是一種超低摩擦的納米
Y-Fe203/Si02磁性復合材料及其制備方法。
背景技術：
納米磁性材料可分為金屬納米磁性材料和鐵氧體納米磁性材料。常用的鐵氧體材 料按其晶格類型分為尖晶石型鐵氧體、石榴石型鐵氧體以及磁鉛石型鐵氧體，其中尖晶石 型鐵氧體具有優(yōu)良的磁譜特性。Y-Fe2O3晶體是陽離子缺位的尖晶石結構，具有良好的磁 性、催化和氣敏等性能以及成本低廉，所以納米Y -Fe2O3粉體被廣泛地應用在磁記錄材料、 氣敏材料、催化材料和信息儲存等方面。針狀、粒狀的Y-Fe2O3是磁記錄介質的主體材料。
Y-Fe2O3是α -Fe2O3的亞穩(wěn)態(tài)，溫度在350°C附近時Y -Fe2O3會迅速的轉變?yōu)棣?-Fe2O3，從 而影響了其在磁記錄材料方面的應用。因此，如何制取高穩(wěn)定性的Y-Fe2O3，便成了磁記錄 材料研究者的熱點課題之一。在磁頭/磁盤滑動接觸產(chǎn)生的溫度場作用下，引起磁盤磁性材料內(nèi)磁疇之間的界 限發(fā)生移動或者磁疇磁化強度矢量發(fā)生轉動，從而使材料的剩余磁化強度發(fā)生變化，即為 熱磁效應，而由此導致磁盤在摩擦條件下的退磁。磁記錄的永恒主題是低間隔化，但畢竟 是接觸記錄?，F(xiàn)在雖然應用了浮動滑塊，但在進行查找動作時，磁頭還是要和介質接觸的， 而有接觸就會發(fā)生摩擦，隨之產(chǎn)生摩擦熱，摩擦熱過高而導致磁記錄材料退磁，使得磁存儲 器丟失數(shù)據(jù)。尤其是超高密度磁記錄，磁顆粒直徑小，如當達到lOOGb/in2時，直徑縮小到 了 9. 5納米。當磁顆粒的體積太小的時候，能影響其磁滯的因素就不僅僅是外部磁場，少量 熱量就會影響磁顆粒的磁滯，從而導致磁記錄設備上的數(shù)據(jù)丟失，這種現(xiàn)象就是“超順磁效 應”。因此在保持磁記錄材料的磁儲性能外，非常有必要要求磁盤上的磁性材料具有優(yōu)異的 減摩性能，即非常低的摩擦系數(shù)，以免磁性記錄材料失效，丟失數(shù)據(jù)，造成重大經(jīng)濟損失。由非磁性的絕緣體氧化物基體和鑲嵌在其中的磁性納米顆粒組成的磁性納米復 合材料，引起了廣泛的關注。這兩者復合而成的磁納米復合材料通常具有納米材料、磁 性材料、陶瓷材料的多重性質，使他們在磁記錄介質方面擁有廣闊的應用前景。由于納 米Y-Fe2O3材料本身的特性，易于團聚，使納米材料失去其優(yōu)良的特殊的性能。通過物 理和化學方法將不同材料組裝到多孔氧化物中，處于納米尺度的介孔構成微腔反應器，限 制被復合組分的長大和運動，得到多孔氧化物基納米復合材料。SiO2的多孔性，可以為納 米Y-Fe2O3材料提供載體，以SiO2B式在顆粒表面，減少顆粒的團聚。SiO2的加入對提高 Y-Fe2O3的相變溫度、加強熱穩(wěn)定性及提高磁性起到較大作用，復合物中網(wǎng)狀結構的SiO2 延緩了 Fe2O3的晶化以及進一步的晶型轉變。近年來用來制備磁性納米復合材料的方法有很多，例如微乳液法(中國專利申 請 CN200710053049.3， CN200580027372.2， CN200710190935.0， CN200610049214.3)、水 熱合成法(中國專利申請CN03150724. 7，CN200610041555. 6)、流化床法(中國專利申請CN98104055. 1)、氣化-冷凝法(中國專利申請CN200610002148. 4)、共沉淀法(中國專利申請CN200810112431. 1)、溶膠-凝膠法(中國專利申請CN200410086479. 1)、包 覆法(中國專利申請CN200710186855. 8，CN200710055627. 7)、燒結法(中國專利申請 CN200710036501. 5)等方法，然后在一定溫度下煅燒而得到不同的鐵氧體磁性材料。在一 些制備所得的磁性復合材料中除包含Y-Fe2O3相，還包含一定數(shù)量的Ci-Fe2O3和氧化鐵的 非晶態(tài)。除此以外，這些Y-Fe2O3的熱穩(wěn)定性特別差，在400°C左右Y-Fe2O3就會轉變?yōu)?α -Fe2O30

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種超低摩擦的納米Y -Fe2O3/ SiO2磁性復合材料及其制備方法，該制備方法從磁性材料的摩擦學性能出發(fā)，采用一定的 工藝制備Y-Fe203/Si02磁性復合材料，使其只有Y-Fe2O3而沒有發(fā)生向α-Fe2O3相相轉 變，保持納米Y-Fe2O3的純度，并且使Y-Fe2O3材料的熱穩(wěn)定性顯著提高，減少由于摩擦熱 而引起的磁性材料退磁造成的數(shù)據(jù)丟失，減少經(jīng)濟損失。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的這種超低摩擦的納米Y -Fe203/Si02 磁性復合材料，該磁性復合材料的成分原子質量百分比為Fe :10.0 30.0% ；Si :10 40. 0% ；N 1 3% ；余量為 0。本發(fā)明還提供一種上述納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的制備方法，具體依照 如下步驟1)用射頻等離子體增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為50 300nm的 無定形Si膜，得到薄膜試樣；2)將所得的薄膜試樣置于惰性保護氣體中，以400-800°C處 理1 3小時，得到粒徑為15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料；3)將以上得到的納米 Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。進一步的，在步驟1)中，所述的射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝 參數(shù)為沉積氣壓為1 10Pa，沉積功率為500 1000W、射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓 為-200 -500V。進一步的，在步驟2)中，所述惰性保護氣體是氮氣、氬氣和氦氣的一種或多種混 合氣體。在上述步驟2)中，將所得的薄膜試樣置于惰性保護氣體中，以550-650°C處理。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提出了用新的制備方法制備納米Y_Fe203/Si02 磁性復合材料，以達到實際工業(yè)應用的要求。該種制備方法不但工藝簡單、容易掌握，而且 成本較低，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。另外利用本發(fā)明的制備方法生產(chǎn)出的納米Y_Fe203/Si02 磁性復合材料中只有Y-Fe2O3，不會發(fā)生α-Fe2O3相轉變，保持了納米Y-Fe2O3的純度。與 傳統(tǒng)的Y-Fe2O3材料在350°C附近即發(fā)生相轉變相比，Y-Fe2O3材料的熱穩(wěn)定性顯著提高。 相變溫度的提高，對拓寬Y-Fe2O3作為磁記錄材料的應用范圍具有極其重要的意義。


圖1是本發(fā)明的納米Y-Fe203/Si02磁性復合材料SEM形貌圖；圖2是本發(fā)明的 納米Y-Fe203/Si02磁性復合材料形貌局部放大圖及其顆粒尺寸；圖3是本發(fā)明的納米 Y-Fe203/Si02·性復合材料的EDS結果；圖4是本發(fā)明的納米Y _Fe203/Si02磁性復合材料的Raman光譜圖；圖5是本發(fā)明的納米Y _Fe203/Si02磁性復合材料的摩擦系數(shù)隨時間變化 的關系圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述實施例1本實施例中，超低摩擦的納米Y-Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質量百分比為Fe :10.0%;Si 40.0%； N:l% ；余量為0。上述納米Y_Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為50nm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述的射 頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為lPa，沉積功率為1000W、 射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-200V。2)將所得的薄膜試樣置于氮氣保護氣體中，以600°C處理3小時，得到粒徑為 15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料。3)將以上得到的納米Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。實施例2本實施例中，超低摩擦的納米Y_Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質 量百分比為:Fe 30. 0% ；Si 10% ；N 3% ；余量為0。上述納米Y_Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為260nm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述 的射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為10Pa，沉積功率為 500W、射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-500V。2)將所得的薄膜試樣置于氬氣保護氣體中，以800°C處理1小時，得到粒徑為 15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料。3)將以上得到的納米Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。實施例3本實施例中，超低摩擦的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質 量百分比為:Fe 20% ；Si 30% ；N 2% ；余量為O。上述納米γ -Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為150nm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述的 射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為5Pa，沉積功率為800W、 射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-350V。2)將所得的薄膜試樣置于氦氣保護氣體中，以600°C處理2小時，得到粒徑為 15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料。3)將以上得到的納米Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。實施例4本實施例中，超低摩擦的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質 量百分比為:Fe 15% ；Si 25% ；N 1. 5% ；余量為O。上述納米γ -Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為200nm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述的 射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為6Pa，沉積功率為900W、 射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-400V。2)將所得的薄膜試樣置于氮氣和氬氣混合的保護氣體中，以550°C處理1. 5小時，得到粒徑為15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料。3)將以上得到的納米Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。實施例5本實施例中，超低摩擦的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質 量百分比為:Fe 18. 5% ；Si 22. 6% ；N 1. 8% ；余量為 0。上述納米Y_Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為156nm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述 的射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為7. 5Pa，沉積功率為 800W、射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-370V。2)將所得的薄膜試樣置于氮氣和氬氣混合的保護氣體中，以450°C處理1. 2小時， 得到粒徑為15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料。3)將以上得到的納米Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。實施例6本實施例中，超低摩擦的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質 量百分比為:Fe 30% ；Si 36% ；N 1. 2% ；余量為0。上述納米γ -Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為300nm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述 的射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為10Pa，沉積功率為 750W、射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-500V。2)將所得的薄膜試樣置于氮氣和氬氣混合的保護氣體中，以700°C處理2小時，得 到粒徑為15 50納米γ -Fe203/Si02磁復合材料。3)將以上得到的納米Y -Fe203/Si02磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。實施例7本實施例中，超低摩擦的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的成分原子質 量百分比為:Fe 25% ；Si 28% ；N 1% ；余量為O。上述納米γ -Fe203/Si02磁性復合材料的制備依照如下步驟1)用射頻等離子體 增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為IOOnm的無定形Si膜，得到薄膜試樣；所述的 射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為4Pa，沉積功率為500W、 射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-500V。2)將所得的薄膜試樣置于氮氣保護氣體中，以600°C處理1小時，得到粒徑為 15 50納米γ -Fe203/Si02磁性復合材料。3)將以上得到的納米Y-Fe203/Si02磁性復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室
ilm ο本實施例制備的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料SEM形貌圖如圖1所示，可見本發(fā)明所制備的納米、"Fe203/Si02磁性復合材料顆粒分布均勻且顆粒比較小。圖2給出了實施例7制備的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的表面形貌局部放 大圖以及納米顆粒的尺寸。Y -Fe2O3粒子均勻的呈針狀、粒狀分布于SiO2基體周圍，并鑲嵌 于其中，圖中所標Y-Fe2O3粒子的直徑為22nm，因此說本發(fā)明所制備得到的復合材料為納 米復合材料，納米粒子平均粒徑為15 50nm。等離子體增強化學氣相沉積的無定形Si膜 比較均勻、致密，在高溫氧化下Y-Fe2O3顆粒粒徑較小。圖3為實施例7制備的納米Y-Fe203/Si02·性復合材料的EDS結果，此結果表明， 此納米復合材料的基本組成為Fe、Si、N和O。
圖4為實施例7制備的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料的Raman光譜圖。Raman譜峰圖中有三個位于672CHT1、1326CHT1、1597CHT1處明顯的尖峰。經(jīng)查閱相關文獻可知，672CHT1 處的峰為SiO2的特征峰，表明本發(fā)明所制備的復合材料中含有SiO2,并且發(fā)現(xiàn)此特征峰的 Raman光譜信號非常強而尖銳，表明復合材料中的SiO2含量較高，這與本發(fā)明以SiO2做為納 米粒子的載體目的相一致。1326CHT1和1597CHT1處的峰為是、-Fe2O3的特征峰，除此兩個 特征峰之外沒有其它峰，表明Y-Fe2O3的純度較高，而不含有其它鐵及鐵氧體物質。Raman 測試結果表明本發(fā)明所制備得到的復合材料成分主要為Y -Fe2O3和SiO2,結合SEM結果可 知，此復合材料為納米Y_Fe203/Si02·性復合材料。由于納米Y-Fe2O3粒子具有磁性，因 此所制復合材料為納米磁性復合材料。將實施例7制備的納米Y -Fe203/Si02磁性復合材料進行摩擦磨損試驗，試驗完畢 后在氣體保護下冷卻至室溫。圖5即為納米Y_Fe203/Si02·性復合材料的摩擦系數(shù)隨時 間變化的關系圖及其放大圖。在氮氣環(huán)境中納米Y-Fe203/Si02復合材料的摩擦系數(shù)從初 始值0. 25迅速降為0. 02左右，然后緩慢穩(wěn)定到0. 002左右(見放大圖)，呈現(xiàn)出超低摩擦 行為。綜上所述，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中兩個磁記錄材料方面的技術難點，提出了用新 的制備方法以達到實際工業(yè)應用要求。由于SiO2基納米復合材料早期的研究偏重于對 SiO2基納米復合材料光學特性的研究，沒有關注其摩擦學性能。本發(fā)明直接生產(chǎn)出納米 Y-Fe203/Si02磁性復合材料，所制備的復合材料中只有Y-Fe2O3而沒有發(fā)生向α-Fe2O3相 相轉變，保持了納米Y-Fe2O3的純度。與傳統(tǒng)的Y-Fe2O3材料在350°C附近即發(fā)生相轉變 相比，Y-Fe2O3材料的熱穩(wěn)定性顯著提高。相變溫度的提高，對拓寬Y-Fe2O3作為磁記錄材 料的應用范圍具有極其重要的意義。
權利要求
一種超低摩擦的納米γ-Fe2O3/SiO2磁性復合材料，其特征在于該磁性復合材料的成分原子質量百分比為Fe10.0～30.0％；Si10～40.0％；N1～3％；余量為O。
2.—種權利要求1所述納米Y-Fe2CVSiO2磁性復合材料的制備方法，其特征在于，依 照如下步驟1)用射頻等離子體增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備厚度為50 300nm的無定形 Si膜，得到薄膜試樣；2)將所得的薄膜試樣置于惰性保護氣體中，以400-800°C處理1 3小時，得到粒徑為 15 50納米y -Fe203/Si02磁復合材料；3)將以上得到的納米Y_Fe203/Si02·復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。
3.根據(jù)權利要求2所述納米Y_Fe203/Si02·性復合材料的制備方法，其特征在于，在 步驟1)中，所述的射頻等離子體增強化學氣相沉積法的必要工藝參數(shù)為沉積氣壓為1 10Pa，沉積功率為500 1000W、射頻頻率為13. 56MHz、射頻偏壓為-200 -500V。
4.根據(jù)權利要求2所述納米Y_Fe203/Si02·性復合材料的制備方法，其特征在于，在 步驟2)中，所述惰性保護氣體是氮氣、氬氣和氦氣的一種或多種混合氣體。
5.根據(jù)權利要求2所述納米Y_Fe203/Si02·性復合材料的制備方法，其特征在于，在 步驟2)中，將所得的薄膜試樣置于惰性保護氣體中，以550-650°C處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超低摩擦的納米γ-Fe2O3/SiO2磁性復合材料及其制備方法，該種磁性復合材料的成分原子質量百分比為Fe10.0～30.0％；Si10～40.0％；N1～3％；余量為O。其制備方法為首先用射頻等離子體增強化學氣相沉積法在鋼基體上制備無定形Si膜，得到薄膜試樣；再將所得的薄膜試樣置于惰性保護氣體中，以400-800℃處理1～3小時，得到納米γ-Fe2O3/SiO2磁復合材料。然后將該磁復合材料在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫。該制備方法不但工藝簡單、易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。這種磁性復合材料中只有γ-Fe2O3，不會發(fā)生α-Fe2O3相轉變，保持了納米γ-Fe2O3的純度。與傳統(tǒng)的γ-Fe2O3材料相比，γ-Fe2O3材料的熱穩(wěn)定性顯著提高。相變溫度的提高，對拓寬γ-Fe2O3作為磁記錄材料的應用范圍具有極其重要的意義。
文檔編號C23C16/513GK101840761SQ20101017025
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權日2010年5月12日
發(fā)明者曾群鋒 申請人:曾群鋒