/FeCo納米顆粒的制作方法
【專利說明】 軟-硬磁性MnBi/Si02/FeCo納米顆粒
[0001]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及納米顆粒的磁性納米聚集體，該納米顆粒具有鐵鈷合金核與中間氧化硅殼和遍布其中分散的錳鉍合金納米顆粒。這些納米顆粒組合軟磁性MnBi并且提供了適合用于制備永磁體的納米顆粒材料，該永磁體為標(biāo)準(zhǔn)釹鐵硼(neodymium iron borate)永磁體材料的不含稀土元素的替代物。
[0003]背景討論
[0004]發(fā)明人正在進(jìn)行采用由濕化學(xué)合成方法獲得的納米顆粒材料所獲得的軟磁性材料和硬磁性材料兩者的研究項目。因此2013年9月12日提交的美國申請?zhí)?4/025，033公開了作為硬磁性材料來源的具有5至200nm的顆粒尺寸的MnBi納米顆粒。另外，2014年4月14日提交的U.S.14/252，036公開了作為軟磁性材料來源的核-殼納米顆粒，該核_殼納米顆粒具有小于200nm的鐵鈷納米顆粒核與氧化硅殼和金屬硅酸鹽界面。通過引用將兩個申請的公開內(nèi)容以其全文并入本文。
[0005]磁性材料通常分為兩類，其指定為可被永久磁化的硬磁物質(zhì)或在低的施加場下磁性可以翻轉(zhuǎn)的軟磁性材料。在軟磁性材料中保持能量損耗(通常稱為“芯損耗”)為最小是重要的，而在硬磁性材料中優(yōu)選抵抗磁化的變化。高的芯損耗因此是永磁材料的特點并且在軟磁性材料中是不需要的。
[0006]許多如今的先進(jìn)技術(shù)需要有效和強的硬磁體作為裝置結(jié)構(gòu)的基本部件。這樣的裝置從移動電話延伸到高性能電動機，并且顯著的努力在整個行業(yè)中持續(xù)以發(fā)現(xiàn)不僅滿足目前需要而且還滿足對于有效、較廉價并且容易制備的硬磁體材料的日益增加的需求的材料。
[0007]常規(guī)地，通常認(rèn)為釹鐵硼為可獲得的最強、表現(xiàn)最好的硬磁體材料之一。然而，因為這種材料基于稀土元素釹，所以它是昂貴的并且可獲得的供應(yīng)經(jīng)常不是穩(wěn)定的。因此，需要作為硬磁體表現(xiàn)等同于或優(yōu)于釹鐵硼但是其基于可容易獲得的并且較廉價的組分材料的材料。
[0008]通過將粉末壓實成限定的形狀并且然后在200°C或更高的溫度下燒結(jié)該壓實體來由粉末構(gòu)造磁性裝置零件。在壓實后燒結(jié)該零件對于通過提供顆粒至顆粒結(jié)合并且因此提供強度來在該零件中實現(xiàn)令人滿意的力學(xué)性質(zhì)是必要的。
[0009]在通信和發(fā)電領(lǐng)域的所有方面中的技術(shù)進(jìn)步需要日益增加的強大磁性粉末，該磁性粉末具有可控制或可調(diào)節(jié)的磁性性質(zhì)，其允許制備為經(jīng)濟(jì)的并且可容易獲得的經(jīng)調(diào)整的磁性零件。
[0010]因此，本發(fā)明的目的是提供用于制備永磁性零件的具有高矯頑力的硬磁性粉末。該粉末與常規(guī)永磁性材料相比必須為經(jīng)濟(jì)的并且必須為可容易獲得的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)了這些目的和其它目的，本發(fā)明的第一實施方案包括核-殼-核納米顆粒，其包含:包含鐵鈷合金的超順磁性核；涂覆該核的二氧化硅中間殼；中間二氧化硅殼上的另一個錳鉍合金納米顆粒核；和該核與二氧化硅殼之間的金屬硅酸鹽界面層；其中鐵鈷合金核的直徑為200nm或更小。
[0012]在一個實施方案中，MnBi核的直徑可為從0.5到200nm。
[0013]在任一個上述實施方案的一個方面，該金屬硅酸鹽界面的厚度可為從0.5到1nm并且可通過用于制備二氧化硅殼的濕合成的時間長度控制該厚度。
[0014]前述段落通過整體介紹而提供，并不旨在限制以下權(quán)利要求的范圍。參考結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述將最好地理解目前優(yōu)選的實施方案連同進(jìn)一步的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0015]圖1顯示了在實施例中制備的核-殼-核納米顆粒的TEM圖像。
[0016]圖2顯示了在實施例中制備的核-殼-核納米顆粒的DSC掃描和M(T)數(shù)據(jù)。
[0017]圖3顯示了在實施例中制備的核-殼-核納米顆粒的Z襯度TEM圖像。
【具體實施方式】
[0018]在整個該說明書中所描述的所有范圍包括其中的所有值和子范圍，除非另外說明。
[0019]另外，在整個說明書中不定冠詞“一個(a)”或“一個(an)”帶有“一個或多個”的含義，除非另有說明。
[0020]在磁性材料并且特別是納米顆粒磁性材料的持續(xù)研究中，本發(fā)明人確定了納米顆粒形式的錳鉍合金作為具有作為用于制造永磁體的釹鐵硼的替代品的潛在用途的材料。預(yù)測MnBi納米顆粒呈現(xiàn)高達(dá)4T的矯頑力。2013年9月12日提交的美國申請?zhí)?4/025，033公開了該工作的一些結(jié)果。
[0021]發(fā)明人還在進(jìn)行對軟磁性納米顆粒材料的持續(xù)研究，例如2014年4月14日提交的U.S.14/252，036中公開的，其中公開的核-殼納米顆粒具有小于200nm的鐵鈷納米顆粒核與氧化硅殼和金屬硅酸鹽界面。
[0022]在對這些和其它的體系的持續(xù)研究中，發(fā)明人出乎預(yù)料地發(fā)現(xiàn)通過向FeCo合金核氧化硅涂層核-殼納米顆粒施加錳鉍納米涂層而獲得的核-殼-核納米顆粒提供了根據(jù)核-殼-殼組分各自的相對尺寸和屬性具有高度可調(diào)節(jié)的磁性性質(zhì)的材料。在一個納米顆粒內(nèi)這樣的軟磁性組分與硬磁性組分的復(fù)雜組合是新穎的并且提供許多發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新型磁性材料和裝置的機會。
[0023]在第一實施方案中，本發(fā)明包括核-殼-核納米顆粒，其包含:
[0024]包含鐵鈷合金的超順磁性核；
[0025]涂覆該核的二氧化硅中間殼；
[0026]中間二氧化娃殼上的外猛祕合金納米顆粒，也稱為基于MnBi納米顆粒的球形納米級屬性的核；和
[0027]該核與二氧化硅殼之間的金屬硅酸鹽界面層；
[0028]其中鐵鈷合金核的直徑為200nm或更小。
[0029]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以經(jīng)由可改變的濕化學(xué)方法實現(xiàn)涂覆有各種厚度的氧化硅殼的單個FeCo合金納米顆粒的形成。出乎預(yù)料地，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)界面金屬硅酸鹽的形成可顯著改變這些超高表面積FeCo合金納米顆粒體系中的納米磁性。在Fe和Co的2p躍迀內(nèi)收集的X射線光電子能譜中觀察到金屬硅酸鹽界面層形成的證據(jù)；并且隨著氧化硅殼的厚度增加(通過改變氧化硅反應(yīng)的持續(xù)時間)，形成較厚的界面金屬硅酸鹽層，增加了納米顆粒的總體磁各向異性，這由增加的阻擋溫度和改變的矯頑力證明。因此發(fā)明人出乎預(yù)料地發(fā)現(xiàn)通過采用不同程度的濕合成處理時間制備包封在氧化硅殼中的超順磁鐵鈷合金納米顆粒，可獲得具有不同的納米磁性性質(zhì)的核殼FeCo納米顆粒。在某些實施方案中，鐵鈷合金納米顆粒核的直徑為10nm或更小，并且在其它實施方案中，鐵鈷合金納米顆粒核的直徑為從2nm到 50nm。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，鐵鈷合金納米顆粒晶粒為鐵鈷合金的單個顆粒磁疇的尺寸或接近該尺寸，并且因此為超順磁的。雖然不受理論束縛，但是發(fā)明人認(rèn)為將晶粒尺寸控制為接近顆粒磁疇的尺寸是促進(jìn)根據(jù)本發(fā)明的磁性芯的減小的滯后的因素。此外，在核晶粒附近隔離的氧化硅殼的存在是促進(jìn)根據(jù)本發(fā)明的磁性芯的低渦流形成的因素。
[0031]常規(guī)已知對于單個磁疇顆粒表現(xiàn)出超順磁性的顆粒尺寸范圍具有該顆?；瘜W(xué)組成的上邊界特性。
[0032]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在二氧化硅殼的合成期間同時形成了金屬硅酸鹽薄層界面。在Fe和Co的2p躍迀內(nèi)收集的X射線光電子能譜中觀察到金屬硅酸鹽界面層形成的證據(jù)；并且隨著氧化硅殼的厚度增加(通過改變氧化硅反應(yīng)的持續(xù)時間)，形成較厚的界面金屬硅酸鹽層，增加了納米顆粒的總體磁各向異性，這由增加的阻擋溫度和改變的矯頑力證明。發(fā)明人認(rèn)識到這種界面金屬硅酸鹽層對控制磁性性質(zhì)的效果的理解是在將這些材料在應(yīng)用中有效用作低損耗變壓器芯的關(guān)鍵要素。
[0033]在FeCo合金核殼納米顆粒的研究中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在二氧化硅殼涂層合成期間形成的界面金屬硅酸鹽改變了作為較高各向異性相的納米顆粒的總體磁各向異性，該較高各向異性相為Fe基和Co基娃酸鹽的組合，與裸FeCo納米顆粒相比起到增加納米顆粒的“磁性活性體積”的作用。
[0034]合成了二元合金FeCo單個磁疇納米顆粒樣品(參見實施例)，不同之處在于改變S12反應(yīng)時間的持續(xù)時間，這導(dǎo)致不同厚度的3102殼:1分鐘反應(yīng)時間