具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子、利用所述纳米粒子制备的磁体及它们的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子、 利用所述纳米粒子制备的磁体及它们的制备方法。

背景技术

钕磁体是包含钕(Nd)、氧化铁(Fe)和硼(B)作为主要组分的烧结产 物，其特征是非常优异的磁性性质。尽管对这种高性质的钕大块磁体 的需求增加，但是稀土元素的需求和供应的失衡阻碍了下一代工业所 必需的高性能电动机的供应。

包含钐和钴作为主要组分的钐钴磁体已知具有仅次于与钕磁体的 非常优异的磁性性质，但作为一种稀土元素的钐的需求和供应的问题 也造成制造成本的升高。

铁氧体磁体是在不需要强磁力时使用的具有稳定磁性性质的低价 磁体。铁氧体磁体通常通过粉末冶金制造，并通常呈黑色。铁氧体磁 体的化学形式为XO+Fe₂O₃，其中根据其用途X可以为钡或锶。铁氧体 磁体，根据其制造方法分为干加工的或湿加工的铁氧体磁体，或者根 据其磁方向分为各向同性或各向异性的铁氧体磁体。所述铁氧体磁体 是由氧化物组成的化合物，因此，即使使其在高频率磁场中运行，其 仍为绝缘体并几乎没有高频率的损失如过大电流损失。各向同性的磁 体具有比各向异性的磁体更低的磁力，但具有几种优点如低价格和自 由连接。铁氧体磁体已经用于多种应用如直流电动机、罗盘、电话、 转速计、扬声器、速度计、电视机、簧片开关和钟机芯，并具有几种 优点如其重量轻且价格低。然而，铁氧体磁体还具有其不显示足以取 代高价钕大块磁体的优异磁性性质的劣势。

同时，核-壳结构的纳米粒子是指具有其中壳物质包围位于中心的 核物质的结构的材料。由于核-壳结构的纳米粒子根据包含在各层中的 物质的性质而提供具有至少两种(2)性质的多功能纳米材料，所以通过 提供金属-金属、金属-陶瓷、金属-有机物以及有机物-有机物结构的不 同组合而存在针对核-壳结构的纳米粒子的许多研究和开发。已知的是， 核-壳结构的纳米粒子由于其磁性性质、荧光性质、抗酸性质和抗磨损 性质的组合功能性而对各种领域具有高应用性。

至今，对包含在核或壳结构中的物质一直存在限制，且大部分研 究仅针对这些受限物质进行。在这种状况下，认为在通过探索目前为 止常规研究的物质之外的新物质以研究和开发新型核-壳结构的纳米粒 子，并将这些材料组合，由此提供新性质方面存在巨大的未来可能性。

用于得到核-壳结构的纳米粒子粉末的方法包括共沉淀、喷雾、电 解和溶胶-凝胶法以及反胶束法。

例如，美国专利7,547,400号使用反胶束法制备纳米级镍-锌铁氧 体且韩国专利申请10-2010-0029428号使用溶胶-凝胶法制备纳米铁粉 末。

其中，韩国专利申请10-2010-0029428号实现了一种核-壳双重结 构，但与常规软磁性材料类似，该发明显示了受限的物理和磁性性质， 因为核和壳两者都仅由软磁性物质组成。

在整个本申请中，参考几个专利和公开并提供引用。将这些专利 和公开的内容并入本申请中以更全面地说明本发明和本发明所属的领 域的状况。

发明内容

技术问题

本发明的发明人进行了研究并尝试开发具有能够代替昂贵的稀土 元素大块磁体的高性能的惰性磁性材料，并通过成功地制备具有硬-软 磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子而完成了本发明。因此，本发明 的目的是提供一种具有硬-软磁性异质结构的惰性核-壳结构的纳米粒 子。

本发明的另一个目的是提供一种制备上述具有硬-软磁性异质结 构的核-壳结构的纳米粒子的方法。

本发明的另一个目的是提供一种通过使用上述具有硬-软磁性异 质结构的核-壳结构的纳米粒子制备的磁体。

根据下文中提供的详细说明，本申请的应用性的其他范围变得更 明显。然而，应理解，尽管指示本发明的优选实施方案，但是详细说 明和具体实例是仅出于示例性目的而给出的，因为根据所述详细说明， 本发明的主旨和范围内的各种变化和修改对本领域技术人员变得明 显。

解决问题的技术方案

本发明的目的是提供一种具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的 纳米粒子，其中软磁性壳包围硬磁性核。

本发明的发明人已经进行了研究并尝试开发一种高性能磁性材 料，所述高性能磁性材料通过实现高矫顽力和高饱和通量密度两者而 超过现有的铁氧体磁性材料。在上述方法中，本发明人集中于如下要 点：当将硬磁性纳米粉末如铁氧体与包含金属如铁、钴和镍的软磁性 纳米粉末进行简单混合时，得到如图3中所示的2相磁性图而不是同 时实现良好的矫顽力和饱和通量密度两者，并对如何将上述两种磁性 材料之间的界面进行平稳连接进行了研究。结果，通过成功地制备具 有硬-软异质结构的核-壳结构的纳米粒子以在纳米粒子内同时实现硬 磁性材料和软磁性材料两者，本发明人完成了本发明。

本发明的上述纳米粒子的特征在于，与硬和软磁性纳米粉末的常 规简单混合不同，如图2中所示的同时实现良好的矫顽力和饱和通量 密度两者。

在本发明的具有硬-软异质结构的核-壳结构的纳米粒子中，上述核 的特征在于，包含至少1种硬磁性材料，优选包含铁氧体作为其主要 成分，其具有优点如高的居里温度、矫顽力、化学稳定性和抗腐蚀性 以及低的价格。

在优选实施方案中，上述铁氧体可使用纳米级磁体铅矿(M型)晶 体结构或W型钡铁氧体、锶铁氧体、钴铁氧体或其组合。

在本发明的具有硬-软异质结构的核-壳结构的纳米粒子中，上述壳 的特征在于，包含至少1种软磁性材料，且例如可以包含至少一种金 属或金属化合物。

在实施方案中，上述软磁性壳的特征在于，包含选自如下的至少 一种金属或金属化合物：Fe、Co、Ni、Fe₃B、FeCo、Fe₁₆N₂、FeNi、 Fe₃O₄、FeSi和CoNi。

在本发明中，根据上述硬磁性核和软磁性壳在整个纳米粒子内的 比例能够适当控制磁性性质。例如，当硬磁性核在本发明的整个纳米 粒子内的比例提高时，矫顽力进一步提高，但可能的饱和通量密度下 降。相反，当软磁性壳在整个纳米粒子内的比例提高时，产生的矫顽 力下降，但饱和通量密度提高。

在本发明的优选实施方案中，上述软壳以5～80重量%的含量包 含在整个纳米粒子中。

根据将多少硬磁性成分和软磁性成分包含在最终的溶液中以制备 本发明的纳米粒子，能够容易地控制硬磁性核与软磁性壳之间的这些 含量比。

本发明的复合纳米粒子的直径小于1000nm，优选为10～1000 nm，更优选为70～500nm。

在优选实施方案中，本发明的复合纳米粒子的特征在于具有核-壳 结构，其中α铁壳包围选自如下的至少一种硬磁性铁氧体核：钡铁氧 体、锶铁氧体和钴铁氧体。

本发明的另一个目的是提供一种通过使用溶胶-凝胶法制备具有 硬-软异质结构的核-壳结构的纳米粒子的方法，所述方法的特征在于包 括如下步骤：(i)获得包含选自如下的至少一种材料和铁氧体纳米粉末 的浆料状态的溶液的步骤：金属络合物、金属盐、金属化合物和金属 纳米粒子；(ii)通过使得上述溶液的溶剂蒸发而将其改变为粘稠的凝胶 的步骤；以及(iii)通过对上述凝胶进行加热以制造纳米粒子的步骤。

上述溶胶-凝胶法是经历溶胶→凝胶→纳米粒子的工艺，其中溶胶 是指不会沉淀的分散胶体悬浮体，其由尺寸为约1～1000nm的粒子构 成并具有可忽略的引力或重力作用，从而主要受范德华力或表面电荷 的影响。这种溶胶通过水解和浓缩而变为凝胶。与溶胶不同，通过对 凝胶进行加热以损失其流动性而得到纳米粒子。使用溶胶-凝胶法的材 料的这种制备具有一些优点：可以制备具有均匀组成的材料并通过调 节其组成和微结构而得到期望的形式。

为了制备本发明的具有硬-软磁性异质结构的纳米粒子，要求在上 述步骤(i)中，将硬和软磁性材料两者一起分散在最终溶液中，所述最 终溶液为浆料或悬浮液。

例如，浆料状态的上述最终溶液可以包含选自钡铁氧体、锶铁氧 体和钴铁氧体中的至少一种铁氧体纳米粒子作为上述硬磁性材料且包 含选自金属络合物、金属盐、金属化合物和金属纳米粉末中的至少一 种材料作为上述软磁性材料，并优选可包含选自Fe-油酸盐和Fe-十二 烷酸盐中的至少一种金属络合物。

可以根据上述最终溶液中涉及的硬磁性物质和软磁性物质各自的 含量来调节构成最终制备的纳米粒子的硬磁性核与软磁性壳之间的含 量比并适当控制由纳米粒子实现的磁性性质。

在本发明中，通过经由浆料状态的溶液的剧烈搅拌并加热以使其 缓慢蒸发而将全体溶液改变为粘稠凝胶型的方法，能够实施上述步骤 (ii)。

上述步骤(iii)是使得溶剂完全蒸发并使得涂布材料被完全吸收的 步骤，所述步骤能够通过使得溶剂在空气中受热并燃烧以形成粉末的 方法实施。

通过这种溶胶-凝胶法制备的本发明的纳米粉末能够具有核-壳结 构，其中所述软磁性壳包围所述硬磁性核并实现高矫顽力和高饱和通 量密度两者。

在这种制备的纳米粒子中壳由金属化合物构成的情况中，添加通 过热还原将金属化合物还原的步骤具有如下优点：可以确保更好的饱 和磁性性质。由此，在优选实施方案中描述的本发明的方法的特征在 于包括对在上述步骤(iii)中制备的纳米粒子另外实施热还原的步骤。通 过将上述制备的纳米粒子在高温氢气条件下培养特定时间并然后对其 进行退火，能够实施上述热还原。

本发明的另一个目的是提供一种通过使用反胶束法制备具有硬- 软异质结构的核-壳结构的纳米粒子的方法，所述方法的特征在于包括 如下步骤：(i)获得并搅拌包含金属盐、铁氧体纳米粉末、表面活性剂、 烃和蒸馏水的混合物的步骤；和(ii)通过对上述经搅拌的溶液快速干燥 以形成纳米粒子的步骤。

作为表面化学所涉及领域的反胶束(RM)法是使用表面活性剂的物 理化学性质制备纳米粒子的方法。当利用非极性溶剂(有机溶剂)增溶水 溶液时，形成反胶束(RM)并在其内部还形成水池，其中RM溶液形成 透明的、各向同性的且热稳定的微乳液。在上述RM溶液中，水溶液 层以分散状态存在到纳米级水池中且所述水池由于其尺寸和水性条件 而提供制备纳米粒子所必要的微环境。当使用这种反胶束法时，可以 根据其组成的实验条件而合成具有不同形式的纳米级金属微粒。与其 类似，考虑将RM应用于各种领域以作为物质的分离、传输、化学和 酶反应的反应器并积极用于制备纳米粒子。

为了制备本发明的具有硬-软磁性异质结构的纳米粒子，要求在上 述步骤(i)中，将硬和软磁性材料两者一起分散在上述混合物中。

优选地，可以将铁氧体纳米粉末用作上述硬磁性物质并将各种金 属盐如铁(Fe)-硝酸盐、单钠铁(Ⅲ)(monosodium ferric)、硫酸亚铁、硫 酸铁、硝酸钴、碳酸镍和硫酸镍用作软磁性物质。

可以根据用于上述步骤(i)中使用的上述混合物中涉及的硬磁性物 质和软磁性物质各自的含量来调节构成最终制备的纳米粒子的硬磁性 核与软磁性壳之间的含量比，从而适当控制由纳米粒子实现的磁性性 质。

根据上述使用的表面活性剂的成分能够改善水池的微环境。例如， 可以将选自如下的至少一种物质用作上述表面活性剂的成分：二(2-乙 基己基)磺基琥珀酸钠、聚氧乙烯壬基苯基醚、壬基酚乙氧基化物和二 辛基磺基琥珀酸钠。

上述烃是通过增溶水溶液而形成反胶束的溶剂且非极性溶剂(有 机溶剂)足以无限制地使用。例如，可以将选自如下的至少一种材料用 作上述烃：环己烷、三甲基戊烷、庚烷、辛烷、异辛烷、癸烷、四氯 化碳和苯。

上述步骤(iii)是通过快速干燥来消除水分并除去有机物质的工艺， 其可通过例如喷雾干燥法来实施。

在这种制备的纳米粒子中壳由金属化合物构成的情况中，添加通 过热还原将金属化合物还原的步骤具有如下优点：可以确保更好的饱 和磁性性质。由此，在本发明的优选实施方案中，反胶束法可以另外 包括在上述步骤(ii)之后对纳米粒子实施热还原的步骤。

本发明的另一个目的是提供一种利用上面所述的具有硬-软磁性 异质结构的核-壳结构的纳米粒子制备的磁体。

在本发明的实施方案中，上述磁体可以为烧结磁体或粘结磁体。 通过对具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子进行烧结能够 制备上述烧结磁体。

上述粘结磁体称作树脂磁体且能够通过将本发明的具有硬-软磁 性异质结构的纳米粒子与树脂混合并然后通过挤出或注射进行成型而 制备。

通过在磁场成型之后对具有硬-软磁性异质结构的纳米粒子进行 烧结的2步工艺能够制备上述烧结磁体。为了制备烧结磁体，可以应 用磁场成型和烧结的一体化工艺以及上述的2步工艺。

有益效果

本发明的具有其中软磁性壳包围硬磁性核的硬-软磁性异质结构 的核-壳结构的纳米粒子具有一些优点如不受稀土元素的供应问题影响 且价格低并能够克服常规铁氧体单相材料所具有的的物理和磁性限 制。

附图说明

附图显示了示例性实施方案并与说明书一起用于解释本发明的原 理，所述附图是为了提供本发明的进一步说明而包含的并将其并入且 构成本说明书的一部分。

在附图中：

图1是根据本发明制备的具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的 纳米粒子的TEM(透射电子显微镜)图像。

图2是得自根据本发明制备的具有硬-软磁性异质结构的核-壳结 构的纳米粒子的磁性测量的图。

图3是通过对硬和软磁性粉末之间的简单混合物进行磁性测量而 得到的图。

图4是显示如下原理的图：根据本发明制备的具有硬-软磁性异质 结构的核-壳结构的纳米粒子同时具有良好的矫顽力值和饱和磁通量密 度值两者。

图5是显示通过使用溶胶-凝胶涂布法制备具有硬-软磁性异质结 构的核-壳结构的纳米粒子的方法的图。

图6是显示通过使用反胶束法制备具有硬-软磁性异质结构的核- 壳结构的纳米粒子的方法的图。

上述实施方案和优点只是示例性的且不应解释为限制本发明。本 发明的教导能够容易地应用于其他类型的设备。本说明书旨在是示例 性的，且不限制权利要求书的范围。许多替代、变体和变化对于本领 域技术人员是明显的。本文中所述的示例性实施方案的特征、结构、 方法和其他特性可以以各种方式组合以获得另外和/或替代性的示例性 实施方案。

具体实施方式

现在将通过实施例对本发明进行更详细地说明。对于本领域技术 人员明显的是，这些实施例旨在为更具体地说明性的且附属权利要求 书中提出的本发明的范围不能限制为所述实施例或不能由所述实施例 限制。

实施例

使用溶胶凝胶涂布法制备具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米 粒子

根据图5中所示的方案，通过使用溶胶凝胶法制备了具有硬-软磁 性异质结构的核-壳结构的纳米粒子。

具体地，通过将2.16g的Fe-油酸盐(SIGMA-ALDRICH)添加到25 mL的乙醇中并对它们进行搅拌，制备了混合物溶液。然后，添加20mL 蒸馏水和2.7g铁氧体纳米粉末(SIGMA-ALDRICH)并搅拌以制备浆料 状态的溶液。

在搅拌期间在70℃下对这些制备的浆料状态的溶液进行加热以蒸 发溶剂，从而使得溶液变为粉末。为了完成涂布材料的吸收，在60℃ 的空气中将其加热并干燥12小时以形成粉末。

然后，在氩气(Ar)气氛下将温度以10℃/分钟从室温升至450℃之 后，通过在450℃的氢气气氛下培养1小时来实施还原工艺以将形成小 室(cell)的氧化铁还原成铁。然后，通过对前体粉末进行退火而得到核- 壳结构的钡铁氧体铁纳米粉末。

使用反胶束法制备具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子

根据图6中所示的方案，通过使用反胶束法制备了具有硬-软磁性 异质结构的核-壳结构的纳米粒子。

具体地，通过将以2:5的质量比包含异辛烷和蒸馏水的溶液(蒸馏 水3g，异辛烷22.5g)与表面活性剂混合，制备了第一溶液，所述表面 活性剂优选为磺酸盐(二(2-乙基己基)磺基琥珀酸钠)(ALTA AESAR)， 其中将蒸馏水与表面活性剂之间的浓度比[(蒸馏水)/(表面活性剂)]调节 为5。

与上述第一溶液分离，将0.1g钡铁氧体悬浮至浆料状态以制备3 mL的第二溶液。

然后，通过向3g蒸馏水中添加0.1g要涂布的Fe-硝酸盐 (SIGMA-ALDRICH)并搅拌，制备了第三溶液。

通过如下得到最终的溶液：将第二溶液添加到第一溶液中；使用 超声发生器(SONICS，VCX-750)对其进行搅拌；添加第三溶液并然后 再次使用超声发生器对其进行搅拌。

从最终的溶液，通过如下得到粉末：在300℃和10℃/分钟的升温 速率的条件下热风干燥1小时，从而通过快速干燥除去水并通过热处 理除去有机物质(AOT)，随后除去有机材料并吸收涂布材料。

然后，在氩气(Ar)气氛下将温度以10℃/分钟的速率从室温升至 450℃之后，通过在450℃的氢气气氛下培养1小时来实施还原工艺以 将形成小室的氧化铁还原成铁。然后，通过对前体粉末进行退火而得 到核-壳结构的钡铁氧体铁纳米粉末。

使用TEM(透射电子显微镜法)进行分析

使用TEM(Jeol，JEM2010)，对核-壳结构的钡铁氧体-铁纳米粉末 的形状和尺寸进行测量。

在将制备的核-壳钡铁氧体-铁纳米粉末置入乙醇中并使用超声发 生器对其进行分散之后，在铜网上滴加少量分散液。然后，在空气中 对其进行干燥以制备要利用TEM观察的样品并使用TEM对其形状和 尺寸进行测量。

图1是显示TEM图像的照片，其中可以确认，由于由铁构成的涂 布材料良好地吸收在钡铁氧体核上，所以完全形成了核-壳结构且测得 其直径为70～500nm。

测量磁性

使用VSM(振动样品磁强计，Toei，VSM-5)对制备的核-壳结构的 钡铁氧体铁纳米粉末的磁性进行测量并将其结果示于图2中。

如图2中所示，制备的核-壳结构的钡铁氧体-铁纳米粉末的矫顽力 和饱和磁化强度值分别为4130Oe和82emu/g，且确认，纳米粉末具有 硬磁相的高矫顽力和软磁相的高饱和通量密度两者。

制备磁体

本发明还提供一种通过使用具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构 的纳米粒子制备磁体的方法，在所述纳米粒子中软磁性壳包围硬磁性 核。

(1)制备粘结磁体

具体地，通过包括如下步骤的方法制备粘结磁体：(i)通过对具有 硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子进行分散而制备粉末；(ii) 通过将热固性或热塑性合成树脂与上述粉末进行混合而制备混合物； 以及(iii)通过对上述混合物进行挤出或注射而形成粘结磁体。

(2)制备烧结磁体

通过包括如下步骤的方法制备烧结磁体：(i)对根据上述制备方法 制备的具有硬-软磁性异质结构的核-壳结构的纳米粒子实施磁场成型； 和(ii)对上述成型体进行烧结。或者，可以应用将与上述步骤(i)和(ii) 相对应的磁场成型和烧结一体化的一个步骤的工艺。当实施磁场成型 时，外部磁场的施加方向可以为水平或竖直方向。关于烧结工艺，可 以从如下选择至少一种技术并加以应用：炉烧结、火花等离子体烧结 以及微波烧结和热压。