一种基于热重变化测量磁性纳米颗粒居里温度的方法与流程

本发明属于磁性材料的测量领域，涉及到磁性纳米颗粒磁学性质的测量，特别涉及到一种基于热重变化测量磁性纳米颗粒居里温度的方法。

背景技术：

居里温度是磁性材料的一种二级相变温度，是指磁性材料中自发磁化强度降低到零的温度，是(亚)铁磁性转变为顺磁性的临界温度。当温度低于居里温度时，磁性材料为(亚)铁磁性，容易被外加磁场所磁化。当温度超过居里温度时，磁性材料为顺磁磁性，难以被外加磁场所磁化。

居里温度是磁性材料重要的一个性能参数，根据电路需求和工作条件的不同，需要选择不同居里温度的磁芯。因为一旦磁芯温度超过其居里温度，它的磁导率就会急剧下降，从而导致磁芯的电磁效应失效，电路无法正常工作。另外，利用磁性材料的居里温度特性可将其作为磁控元件来控制仪器的工作状态，如电磁保护开关，磁感应热疗时的温度控制等。显然，准确测量磁性材料的居里温度至关重要。最常见的测量居里温度的方法是根据磁性材料磁化强度随温度的升高而降低的特性，利用超导量子干涉仪磁强计在一个确定的外加磁场中测量磁性材料的磁化强度随温度变化的曲线，即m-t曲线，然后在m-t曲线斜率最大处作切线，该切线与温度轴(横坐标)的交点即为磁性材料的居里温度。

超导量子干涉仪磁强计设备价格较贵，操作过程较为繁琐，且在通过m-t曲线测量居里温度时通常需要额外加载一个高温器件，对操作人员技术要求较高，操作不当容易损坏高温器件，导致较高的维修费用。特别是，超导量子干涉仪磁强计一般情况下难以直接用于测量粉末样品，需要对粉末样品进行一定的后处理，如通常需要将待测粉末样品压制成块体以便于测量。所以，采用这种方法测量磁性纳米颗粒粉末的居里温度应用受到限制。中国专利公开号cn104568209a(申请号:cn201510006987.2)公开了一种基于热重变化的磁性材料居里温度测量方法。该方法所利用的热重分析仪是一种在程序控温下测量物质质量随温度变化关系的仪器，价格相对便宜，且该仪器本身就具有加热功能，不需要额外加载高温器件，操作简单方便。但该方法对样品要求苛刻，主要适用于纳米颗粒形状单一、尺寸均匀分布、磁晶各向异性常数相同的样品，这是因为该方法是通过热重分析仪测量一定磁场下磁性材料质量m随温度t的变化曲线，即m-t曲线，该曲线一阶导的最大值所对应的温度即为测试样品的居里温度。如果样品中磁性纳米颗粒的形状、尺寸、磁晶各向异性非均一，实质上只是测得部分纳米颗粒的居里温度，不能真实反映磁性纳米颗粒的居里温度。

受工艺参数和操作误差所限，制备的磁性纳米颗粒通常在形状、尺寸、磁晶各向异性常数上都是非均一的、存在一定范围的分布。针对此类样品，本发明提出一种利用热重分析测量居里温度的方法。该方法不需要对粉末状磁性纳米颗粒进行任何后处理，可以直接测量磁性纳米颗粒粉末样品的居里温度，操作简单方便，易于推广，且适用于颗粒形状、尺寸、磁晶各向异性常数上都是非均一的磁性纳米颗粒样品。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于热重变化测量颗粒形状、尺寸、磁晶各向异性常数上都是非均一的纳米颗粒样品居里温度的方法，利用热重分析仪在静磁场下测量磁性纳米颗粒的m-t曲线，并在其斜率最大处作切线，该切线与曲线平衡时反向延长线的交点即为磁性纳米颗粒粉末样品的居里温度。其基本原理是用磁性纳米颗粒质量随温度的变化来表征磁化强度随温度的变化，磁化强度减小到近似为零时的温度即为磁性纳米颗粒的居里温度，反应了纳米颗粒形状、尺寸、磁晶各向异性常数差异对测得居里点的影响。如图1所示，在磁场的作用下，装载在热重分析仪天平上的磁性纳米颗粒受到磁场力的作用使得天平的视重小于纳米颗粒的实际质量。随着温度的增加，磁性纳米颗粒的磁化强度减小，受到磁场的作用力也随之减小，从而使得天平视重逐渐增加，当温度升高到使全部磁性纳米颗粒都转变成顺磁性的时候(即居里温度)，磁性纳米颗粒受到的磁场作用力近似为零，此时天平的视重等于纳米颗粒的实际质量，不再随温度的升高而变化，即m-t曲线达到平衡。

本发明采用的技术方案具体为：

一种基于热重变化测量磁性纳米颗粒居里温度的方法，包括以下步骤：

第一步，准备测试样品

将待测磁性纳米颗粒采用玛瑙研钵充分研磨，之后称取10-30mg细腻松散的磁性纳米颗粒粉末样品用于后续的测量；

第二步，调零

将加盖的空坩埚2放置于热重分析仪的天平4上，并在天平4的正上方放置磁铁1以提供测量所需的静磁场。待天平4示数稳定后，设置清零，将天平示数调整为零，以尽可能的消除系统误差；

第三步，测量

将第一步称取好的样品加入到坩埚2中，盖上坩埚盖后放置到天平4上，升温速度设定为1-5℃/min，通上保护气体后即可开始加热，并记录和绘制测试样品的m-t曲线。需要注意的是升温速度不能过快，否则会在系统尚未进入稳定状态时温度已经超过样品居里温度，使得测量结果偏差较大。

第四步，数据处理

将第三步中得到的样品的m-t曲线求一阶导，确定其斜率最大位置，然后过该点做切线，该切线与曲线平衡时反向延长线的交点即为样品的居里温度。

进一步的，第三步通入的保护气体为氮气、氩气、氦气等,以避免样品在加热的过程中进一步氧化。

本发明的有益效果为：本发明的主要目的是测量磁性纳米颗粒粉末样品的居里温度，采用的是简单经济的热重分析仪，测量方法简单，操作方便，所得结果与超导量子干涉仪磁强计测量结果一致，能够显著降低磁性纳米颗粒粉末样品居里温度的测量成本。

附图说明

图1本发明测量装置示意图；

图2样品的m-t曲线；

图3-图5为采用三种方法测量的同一磁性纳米颗粒的居里温度：图3为超导量子干涉仪磁强计；图4为本发明方法；图5为中国专利(开号cn104568209a)公开的方法。

图中：1磁铁；2坩埚；3电脑；4天平。

具体实施方式

以下将结合技术实现方案和附图说明中的图4详细介绍本发明的具体实施方式。

一种基于热重变化测量磁性纳米颗粒居里温度的方法，包括以下步骤：

(1)测试样品准备：将制备好的zn0.54co0.46cr0.6fe1.4o4磁性纳米颗粒进行充分研磨，之后称取约10mg细腻松散的样品待用；

(2)调零：将加盖的空坩埚2置于天平4上，然后在天平4的正上方放置一个100*50*10mm³的磁铁1，天平4与电脑3连接，如图1所示；待天平示数稳定后清零；

(3)测量：从天平4上取出坩埚2，将称取好的样品加入到坩埚2中，盖上坩埚盖后再放置到天平4上，设置升温速率为5℃/min，通上氩气作为保护气体并开始加热升温，记录m-t曲线，如图2所示；

(4)数据处理：对测量得到的m-t曲线求一阶导，确定其斜率最大位置，然后过该点做切线，切线与m-t曲线平衡时反向延长线的交点即为样品的居里温度，如图4所示。

本发明的测量居里温度的方法与超导量子干涉仪磁强计测量测量居里温度的方法在本质上是相同的，在数值结果也相一致。如图3-图5所示，图3为超导量子干涉仪磁强计测量的磁性纳米颗粒样品的居里温度(外加磁场强度为50oe，测试温度范围为5-400k)，为常规的居里温度测量方法；图4为本发明利方法测量的样品居里温度示；图5为利用中国专利(公开号cn104568209a)公开的方法测量的样品居里温度。三种方法所测量的样品为同一磁性纳米粉末。由图3-图5可知，中国专利(公开号cn104568209a)公开的方法测量得到的居里温度与常规测量方法(超导量子干涉仪磁强计)得到的居里温度相差33.8％，而本发明测量的居里温度与常规测量方法得到的结果仅相差0.9％，测量结果准确可靠，且操作方法比常规方法更为简单方便。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。