居里溫度與磁熱鐵氧體材料的制備及磁熱效應(yīng)的研究

居里溫度與磁熱鐵氧體材料的制備及磁熱效應(yīng)的研究

癌癥是人類破壞人類生活和健康的主要疾病之一。為了捕捉這種疾病，已經(jīng)研究和經(jīng)驗(yàn)了許多治療方法，如手術(shù)切除、化療、放療、熱療和饑餓療法。然而，從目前的治療效果來(lái)看，不同的治療方法并不能避免一些治療的限制和副作用，因此它們的治療效果并不理想。其中，熱療法經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，取得了一些成果。從最初的外部加熱治療轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部加熱治療。然而，熱療法也面臨著正確控制加熱和測(cè)量體內(nèi)溫度以及均勻加熱等問(wèn)題。為了克服熱療過(guò)程中所遇到的上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外開始了能智能控制溫度的內(nèi)加熱磁性材料的研究.這種磁性材料的類型有細(xì)針式合金、磁性微粉、鐵氧體等.它們的共同特點(diǎn)是都能夠在外加交變磁場(chǎng)或電磁波的作用下發(fā)熱,但并非都具有能自動(dòng)控制發(fā)熱體溫度的特點(diǎn).鐵氧體材料因?yàn)榫哂懈唠娮杪屎洼^高的居里溫度(一般為200～650°C),使其能在較廣的溫度范圍內(nèi)使用,因而多年來(lái)已在電子、自動(dòng)控制、微波技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用.但是從內(nèi)加熱治療的具體過(guò)程和要求考慮,應(yīng)該制備能與人體體液相適應(yīng)的,具有低居里溫度、能發(fā)熱的鐵氧體材料,將其充填于生物相容性優(yōu)異的多孔玻璃微球中,充當(dāng)內(nèi)加熱治療的熱籽材料,這樣才能達(dá)到既灼燒腫瘤細(xì)胞,又使正常細(xì)胞存活的目的.本研究的目的即是制備這種低居里溫度的磁熱鐵氧體材料,并嘗試以居里溫度的降溫測(cè)量法來(lái)驗(yàn)證居里溫度與試樣組成的關(guān)系.1樣品制備1.1mn-zn鐵氧體的居里溫度設(shè)計(jì)由于Mn-Zn鐵氧體是使用最廣泛,制備工藝最成熟的鐵氧體材料之一,所以試驗(yàn)選用Mn-Zn鐵氧體作為研究對(duì)象.考慮到材料的傳熱溫度梯度,以及體內(nèi)血流引起的散熱等因素,將居里溫度設(shè)計(jì)得略高于熱療所需要的溫度.初步確定樣品的居里溫度Tc為60°C左右.在以往試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,并參考了有關(guān)文獻(xiàn)后,選擇了如表1所示的組成.1.2試樣的磁學(xué)性能測(cè)定將化學(xué)純的Fe2O3,ZnO,MnO2按表1所示比例在瓷研缽中混合均勻,置于坩堝中.在900°C下預(yù)燒2h,然后在1300°C下燒成,保溫1h,淬冷至室溫.將冷卻的試樣磨碎成粉末,做磁學(xué)性能測(cè)試.2性能試驗(yàn)結(jié)果2.1磁滯回線測(cè)試室溫下,對(duì)1#試樣用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(EG&GPRI-NCETON155型)測(cè)量試樣的磁滯回線,見圖1所示.測(cè)試結(jié)果為矯頑力Hc=702A/m,飽和磁化強(qiáng)度σs=53.7×10-4T/g,剩磁σr=2.1×10-4T/g.由測(cè)試結(jié)果可知,試樣具有典型的鐵氧體磁滯回線.2.2傳感器的溫度測(cè)試取燒成磨碎后的粉末狀試樣約4g,測(cè)量其磁熱效應(yīng).將AD590傳感器埋入試樣中,在室溫28～32°C,磁通密度4～7mT,頻率50kHz的交變磁場(chǎng)作用下,利用DF-830數(shù)字電壓表記錄傳感器的溫度變化情況.電壓讀數(shù)每變化5mV,其對(duì)應(yīng)的溫度變化是1°C.經(jīng)過(guò)66min后,1#～4#試樣的溫度分別升高了3.6,3.6,3.4,3.8°C.測(cè)試示意圖見圖2所示.2.3冷卻曲線的測(cè)量采用降溫法測(cè)量試樣的居里溫度.將試樣置于均勻冷卻系統(tǒng)中,讓其分別在加磁場(chǎng)和不加磁場(chǎng)的情況下降溫,記錄下試樣的冷卻曲線.2條曲線分離點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度可視為試樣大致的居里溫度.測(cè)量結(jié)果見圖3所示.從圖中2條曲線的分離點(diǎn)可以確定,1#～4#樣品的居里溫度分別是69,70,62,63°C.3分析與討論3.1磁熱效應(yīng)試驗(yàn)鐵氧體在交變磁場(chǎng)中發(fā)熱,使試樣自身溫度升高的原因是由于它在交變磁場(chǎng)中對(duì)電磁能的消耗,包括渦流損耗Pe、磁滯損耗Ph和剩余損耗Pc.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,磁性材料的交流磁化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),因而會(huì)產(chǎn)生渦電流.渦電流大小與材料的電阻率成反比.由文獻(xiàn)可知,Pe不僅與頻率和磁通密度有關(guān),而且還取決于產(chǎn)品的幾何形狀及內(nèi)部的電阻率ρ.ρ隨頻率的升高而降低,從而導(dǎo)致高頻條件下渦流損耗的增加.本試驗(yàn)制備的試樣屬于高電阻率的材料,在50kHz下的渦流損耗在總損耗中所占的比例并不大.除磁滯損耗、渦流損耗外的其他損耗均歸結(jié)為剩余損耗.引起剩余損耗的原因較多,但尚不完全清楚.在低頻和弱磁場(chǎng)條件下,剩余損耗主要是由磁后效引起的,通?？梢院雎允Ｓ鄵p耗的影響.因此,試樣在磁熱效應(yīng)中的發(fā)熱主要來(lái)自于它的磁滯損耗.磁滯損耗是在不可逆躍變的動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程中,因克服各種阻尼作用而損耗的由外磁場(chǎng)供給的部分能量.單位體積樣品磁化1周的磁滯損耗可以用下面的公式計(jì)算即磁滯損耗為磁滯回線所包圍的面積.上式中,H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度,B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度.這樣,在交變磁場(chǎng)中每秒內(nèi)的磁滯損耗功率為上式中,f表示磁場(chǎng)頻率.所以,要提高試樣的發(fā)熱量,就要增加改變材料磁疇大小的能量.從(2)式可知,要提高磁滯損耗的功率,還應(yīng)該在適用的范圍內(nèi)盡量使用更高的磁場(chǎng)頻率.本次磁熱效應(yīng)試驗(yàn),是將一種熱敏電阻式的傳感器深埋在試樣中,傳感器的電阻隨試樣溫度的變化而變化,從而導(dǎo)致電阻箱兩端的電壓發(fā)生微弱變化,并給出溫度變化的信號(hào),再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度變化幅度.在試驗(yàn)過(guò)程中,試樣的損耗發(fā)熱除了使自身和傳感器溫度升高以外,還會(huì)向周圍環(huán)境散熱.當(dāng)由試樣的磁滯損耗所產(chǎn)生的熱量與其向周圍散發(fā)的熱量相當(dāng)時(shí),即使整個(gè)過(guò)程達(dá)到平衡.試驗(yàn)中試樣溫度升高3～4°C.試驗(yàn)結(jié)果和磁滯回線測(cè)量結(jié)果均證實(shí)了試樣在交變磁場(chǎng)下具有明顯的磁熱效應(yīng).試驗(yàn)中由于磁熱效應(yīng)發(fā)熱量偏低,試樣的溫度尚未達(dá)到其居里溫度值,因此由居里溫度自動(dòng)控制升溫溫度的功能尚未發(fā)揮出來(lái).為了進(jìn)一步減少試驗(yàn)設(shè)備的誤差,應(yīng)盡量在絕熱以及更加精確測(cè)量的情況下測(cè)量試樣的磁熱效應(yīng).3.2試樣的磁矩與居里溫度本試驗(yàn)制備的鐵氧體試樣中,其氧離子是非磁性離子.它除了將陽(yáng)離子隔開,起著沖淡磁性離子的作用外,還能使相鄰陽(yáng)離子產(chǎn)生相互作用.這種作用是以氧離子作為媒介的間接交換作用,可以導(dǎo)致相鄰陽(yáng)離子的磁矩成反平行排列,這樣2個(gè)磁性離子合成的總磁矩是相互抵消后剩余的磁矩,這種強(qiáng)磁性稱為亞鐵磁性.鐵氧體就是亞鐵磁性材料.試樣的磁特性隨溫度的變化而改變,當(dāng)溫度上升到某一溫度時(shí),鐵磁性材料或亞鐵磁性材料就由鐵磁狀態(tài)或亞鐵磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài),該溫度即稱為居里溫度.本試驗(yàn)選用烘箱降溫法測(cè)量居里溫度,主要是考慮操作簡(jiǎn)單,成本低等因素.各個(gè)試樣的居里溫度在62～70°C之間,稍高于預(yù)期的居里溫度值.試樣的居里溫度主要由Fe2O3和ZnO的含量決定,燒結(jié)過(guò)程中Zn的揮發(fā)是重要因素,設(shè)備簡(jiǎn)單使測(cè)量本身產(chǎn)生誤差也是一個(gè)因素.ZnO含量的變化會(huì)影響到居里溫度的變化.Zn2+的磁矩為零,為非磁性離子.Zn2+在鐵氧體的尖晶石結(jié)構(gòu)中占據(jù)A位的傾向十分強(qiáng)烈,總是將原來(lái)占據(jù)A位的離子擠到B位中去,導(dǎo)致A-B相互作用減弱,失去其支配地位.在一定范圍內(nèi),鐵氧體中ZnO的含量增加,試樣的居里溫度就會(huì)降低.這與本次試驗(yàn)的結(jié)果相符.4試樣內(nèi)加熱材料的確定1.利用傳統(tǒng)的氧化物法成功制備了居里溫度為60°C左右的磁熱性鐵氧體材料.2