共沉淀法錳鋅鐵氧體的制備及其磁性能

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(1．中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院，河南鄭州 450007;2．同濟大學(xué)材料學(xué)院)

種子熱療法是將能發(fā)熱的種子植入骨腔，在外界交變磁場作用下，使其對腫瘤加熱，消滅骨科手術(shù)時不能完全切除的殘余癌細胞，是近年發(fā)展起來的一種新型治療方法[1-2]。該方法的致命缺點是既不能測定已介入體內(nèi)的種子的溫度，又不能直接、精確地對溫度加以控制。溫度太低，對癌細胞無作用；溫度太高，又會使正常細胞受到傷害，所以目前植入種子熱療治癌仍處于動物實驗階段。

以新型的低居里溫度的鐵氧體作為發(fā)熱種子材料，可自動調(diào)節(jié)種子熱源溫度，從而克服了當(dāng)前植入種子熱療法的缺點[3]。筆者采用共沉淀法制備了錳鋅鐵氧體前驅(qū)體粉末，經(jīng)壓塊處理后，燒結(jié)得到了幾種可用于熱磁治癌的錳鋅鐵氧體。對所制備的錳鋅鐵氧體前驅(qū)體的粒度及錳鋅鐵氧體的XRD、形貌及磁性能等進行了測試與分析，為錳鋅鐵氧體在種子熱療法中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 實驗

1．1 原料

草酸胺，化學(xué)純；硫酸亞鐵、硫酸錳、硫酸鋅、氨水，均為分析純。

1．2 樣品分析與性能測試

采用美國貝克曼庫爾特公司生產(chǎn)的LS粒度分析儀進行粒度分析；采用D/max 2550型X射線衍射儀對錳鋅鐵氧體進行物相分析；采用FD-TX-FM-A古埃磁天平檢測錳鋅鐵氧體的磁性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 錳鋅鐵氧體前驅(qū)體的粒度分析

圖1是錳鋅鐵氧體前驅(qū)體的粒度分布曲線。從圖1可以看出，通過共沉淀法制備出的錳鋅鐵氧體粒徑為納米級，并且具有較好的均勻性。因此試樣粉末具有較好的活性，有利于固相反應(yīng)的進行。

圖1 錳鋅鐵氧體前軀體的粒度分布曲線

2.2 錳鋅鐵氧體的XRD分析

圖2為錳鋅鐵氧體的XRD譜圖。從圖2可見，燒成后所得樣品為單一尖晶石相錳鋅鐵氧體。

圖2 錳鋅鐵氧體的XRD譜圖

2.3 錳鋅鐵氧體磁性能的測試與分析

2.3.1 磁化率(x)的測試與分析

對經(jīng)過熱處理的錳鋅鐵氧體粉末用磁天平測量其磁化率，結(jié)果見表1。從表1可見，盡管是經(jīng)過同一熱處理制度處理過的樣品，但是各配方之間的磁化率有較大的差別，并呈現(xiàn)相應(yīng)的規(guī)律性。

表1 錳鋅鐵氧體的磁化率及金屬氧化物含量

圖3為錳鋅鐵氧體的磁化率柱狀示意圖。由圖3可見，隨試樣中ZnO含量的逐漸降低、Fe2O3含量的增大(MnO含量變化不大)，試樣的磁化率有明顯的增長。錳鋅鐵氧體為亞鐵磁性物質(zhì)，根據(jù)L.E.F.Neel的理論[4]，在錳鋅鐵氧體材料中，占據(jù)A位與B位的金屬離子的磁矩相互之間抵消，抵消后剩余的磁矩矢量和為錳鋅鐵氧體的磁性。在錳鋅鐵氧體的晶格中，占據(jù)A位與B位的金屬離子被半徑較大的O2-隔開，以至于它的電子波函數(shù)(環(huán)形軌道)很少重疊，因此不可能有直接的交換作用。導(dǎo)致錳鋅鐵氧體磁性的不是磁性離子間的直接交換作用，而是通過夾在磁性離子間的氧離子而形成的間接交換作用。在錳鋅鐵氧體中，Zn2+為零磁矩離子，有強烈的占據(jù)A位的趨勢。在引入Zn2+后會將原本占據(jù)A位的離子擠到B位上去，分別占據(jù)A位與B位的Fe2+或Fe3+的含量同樣會發(fā)生變化，這就會導(dǎo)致錳鋅鐵氧體磁性的變化。由此可知，在錳鋅鐵氧體中，隨ZnO含量的降低、Fe2O3含量的升高，錳鋅鐵氧體的磁化率會逐漸升高。

圖3 錳鋅鐵氧體的磁化率柱狀示意圖

2.3.2 磁滯回線的測試與分析

取一組經(jīng)過燒結(jié)的試樣，分別稱取約50 mg，測試其矯頑力Hc與磁滯回線,結(jié)果如表2所示。

表2 錳鋅鐵氧體的比飽和磁化強度和矯頑力

由表2可以看出，樣品的矯頑力在1 194.0～3 980.0 A/m時比飽和磁化強度較低，最高僅為18.9 A·m2/kg，這說明錳鋅鐵氧體樣品的比飽和磁化強度不是很理想，但樣4的效果要明顯好于樣5、樣6。一般來說，樣品的粒度越小，其矯頑力會相應(yīng)增大，但樣4～5的矯頑力都較低，與理想狀態(tài)還存在一定的距離。可以通過改進工藝，降低粒度的方法加以解決。

從表2還可見，樣5與樣6的比飽和磁化強度與樣4存在較大的差距。磁性材料的比飽和磁化強度受晶粒尺寸、分布等微觀結(jié)構(gòu)的影響很大。樣6的配方中，ZnO的含量相對較低，F(xiàn)e2O3的含量相對較高，離子的分布影響到其A位與B位之間的間接交換作用，進而在宏觀上呈現(xiàn)出的比飽和磁化強度也就較低。

圖4為錳鋅鐵氧體的磁滯回線。從圖4可見，3種樣品都具有典型的磁滯回線形狀。磁學(xué)理論表明，鐵磁性物質(zhì)的熱磁效應(yīng)與磁滯回線的面積成正比關(guān)系。即磁性物質(zhì)的磁滯回線的面積越大，其相應(yīng)的熱磁效應(yīng)就越大，即在相同條件下單位時間內(nèi)的發(fā)熱量越大。從圖4還可見，樣4的磁滯回線具有相對較大的面積，這是由于其比飽和磁化強度與矯頑力較其他2個樣品大，具體原因與表2分析相一致。

a—樣4；b—樣5；c—樣6

圖4錳鋅鐵氧體的磁滯回線

3 結(jié)論

在適當(dāng)條件下，以硫酸亞鐵、硫酸鋅、硫酸錳及草酸胺為原料，采用化學(xué)共沉淀法，可以制得分布均勻的納米級錳鋅鐵氧體前驅(qū)體。經(jīng)過燒結(jié)的樣品為單一的尖晶石相錳鋅鐵氧體。錳鋅鐵氧體具有較高的磁化率，標(biāo)準(zhǔn)的磁滯回線，其磁化率隨含鋅量的降低、含鐵量的增加而逐漸升高。

[1] Kawashita M，Tanaka T，Kokubo T,et al.Preparation of magnetite microspheres for hyperthermia of cancer[J].Key Engineering Materials,2002,218/219/220:645-648.

[2] Matsuoka Fumiko,Shinkai Masashige,Honda Hiroyuki,et al.Hyperthermia using magnetite cationic liposomes for hamster osteosarcoma[J].Biomagnetic Research and Technology,2004,2:3.

[3] 張娟，黃文旵，趙慧君．錳鋅鐵磁性微粉制備及其應(yīng)用[J]．建筑材料學(xué)報．2003，6(3)：279-284.

[4] 王食宗.磁性材料及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.