第八章 磁性高分子材料
第一节 概述
磁性材料的发展史
从几千年前，我们的祖先发现磁石可以吸引铁的现象，并在世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用，这一发明对航海业的发展起着重要的推动作用。人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史只有百年。随着社会发展和科技进步，磁性材料已经形成了一个庞大的家族。
 磁性材料是当前仅次于半导体材料的在高新技术与传统技术中都具有广泛应用的一类功能材料。其应用己经从传统的技术领域发展到高新技术领域，从社会生产扩大到百姓家庭，从单纯的磁学范围扩展到与磁学相关的交叉学科领域。磁性材料可用于制作变压器、马达、扬声器、磁致伸缩振子、磁记录介质、各类传感器、阻尼器、磁场发生器、电磁吸收体等各种各样的磁性器件。各种器件广泛应用于制造汽车、微机、音响设备、电视机、录像机、电话、洗衣机、吸尘器、电子钟表、电冰箱、空调、电饭锅、电表等产品。
在材料的发展史上，磁性材料领域曾长期为含铁族或稀土金属元素的合金和氧化物等无机磁性材料所独占。50年代以前为金属磁体的一统天下；50～80年代为铁氧体的兴盛时代，除电力工业以外，各应用领域中以铁氧体为主要磁性材料；90年代以来，纳米结构的金属磁性材料的崛起，成为铁氧体的有力竞争者。见图8-1。
但是，由于传统的磁性材料必须经过高温冶炼的过程，而且比重大、韧性差、硬度高、加工成型困难、磁损耗大等原因使传统的无机磁性材料在高新技术和尖端科技的一些方面受到了很大限制。如电子工业的微型化，空间动力系统、宇宙航行控制系统的轻型化，以及一些复杂形状的磁性器件的制备等。而有机磁性材料因其结构种类的多样性，可用化学方法合成，可得到磁性能与机械、光、电等方面结合的综合性能，具有磁损耗小、质轻、柔韧性好、加工性能优越等优点，
在超高频装置、高密度存储材料、吸波材料、微电子工业和宇航等需要轻质磁性材料的领域有很大的应用前景。
    一般的有机化合物，其组成原子之间以电子对形成共价键，因此不显示磁性(即反磁性)。有机高分子和磁性材料虽然有很多重要的关系，例如，磁带、磁盘、橡胶磁石等，但在这些材料中，高分子化合物只是作为磁性金属的分散基材而被利用。
                                       坡莫合金
                             合金软磁材料    硅铁合金
                                             磁介质
                                             MnAlC合金永磁
                                             Co钢
                             合金永磁材料    AlNiCo磁钢
                                             稀土永磁材料
            合金磁性材料                     粘结（塑性）稀土永磁材料
                                磁带电机转子、存储器
               合金半永磁材料   电子开关
               合金矩磁材料     金属磁性薄膜
                                合金磁矩
                        合金磁致伸缩材料
无机磁性材料
                             铁氧体软磁
                             铁氧体永磁
                             铁氧体旋磁
           铁氧体磁性材料    铁氧体矩磁
                             铁氧体压磁
                             塑性（粘结）铁氧体永磁
                             塑性（粘结）铁氧体软磁
                         铁氧体吸波材料
      图8-1 无机磁性材料或以无机物质为主的混合磁性材料
与有机化合物不显示磁性的固有概念相反，有机磁性材料作为一种全新的磁石诞生，其研究设计的范围很广，  既有以过渡金属离子为自旋源的络合物也有金属离子与以有机自由基为配基的复合体，以及纯有机自由基分子。例如，Miller、
Epstein等开发的十甲基二茂铁·四氟乙烯在居里温度Tc＝4．8K以下是强磁性体。还有一些关于低分子有机自由基结晶的报道，但由于其分子间的相互作用
是以分子间空间为介导的，Tc一般都很低，在2K以下。
二、物质的磁性
1磁性来源
物质的磁性是指其在外磁场H中能够感应出磁矩的性能。物质磁性的强弱可由磁化强度M来表示。M的定义为单位体积中的磁矩矢量总和。物质内的磁感应强度B定义为B＝μ0H + M，式中，μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7亨每米(H／m)，磁场强度和磁化强度单位是安每米(A／m)，磁感应强度单位为T(Tesla)。另外，磁化率χ＝M/H，反映了物质磁化的难易程度。磁导率为μ=B/μ0H。根据χ的大小，物质可分为抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性、亚铁磁性五大类。其中顺磁性物质的磁性很弱，其磁化率χ在10-3～10-6数量级；铁磁性和亚铁磁性的磁化率χ在10～10-6数量级，一般统称为强磁性。
物质所呈现的磁性，一般来源于电子自旋磁矩、原子轨道磁矩、原于核自旋磁矩和分子转动磁矩。其中原于核自旋磁矩只有电子自旋磁矩的几千分之一，而固体分子的转动磁矩也非常小，所以起主要作用的是电子自旋磁矩和原子轨道磁矩。顺磁性和铁磁性物质的磁性，主要来源于电子自旋磁短。凡是过渡族元素，自由基和三线态中的未成对电子均具有顺磁性。未成对电子的交换作用可产生强磁性；若未成对电子自旋同向排列，可形成磁畴，从而产生铁磁性。通常实用的磁性材料属于强磁性物质。
2聚合物的的电子磁性
无论分子是否具有永久磁矩，在磁场中都要产生一些与磁场方向相反的诱导磁矩，这是材料表现逆磁性的原因，为物质的本征性质，其磁化率为负值，且数值较小。而自旋顺磁性则与未成对电子的存在有关。电子自身是—个小磁石，有一个磁偶极，具有玻尔磁子β，没有构成电子对的分子即为一永久磁偶极，即顺滋性分子，其磁化率χpara为正值。当未成对子属于定域态或较少离域(不饱和键、自由基等)，则无相互作用用时，则顺磁磁化率服从下列居里定律：
               （8-1）
    其中N是观测自旋数，g是平均朗德因子，μB是玻尔磁子，k是Boltzmann常数，T是绝对刊温度。
当末成对电子在导带中离域时，其磁化率χp则服从Pauli定律，
                   （8-2）
其中n(εF)是Fermi能级εF的态密度。
在掺杂半导体中，由于轨道顺磁性大于电子顺磁性，其磁化率便服从朗道定律：                                       （8-3）
顺磁性分子的磁偶极在磁场中的定向是
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