碳納米管（石墨烯）-錳鋅鐵氧體復合材料的溫控效應和熱電性能研究.pdf

1、磁熱療因其具有副作用小、加熱范圍可控等優(yōu)點，已經(jīng)成為腫瘤治療的一種重要方法，近年來研究發(fā)現(xiàn)納米錳鋅鐵氧體具有飽和磁化強度高、良好的生物相容性和低毒性等優(yōu)點，是一種理想的磁熱療材料，得到了廣泛的關注和研究。但是目前應用于熱療的錳鋅鐵氧體，其精確控溫、穩(wěn)定恒溫和均勻分散的問題和仍是亟待解決的難點。為進一步改善其性能，本論文將具有磁熱效應的納米錳鋅鐵氧體顆粒與碳納米管相結合，制備出碳納米管/錳鋅鐵氧體復合材料。該研究發(fā)現(xiàn)碳納米管本身在交變磁場

2、中無明顯升溫，而適量碳納米管的加入反而可以使碳納米管/錳鋅鐵氧體復合材料的產(chǎn)熱量提高，且該復合材料具有自發(fā)溫控效應?？紤]到反常的升溫以及自發(fā)的控溫現(xiàn)象，必然存在某種原因影響材料在交變磁場下的磁熱效應，分析認為材料反應過程中是否隱藏著潛在的熱電效應，其是否可以利用固體內部載流子反復循環(huán)運動來實現(xiàn)熱能和電能之間的直接相互轉換。因此研究碳納米管或石墨烯與錳鋅鐵氧體的復合材料，有望得到一種具有溫控效應同時具有潛在熱電性能的多功能材料，該材料研究

3、具有重要的科學意義和實用價值。目前對于同時具有溫控效應和熱電效應的多功能復合材料的研究還較少，本論文重點設計、制備了碳納米管（石墨烯）/錳鋅鐵氧體復合材料，并研究其溫控機理和熱電性能，具體內容如下:
　　(1)通過化學共沉淀方法制備了碳納米管/錳鋅鐵氧體復合粉體，碳納米管的加入可以改善錳鋅鐵氧體顆粒的團聚現(xiàn)象。碳納米管和鋅離子可以有效控制復合材料的形貌、顆粒尺寸、產(chǎn)熱量和升溫速度。相對于僅僅金屬離子摻雜，碳納米管與錳鋅鐵氧體復合材

4、料的溫控調節(jié)范圍分布更均勻。研究了復合材料的質量和電流強度對產(chǎn)熱量和升溫速度的影響，當質量為0.1g，交變磁場電流為60A，x=0.3時，碳納米管含量為0wt％、2wt％和4wt％的復合材料可長時間穩(wěn)定在43.5℃、45.5℃和46.8℃，符合熱療42～48℃的溫度要求。
　　(2)對碳納米管/錳鋅鐵氧體復合粉體在交變磁場下的產(chǎn)熱及控溫機理進行探討和研究。Zn2+對復合材料產(chǎn)熱的作用機制主要是通過改變晶體結構來改變材料的比飽和磁化

5、強度和晶體尺寸，從而對磁滯損耗、渦流損耗、尼爾弛豫和布朗弛豫等產(chǎn)熱機制產(chǎn)生影響。而碳納米管對復合材料產(chǎn)熱的作用機制則是由于碳納米管的添加增加了復合材料的電導率，同時碳納米管有可能在粉體中形成渦流環(huán)路，相當于增加了材料的渦流環(huán)路直徑，從而增加了渦流損耗產(chǎn)熱。復合材料溫控機制除了錳鋅鐵氧體的低居里溫度外，另一個重要原因是由于法拉第電磁感應，復合材料內會產(chǎn)生電流，碳納米管的加入有可能使復合材料的熱電性能提高，從而發(fā)生Peltier效應，產(chǎn)生致

6、冷效果。此外，部分錳鋅鐵氧體顆粒有可能進入碳納米管管壁內，使局部范圍內存在一個微小的磁場，由于電磁感應而在導體碳納米管中產(chǎn)生局部電流，當復合材料具有熱電性能時，同樣會產(chǎn)生電制冷現(xiàn)象，使復合材料在交變磁場下產(chǎn)生的一部分熱量被該效應吸收，從而達到恒溫的效果。
　　(3)采用放電等離子燒結(SPS)技術制備出了致密度較高的塊體碳納米管/錳鋅鐵氧體復合材料，確定了SPS的最佳工藝條件為:燒結溫度750℃，燒結壓力40MPa，保溫5min。

7、對復合材料微觀形貌和熱電性能進行了分析，結果表明，適量鋅摻雜量可以降低晶粒尺寸，而碳納米管的加入會引起復合材料晶粒尺寸的增長，且含量越高粒徑越大。碳納米管為多壁碳納米管時的復合材料的ZT值最大，一定量的鋅離子和碳納米管的添加會提高復合材料的熱電性能。碳納米管含量超過2wt％會導致復合材料由n型熱電材料轉變?yōu)閜型，計算得到n型復合材料的ZT值與p型相比要高出1～4個數(shù)量級。當x=0.3，MWNTs含量為2wt％時，復合材料973K時的功率

8、因子PF=36.5μWm-1K-2，而熱導率僅為0.935Wm-1K-1，由此計算得到的ZT值達到0.038，由此可以證實復合材料中存在熱電效應，驗證了溫控機理分析的正確性，雖然與傳統(tǒng)熱電材料相比其ZT值較小，但其對溫控效應的作用同樣具有研究意義。
　　(4)采用化學共沉淀與SPS工藝制備出了致密度較高的石墨烯/錳鋅鐵氧體和RGO/錳鋅鐵氧體復合塊體材料。兩種石墨烯的加入同樣會引起復合材料晶粒尺寸的增長，但與碳納米管/錳鋅鐵氧體復