碳納米管（石墨烯）-錳鋅鐵氧體復(fù)合材料的溫控效應(yīng)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(guān)注和研究。但是目前應(yīng)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(yīng)的納米錳鋅鐵氧體顆粒與碳納米管相結(jié)合，制備出碳納米管/錳鋅鐵氧體復(fù)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(fù)合材料的產(chǎn)熱量提高，且該復(fù)合材料具有自發(fā)溫控效應(yīng)?？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(yīng)，分析認為材料反應(yīng)過程中是否隱藏著潛在的熱電效應(yīng)，其是否可以利用固體內(nèi)部載流子反復(fù)循環(huán)運動來實現(xiàn)熱能和電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換。因此研究碳納米管或石墨烯與錳鋅鐵氧體的復(fù)合材料，有望得到一種具有溫控效應(yīng)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(xué)意義和實用價值。目前對于同時具有溫控效應(yīng)和熱電效應(yīng)的多功能復(fù)合材料的研究還較少，本論文重點設(shè)計、制備了碳納米管（石墨烯）/錳鋅鐵氧體復(fù)合材料，并研究其溫控機理和熱電性能，具體內(nèi)容如下:
　　(1)通過化學(xué)共沉淀方法制備了碳納米管/錳鋅鐵氧體復(fù)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(fù)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(fù)合材

4、料的溫控調(diào)節(jié)范圍分布更均勻。研究了復(fù)合材料的質(zhì)量和電流強度對產(chǎn)熱量和升溫速度的影響，當(dāng)質(zhì)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(fù)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(fù)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(fù)合材料產(chǎn)熱的作用機制主要是通過改變晶體結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合材料的電導(dǎo)率，同時碳納米管有可能在粉體中形成渦流環(huán)路，相當(dāng)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(fù)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(yīng)，復(fù)合材料內(nèi)會產(chǎn)生電流，碳納米管的加入有可能使復(fù)合材料的熱電性能提高，從而發(fā)生Peltier效應(yīng)，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(nèi)，使局部范圍內(nèi)存在一個微小的磁場，由于電磁感應(yīng)而在導(dǎo)體碳納米管中產(chǎn)生局部電流，當(dāng)復(fù)合材料具有熱電性能時，同樣會產(chǎn)生電制冷現(xiàn)象，使復(fù)合材料在交變磁場下產(chǎn)生的一部分熱量被該效應(yīng)吸收，從而達到恒溫的效果。
　　(3)采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備出了致密度較高的塊體碳納米管/錳鋅鐵氧體復(fù)合材料，確定了SPS的最佳工藝條件為:燒結(jié)溫度750℃，燒結(jié)壓力40MPa，保溫5min。

7、對復(fù)合材料微觀形貌和熱電性能進行了分析，結(jié)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的熱電性能。碳納米管含量超過2wt％會導(dǎo)致復(fù)合材料由n型熱電材料轉(zhuǎn)變?yōu)閜型，計算得到n型復(fù)合材料的ZT值與p型相比要高出1～4個數(shù)量級。當(dāng)x=0.3，MWNTs含量為2wt％時，復(fù)合材料973K時的功率

8、因子PF=36.5μWm-1K-2，而熱導(dǎo)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(fù)合材料中存在熱電效應(yīng)，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(yīng)的作用同樣具有研究意義。
　　(4)采用化學(xué)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(fù)合塊體材料。兩種石墨烯的加入同樣會引起復(fù)合材料晶粒尺寸的增長，但與碳納米管/錳鋅鐵氧體復(fù)