居里温度与磁热铁氧体材料的制备及磁热效应的研究

居里温度与磁热铁氧体材料的制备及磁热效应的研究

癌症是人类破坏人类生活和健康的主要疾病之一。为了捕捉这种疾病，已经研究和经验了许多治疗方法，如手术切除、化疗、放疗、热疗和饥饿疗法。然而，从目前的治疗效果来看，不同的治疗方法并不能避免一些治疗的限制和副作用，因此它们的治疗效果并不理想。其中，热疗法经过多年的发展，取得了一些成果。从最初的外部加热治疗转变为内部加热治疗。然而，热疗法也面临着正确控制加热和测量体内温度以及均匀加热等问题。为了克服热疗过程中所遇到的上述问题,国内外开始了能智能控制温度的内加热磁性材料的研究.这种磁性材料的类型有细针式合金、磁性微粉、铁氧体等.它们的共同特点是都能够在外加交变磁场或电磁波的作用下发热,但并非都具有能自动控制发热体温度的特点.铁氧体材料因为具有高电阻率和较高的居里温度(一般为200～650°C),使其能在较广的温度范围内使用,因而多年来已在电子、自动控制、微波技术、电子计算机等领域获得了广泛应用.但是从内加热治疗的具体过程和要求考虑,应该制备能与人体体液相适应的,具有低居里温度、能发热的铁氧体材料,将其充填于生物相容性优异的多孔玻璃微球中,充当内加热治疗的热籽材料,这样才能达到既灼烧肿瘤细胞,又使正常细胞存活的目的.本研究的目的即是制备这种低居里温度的磁热铁氧体材料,并尝试以居里温度的降温测量法来验证居里温度与试样组成的关系.1样品制备1.1mn-zn铁氧体的居里温度设计由于Mn-Zn铁氧体是使用最广泛,制备工艺最成熟的铁氧体材料之一,所以试验选用Mn-Zn铁氧体作为研究对象.考虑到材料的传热温度梯度,以及体内血流引起的散热等因素,将居里温度设计得略高于热疗所需要的温度.初步确定样品的居里温度Tc为60°C左右.在以往试验的基础上,并参考了有关文献后,选择了如表1所示的组成.1.2试样的磁学性能测定将化学纯的Fe2O3,ZnO,MnO2按表1所示比例在瓷研钵中混合均匀,置于坩埚中.在900°C下预烧2h,然后在1300°C下烧成,保温1h,淬冷至室温.将冷却的试样磨碎成粉末,做磁学性能测试.2性能试验结果2.1磁滞回线测试室温下,对1#试样用振动样品磁强计(EG&GPRI-NCETON155型)测量试样的磁滞回线,见图1所示.测试结果为矫顽力Hc=702A/m,饱和磁化强度σs=53.7×10-4T/g,剩磁σr=2.1×10-4T/g.由测试结果可知,试样具有典型的铁氧体磁滞回线.2.2传感器的温度测试取烧成磨碎后的粉末状试样约4g,测量其磁热效应.将AD590传感器埋入试样中,在室温28～32°C,磁通密度4～7mT,频率50kHz的交变磁场作用下,利用DF-830数字电压表记录传感器的温度变化情况.电压读数每变化5mV,其对应的温度变化是1°C.经过66min后,1#～4#试样的温度分别升高了3.6,3.6,3.4,3.8°C.测试示意图见图2所示.2.3冷却曲线的测量采用降温法测量试样的居里温度.将试样置于均匀冷却系统中,让其分别在加磁场和不加磁场的情况下降温,记录下试样的冷却曲线.2条曲线分离点所对应的温度可视为试样大致的居里温度.测量结果见图3所示.从图中2条曲线的分离点可以确定,1#～4#样品的居里温度分别是69,70,62,63°C.3分析与讨论3.1磁热效应试验铁氧体在交变磁场中发热,使试样自身温度升高的原因是由于它在交变磁场中对电磁能的消耗,包括涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph和剩余损耗Pc.根据法拉第电磁感应定律,磁性材料的交流磁化过程会产生感应电动势,因而会产生涡电流.涡电流大小与材料的电阻率成反比.由文献可知,Pe不仅与频率和磁通密度有关,而且还取决于产品的几何形状及内部的电阻率ρ.ρ随频率的升高而降低,从而导致高频条件下涡流损耗的增加.本试验制备的试样属于高电阻率的材料,在50kHz下的涡流损耗在总损耗中所占的比例并不大.除磁滞损耗、涡流损耗外的其他损耗均归结为剩余损耗.引起剩余损耗的原因较多,但尚不完全清楚.在低频和弱磁场条件下,剩余损耗主要是由磁后效引起的,通常可以忽略剩余损耗的影响.因此,试样在磁热效应中的发热主要来自于它的磁滞损耗.磁滞损耗是在不可逆跃变的动态磁化过程中,因克服各种阻尼作用而损耗的由外磁场供给的部分能量.单位体积样品磁化1周的磁滞损耗可以用下面的公式计算即磁滞损耗为磁滞回线所包围的面积.上式中,H表示磁场强度,B表示磁感应强度.这样,在交变磁场中每秒内的磁滞损耗功率为上式中,f表示磁场频率.所以,要提高试样的发热量,就要增加改变材料磁畴大小的能量.从(2)式可知,要提高磁滞损耗的功率,还应该在适用的范围内尽量使用更高的磁场频率.本次磁热效应试验,是将一种热敏电阻式的传感器深埋在试样中,传感器的电阻随试样温度的变化而变化,从而导致电阻箱两端的电压发生微弱变化,并给出温度变化的信号,再转换成相应的温度变化幅度.在试验过程中,试样的损耗发热除了使自身和传感器温度升高以外,还会向周围环境散热.当由试样的磁滞损耗所产生的热量与其向周围散发的热量相当时,即使整个过程达到平衡.试验中试样温度升高3～4°C.试验结果和磁滞回线测量结果均证实了试样在交变磁场下具有明显的磁热效应.试验中由于磁热效应发热量偏低,试样的温度尚未达到其居里温度值,因此由居里温度自动控制升温温度的功能尚未发挥出来.为了进一步减少试验设备的误差,应尽量在绝热以及更加精确测量的情况下测量试样的磁热效应.3.2试样的磁矩与居里温度本试验制备的铁氧体试样中,其氧离子是非磁性离子.它除了将阳离子隔开,起着冲淡磁性离子的作用外,还能使相邻阳离子产生相互作用.这种作用是以氧离子作为媒介的间接交换作用,可以导致相邻阳离子的磁矩成反平行排列,这样2个磁性离子合成的总磁矩是相互抵消后剩余的磁矩,这种强磁性称为亚铁磁性.铁氧体就是亚铁磁性材料.试样的磁特性随温度的变化而改变,当温度上升到某一温度时,铁磁性材料或亚铁磁性材料就由铁磁状态或亚铁磁性状态转变为顺磁状态,该温度即称为居里温度.本试验选用烘箱降温法测量居里温度,主要是考虑操作简单,成本低等因素.各个试样的居里温度在62～70°C之间,稍高于预期的居里温度值.试样的居里温度主要由Fe2O3和ZnO的含量决定,烧结过程中Zn的挥发是重要因素,设备简单使测量本身产生误差也是一个因素.ZnO含量的变化会影响到居里温度的变化.Zn2+的磁矩为零,为非磁性离子.Zn2+在铁氧体的尖晶石结构中占据A位的倾向十分强烈,总是将原来占据A位的离子挤到B位中去,导致A-B相互作用减弱,失去其支配地位.在一定范围内,铁氧体中ZnO的含量增加,试样的居里温度就会降低.这与本次试验的结果相符.4试样内加热材料的确定1.利用传统的氧化物法成功制备了居里温度为60°C左右的磁热性铁氧体材料.2