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本论文主要研究了具有广阔应用市场和很高理论研究价值的纳米复合永磁材料Nd2Fe14B/α-Fe体系和Nd2Fe14B/Fe3B体系。纳米复合稀土永磁材料自从1988年被发现以来，由于其优异的性能价格比、热稳定性、抗腐蚀性和极高的磁能积等优点引起了人们的广泛关注。理论研究证明，高磁性能的来源是软硬磁性相之间的交换耦合作用。但目前实际得到的材料的磁性能与理论预言仍然有较大的差距。本文的研究目的是通过改变微结构、热处理工艺和成分等手段获得较高磁性能的材料。此外，作为交换耦合作用机制的扩展研究，我们还研究了铁磁-反铁磁、反铁磁-反铁磁材料的交换耦合作用。本文共分两部分：
PartⅠ纳米复合稀土永磁材料交换耦合机制研究1.非晶相对交换耦合作用的影响交换耦合作用是一种界面效应。我们的研究结果表明，纳米复合永磁材料的磁性能与其界面结构有极大的关系——非晶晶界对于改善软硬磁相界面特性、增加交换耦合作用、获得好的磁性能具有非常重要的作用。非晶晶界可以改善软硬磁相的界面结构，使得软硬磁性相晶粒具有较高的晶格协同性，更容易满足交换耦合的必要条件。非晶相还可以适当减小有效各向异性常数，相应地增加交换耦合长度，即增加交换耦合影响区域，提高交换耦合的作用。另一方面，非晶相材料的交换常数A和各向异性常数K与软硬磁性相的参数不同。软硬磁性相之间夹一层薄的非晶相有利于增强软硬磁性相的交换耦合强度。实验表明，最优热处理条件下可以得到适当的交换耦合强度，进而得到既有较高矫顽力又有较高磁能积的磁体。
2.Dy元素对富B复合永磁材料的微结构和磁性能的影响热处理工艺对获得合理的微结构起着至关重要的作用，然而很少有文献报道有关纳米复合体系的热行为的深入研究。本文应用修正的Kissinger方法和Ozawa方法对添加Dy元素的对Nd2Fe14B/Fe3B体系的非晶晶化热力学和动力学进行了深入的研究。研究发现：该体系晶化过程先后对应着三种物质Fe3B、Nd2Fe14B和α-Fe的晶化。对于(Fe,Dy)3B、(Nd,dy)2Fe14B、α-Fe相晶化激活能EC随Dy成分增加。不同样品第一峰动力学参数n值随Dy含量的增加下降，说明Dy元素阻碍Fe3B结晶，并使生长维数下降。(Nd,Dy)2Fe14B和α-Fe相对应的n均在2～3之间，说明这两相均为二维生长，即从已晶化的晶粒的边界向外生长。根据这些热分析数据，我们制定了合理的热处理工艺，即分步热处理，得到了较合理的微结构和较好的磁性能。通过分步热处理后，合金的组织结构基本上是由Fe3B和Nd2Fe14B相组成，两相的晶粒尺寸均约30nm，形成较合理的微结构。磁性能也有较大的改善，矫顽力Hc达261kA/m，剩磁比mr高达0.86，磁能积(BH)max为134kJ/m3。
PartⅡ铁磁—反铁磁纳米颗粒和反铁磁纳米颗粒系统的交换耦合作用机制研究1.铁磁—反铁磁颗粒系统的交换耦合作用机制研究。
在铁磁(FM)—反铁磁(AFM)材料中，由于材料的界面交换耦合作用，常伴随有矫顽力的增加和交换偏置场出现。它是由于FM-AFM界面上产生的单向各向异性造成的。这种材料可能应用于永磁材料、高密度磁记录介质、记录磁头的磁畴稳定材料以及基于巨磁电阻效应的传感器件等。我们的工作重点是在高分子基体中制备和研究Co/CoO纳米颗粒磁性能以及研究有序的Co/CoO颗粒FM-AFM系统的磁性能。
研究发现：(1)氧化条件对磁性能有很大的影响，通过控制氧化条件可以获得适当相对体积含量的铁磁Co相和反铁磁相CoO，从而获得较大的矫顽力和偏置场。(2)有序体系除了具有常规FM-AFM系统的一些奇异特性外，还呈现出很高的交换偏置场HE。较高的交换偏置场来源于较强的交换耦合作用和有序体系的集体效应。
2.纳米反铁磁性材料的反常磁行为研究探讨Co3O4引起了人们的广泛关注是因为它有很多重要的应用，如作为异质催化剂、固态传感器、光记录介质以及能量存储的插层化合物等。近年来，磁化强度的宏观量子隧穿成为研究的热点，它已在Mn12醋酸盐、马脾铁蛋白以及其它体系中得到研究。Co3O4纳米晶被看作是一种新的理想的研究宏观量子效应的材料。所以，制备和研究Co3O4纳米晶是非常有意义的，但是很少关于Co3O4纳米晶磁性的文献报道。本文中，在高分子(如PCL、SBS、SMA)中用化学原位还原方法得到Co的非晶或纳米簇，之后采用真空退火和氧化的方法得到细小的Co3O4纳米晶。许多奇异的磁特性被发现，可能对弄清反铁磁纳米颗粒的反常磁性机理很有帮助。
研究发现：(1)纳米反铁磁性材料在低温下均呈现出类似于铁磁性的特征—即具有静磁矩、磁滞回线和较大的矫顽力HC。(2)场冷却低温条件下出现交换偏置HE(如Co3O4/SMA纳米粒子体系HE达到400Oe)。高分辨电镜和X-射线衍射结果证明：Co3O4/SMA纳米粒子表面原子缺位较多，晶界附近存在大量缺陷。从而造成了对正常的周期晶体结构的偏离，从而出现表面非平衡静磁矩。无序的表面层又和反铁磁序的核心部分通过交换耦合作用导致了反铁磁纳米颗粒出现奇异的磁特性，如矫顽力提高和偏置场的出现。