多尺度、單分散Fe3O4和Fe3O4-C磁性粒子的可控制備與電磁特性.pdf

1、廣泛使用的電子電器設(shè)備使電磁輻射污染與干擾問(wèn)題日益嚴(yán)重，研制新型高效微波吸收材料是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。材料的吸波性能取決于匹配特性、介電常數(shù)（εr=ε'-jε"）和磁導(dǎo)率（μr=μ'-jμ"）。目前通過(guò)改變吸波劑的形貌、組成、界面及維度可在較大范圍內(nèi)調(diào)控介電常數(shù)。因此，探索磁性納米材料形貌、組成的調(diào)控技術(shù)及其結(jié)構(gòu)、組成依賴的微波吸收特性具有重要研究意義。作為一種傳統(tǒng)的鐵氧體磁性材料，F(xiàn)e3O4兼具介電損耗和磁損耗特性，是一種優(yōu)異的吸

2、波劑。本文設(shè)計(jì)和合成了不同形貌的Fe3O4和Fe3O4/C磁性粒子，探索其形成機(jī)理并研究其微波吸收性能，旨在建立合成Fe3O4及Fe3O4/C復(fù)合材料的新路徑，并通過(guò)材料形貌及組成的調(diào)控，改善其吸波性能。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.單分散Fe3O4微球的尺寸和組成調(diào)控機(jī)理及其電磁特性
　　采用混合溶劑熱法，在水-乙二醇體系中，以六水氯化鐵(FeCl3·6H2O)為鐵源，無(wú)水醋酸鈉(NaAc)為堿，聚丙烯酸(PAA)為表面活性

3、劑，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中水體積分?jǐn)?shù)（γ)，制備出粒徑為82～1116nm的單分散多晶Fe3O4微球。水作為溶劑、反應(yīng)物及絡(luò)合劑，在Fe3O4納米晶的成核和生長(zhǎng)過(guò)程中起著重要作用。研究了水體積分?jǐn)?shù)與Fe3O4微球直徑(d)、晶粒尺寸(D)、表面含氧量、飽和磁化強(qiáng)度（Ms）及矯頑力（Hc）之間的關(guān)系，探究了不同直徑微球的電磁特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:d在γ從5.5％增加到14.5％時(shí)迅速減小，隨后緩慢減小;當(dāng)γ從5.5％增加到20.5％時(shí)，D呈現(xiàn)倒

4、U變化趨勢(shì)，并在γ=14.5％時(shí)達(dá)到最大值;微球表面含氧量隨水體積分?jǐn)?shù)的增加而增大;由于微球直徑的減小，Ms在γ從5.5％增加到13.5％時(shí)緩慢減小，而由于D及表面氧含量的增大，Ms在γ從13.5％增加到20.5％時(shí)，迅速減小;受臨界尺寸的影響，Hc在γ=13.5％時(shí)達(dá)到最大值。γ=9.2％(d=728 nm)時(shí)，微球具有最強(qiáng)的磁損耗;γ=5.5％(d=1116 nm)時(shí)，由于具有較強(qiáng)的介電損耗和匹配特性，微球表現(xiàn)出最佳微波吸收性能，在

5、4.5 GHz的最大損耗為-37.0 dB。
　　采用溶劑熱法，在乙二醇體系中，以乙二胺(EDA)為堿，聚丙烯酸(PAA)為表面活性劑，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中Ni2+/Fe3+的摩爾比(α=0∶1，0.5∶1，0.75∶1，1∶1，1.5∶1，2∶1)來(lái)控制單分散NixFe3-xO4微球的粒徑(40～400 nm)和組成(0≤x≤0.245)。研究了微球尺寸和組成的調(diào)控機(jī)理及其對(duì)靜磁性能的影響規(guī)律。
　　2.Fe3O4和Fe3O

6、4/C納米環(huán)的可控制備及其電磁特性
　　采用溶劑熱法制備了乙醇酸鐵納米片，通過(guò)控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及金屬離子摻雜可以制備出不同尺寸的納米片及Fe3O4空心球。以所制備的不同尺寸的納米片為前驅(qū)物，以葡萄糖為還原劑和碳源，采用微波輔助水熱法或水熱法可以得到尺寸和組成可調(diào)的單分散橢圓形多晶Fe3O4或Fe3O4/C納米環(huán)。由于介電常數(shù)和匹配特性的增強(qiáng)，所得Fe3O4/C納米環(huán)顯現(xiàn)了優(yōu)異的低頻微波吸收性能。
　　以所制備的乙醇酸鐵

7、納米片為前驅(qū)物，采用煅燒法，通過(guò)控制煅燒氣氛、煅燒溫度及有機(jī)碳源（丙酮），可以調(diào)節(jié)產(chǎn)物的形貌和組成。當(dāng)煅燒氣氛為空氣時(shí)，在煅燒溫度為300～400℃時(shí)得到γ-Fe2O3多孔納米片，500℃時(shí)得到α-Fe2O3/γ-Fe2O3多孔納米片，700℃時(shí)得到α-Fe2O3納米鏈。當(dāng)煅燒氣氛為氮?dú)鈺r(shí)，在煅燒溫度為300～600℃時(shí)得到Fe3O4納米環(huán)。當(dāng)煅燒氣氛為氬氣，并向反應(yīng)體系中加入丙酮，在煅燒溫度為300～500℃時(shí)得到Fe3O4/C納米環(huán)

8、。性能研究表明:所制備的Fe3O4納米環(huán)顯現(xiàn)出尺寸依賴的靜磁性能和等離子體共振增強(qiáng)介電特性。介電特性強(qiáng)烈依賴于納米環(huán)的長(zhǎng)軸，而不是其比表面積、晶粒子尺寸和形狀各向異性。當(dāng)納米環(huán)的長(zhǎng)軸為65±25 nm，體積分?jǐn)?shù)為11 v％時(shí)，微波吸收性能最佳，在7.84 GHz處的最大損耗為-50.13 dB，在2.36～16.40 GHz頻率范圍內(nèi)RL≤-20 dB。這種增強(qiáng)的微波吸收特性歸因于納米環(huán)特殊的幾何結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生多重散射、等離子共振吸收、微天

9、線輻射及干涉損耗吸收。
　　3.Fe3O4/C納米片的可控制備與電磁特性
　　采用混合溶劑熱法，在水-乙醇體系中制備了α-Fe2O3納米片，通過(guò)改變反應(yīng)體系中水的體積分?jǐn)?shù)或應(yīng)物濃度，可以得到不同尺寸的納米片。以所制備的納米片為前驅(qū)物，采用碳熱還原法制備了Fe3O4/C納米片。當(dāng)納米片尺寸為250±30 nm，涂層厚度為1.4～7.0 mm時(shí)，在2.08～16.40 GHz內(nèi)RL≤-20 dB，且在4.29 GHz處最大損耗R