類花狀ZnO-CoFe2O4復合納米管束的制備及其電磁波吸收特性*

付烏有曹靜李伊荇楊海濱

類花狀ZnO-CoFe2O4復合納米管束的制備及其電磁波吸收特性*

付烏有曹靜 李伊荇 楊海濱

(吉林大學超硬材料國家重點實驗室，長春130012)
(2010年6月9日收到;2010年10月13日收到修改稿)

在90℃水溶液中采用兩步晶體生長法制備出類花狀ZnO-CoFe2O4復合納米管束．ZnO納米管束的管壁厚度大約為60 nm，管的直徑大約為350 nm，CoFe2O4納米顆粒連續包覆在ZnO納米管束的表面，CoFe2O4納米顆粒尺寸小于40 nm，殼層厚度隨著CoFe2O4在ZnO-CoFe2O4復合納米管束中相對含量的增加而增加．分別以CoFe2O4納米顆粒、ZnO-CoFe2O4復合納米管束及類花狀ZnO納米管束作為吸收劑、酚醛樹脂為粘接劑研究了它們的微波吸收性能，結果表明ZnO-CoFe2O4納米復合材料微波吸收性能優于純相的CoFe2O4納米顆粒和類花狀ZnO，當ZnO含量占總含量60%時微波吸收效果最佳，最大反射損失達到28 dB．

類花狀，ZnO-CoFe2O4，納米管束，微波吸收劑

PACS:75.75.Fk，78.40.Fy，81.07.De，84.40.－x

1.引言

隨著科學技術與現代社會的發展，由于大范圍高密度地應用電磁產品(例如移動電話、局域網、雷達系統等)［1—3］，因而電磁干擾問題日益凸顯．微波吸收材料已經不僅僅應用在傳統的秘密軍事行動中，它還應用在我們現代社會生活的方方面面．基于這些原因，對于發展經濟節約、微波吸收范圍寬、吸收強度高的微波吸收劑的要求越來越強烈．在過去的幾十年中，人們研究了大量的具有高磁損失的磁性材料［4—6］．軟磁性材料CoFe2O4具有較高的飽和磁化強度和斯諾克(Snoek)極限，使得CoFe2O4在很寬的頻率范圍內具有很高的復磁導率．這一因素使CoFe2O4被頻繁應用在高頻段微波吸收中［7］．然而，鐵磁體CoFe2O4的密度較大，限制了其在輕型微波吸收劑中的應用［8］．

Zn O是優良的半導體材料，三維結構的四針狀ZnO具有良好的電磁波吸收性能［9，10］．大量制作納米級的ZnO非常容易實現并且其制造過程費用較低，所以ZnO是作為微波吸收材料的最佳選擇．有文獻報道用各種不同方法制備不同形貌的ZnO納米材料［11—17］．與其他結構相比較，管狀ZnO具有多孔性，微波容易在三維多孔結構中得到多次吸收和多次反射，這就為優化微波吸收效果提供了可能性．到目前為止，尚未見有類花狀ZnO-CoFe2O4復合納米管束材料及其相關性質的報道．

本文采用液相法制備出類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料，并分別以Zn O，ZnO-CoFe2O4和CoFe2O4作為吸收劑，用酚醛樹脂作粘接劑制備吸波涂層，研究不同含量的Zn O-CoFe2O4涂層對吸收性能的影響．

2.實驗

2.1.類花狀ZnO-CoFe2O4復合納米管束的制備

制備類花狀Zn O-CoFe2O4納米顆粒復合材料包括兩個步驟，第一步是制作類花狀ZnO，典型的實驗過程如下:首先，將100 ml濃度為0.1 mol/L的硝酸鋅水溶液與100 ml濃度為0.1 mol/L的六次甲基四胺水溶液充分混合并攪拌5 min，將其移至500 ml的三頸瓶中加熱24 h，保持溫度90℃．將得到的白色物質經離心、清洗、干燥后得到的樣品即為類花狀ZnO．第二步是采用共沉淀法制備ZnO-CoFe2O4納米復合材料．配置0.005 mol/L硝酸鐵水溶液和0.0025 mol/L硝酸鈷水溶液并將其二者混合攪拌5 min，放入0.9 g Zn O并攪拌1 h．此攪拌過程可使鐵離子與鈷離子充分吸附在ZnO表面，形成牢固的保護層，防止ZnO在堿性環境中被腐蝕．將100 ml一定濃度的氫氧化鈉溶液加熱至90℃，保持恒溫，然后用滴液漏斗將混合物勻速、緩慢地滴加到熱的氫氧化鈉溶液中，期間伴隨著不斷攪拌．隨著混合物的滴加，不斷有沉淀生成．混合液滴加完成后繼續攪拌2 h使反應充分進行．得到的沉淀物經過離心、清洗、干燥即為類花狀ZnO-CoFe2O4納米顆粒復合材料．按照Zn O與復合材料總重量比依次為40%，60%，80%的比例制得納米復合材料，分別記做ZC1，ZC2和ZC3．

2.2.電磁波測試板的制備

首先，將一定量的熱固性酚醛樹脂研磨成細粉，分散在無水乙醇中超聲，制成酚醛樹脂-乙醇混合物，將適量的ZC1，ZC2和ZC3樣品均勻分散在上述混合物中，其中吸收劑與酚醛樹脂的質量比為1∶3，并均勻涂覆在尺寸為200 mm×200 mm的正方形鐵板表面，涂覆層的厚度均為1.5 mm．在80℃下固化24 h得到編號為2，3，4的微波吸收測試板．取CoFe2O4納米顆粒與類花狀Zn O納米管束，分別按重量比為1∶3的比例與酚醛樹脂混合均勻并分散在無水乙醇中，按照上述方法將其涂覆在200 mm× 200 mm的正方形鐵板表面，涂覆厚度仍然是1.5 mm得到1號和5號測試樣板．

3.結果與討論

3.1.類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料X射線衍射譜分析

圖1是Zn O，CoFe2O4以及類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料的X射線衍射(XRD)譜．在圖1類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料譜線中，位于31.8°，34.45°，36.35°的3個衍射峰都來自ZnO(JCPDS 79-0205)．沒有其他晶形峰出現，這充分證明了類花狀ZnO具有完美的結晶純度．在圖1CoFe2O4納米顆粒譜線中，出現在30.25°，35.55°，43.40°，57.15°以及62.75°位置的衍射峰都屬于CoFe2O4(JCPDS 22-1086)納米顆粒，所有的衍射峰都屬于典型的尖晶石結構的CoFe2O4．在圖1 ZnO納米管束譜線中，我們能清楚地看到分別屬于ZnO和CoFe2O4的衍射峰出現，并且盡管兩個位置35.55°(CoFe2O4主峰)與36.35°(ZnO主峰)非常接近，仍然能清晰地看到兩個峰的存在．此外，除了ZnO與CoFe2O4，沒有發現其他晶形峰的出現．圖1譜線是ZnO/CoFe2O4復合材料的XRD譜，其中ZnO的質量分數分別為20%，40%，60%，80%．我們可以看到，當ZnO含量為40%和60%時，分別屬于ZnO與CoFe2O4的峰都清晰可見．當ZnO的質量分數是80%，屬于CoFe2O4的峰不明顯，這是由于CoFe2O4的含量相對過低，但是我們仍然可以辨別出屬于CoFe2O4的峰(位于35.55°和43.40°)的出現．同樣，當ZnO的質量分數是20%，由于ZnO的含量相對較低，屬于ZnO的衍射峰并不明顯，但是，我們仍然觀察到位于31.8°和47.67°衍射峰(屬于ZnO的衍射峰)的出現．另外在35.55°，57.15°以及62.75°位置的衍射峰出現了明顯的寬化現象，這是因為在這些位置ZnO與CoFe2O4都存在衍射峰并且彼此非常接近．從上述的實驗結果及分析中可以得出，ZnO表面包覆著尖晶石結構的CoFe2O4納米顆粒．

圖1 樣品的XRD譜(a)ZnO納米管束、CoFe2O4納米顆粒、類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料;(b)ZnO/CoFe2O4復合材料，其中Zn O的質量分數分別是20%，40%，60%，80%

3.2.類花狀ZnO-Co Fe2O4納米復合材料形貌分析

圖2是用JEOL JEM-6700 F型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)對樣品進行觀測得到的照片．從圖2(a)可知，利用化學液相法在90℃低溫下制備的ZnO的形貌均一，都呈類花狀．在圖2(b)和(c)放大掃描電子顯微鏡(SEM)圖中可以清楚地看到ZnO納米管束與ZnO-CoFe2O4納米復合材料的形貌細節．從圖2(b)可以看到ZnO納米管束的管壁厚度大約為60 nm，管的內壁直徑大約為350 nm，并且外部管壁具有明顯的棱角，這是因為ZnO是六角形結構．與圖2(b)相比，從圖2(c)中可以看出，Zn O納米管的長度并沒有顯著的變化，管狀結構依然存在，但是外管壁的六棱角消失了，并且其上存在一層小顆粒，這表明Zn O納米管已經被CoFe2O4顆粒完全包覆，CoFe2O4納米顆粒的尺寸小于40 nm(圖2(d))，而且CoFe2O4包覆層均勻連續．

圖3是ZnO-CoFe2O4復合材料的局部放大圖．從圖3可以看到隨著CoFe2O4的質量分數從40%增加到80%，包覆層厚度顯著提高．盡管CoFe2O4納米顆粒的包覆層厚度增加，但是其包覆保持連續、均一，并未出現明顯團聚現象．而且與圖2(b)相比，無論Zn O的含量多少，其包覆后的管狀結構都不會被破壞．

圖2 SEM圖(a)類花狀ZnO納米管束;(b)(a)圖的局部放大;(c)ZnO-CoFe2O4納米復合材料;(d)(c)圖中箭頭所指部位的放大

圖3 ZnO-CoFe2O4復合材料的局部放大圖(a)ZnO的質量分數為80%;(b)ZnO的質量分數為60%;(c)ZnO的質量分數為40%

圖4 是類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料的透射電子顯微鏡(TEM)照片．由圖4可以清楚地看到，CoFe2O4包覆在ZnO表面并形成一薄包覆層(平均厚度是100 nm)，此包覆層連續均勻．從圖4還可以看出，CoFe2O4緊密的包覆在ZnO表面，在ZnO與CoFe2O4形成的核殼結構中沒有出現明顯的裂縫或是空隙．這一結果與樣品的SEM結果符合很好．

圖4 類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料的TEM圖

3.3.ZnO-CoFe2O4復合材料磁性分析

圖5給出了具有不同殼層厚度的ZnO-CoFe2O4納米復合材料和單一CoFe2O4納米顆粒的磁滯回線．對于CoFe2O4納米顆粒，其飽和磁化強度Ms、剩余磁化強度Mr、矯頑力Hc分別是Ms=63.0 Am2/kg，Mr=10.0 Am2/kg，Hc=193.0×104/4πA·m－1，對于類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料也觀察到相似的磁學性質．然而，ZnO-CoFe2O4納米復合材料的飽和磁化強度隨著CoFe2O4含量的減少而明顯降低，當復合材料中CoFe2O4的含量為40%時，復合材料的飽和磁化強度下降到27.0 Am2/kg，這主要是由于復合材料中存在無磁性的ZnO，進而降低了其飽和磁化強度．

圖5 CoFe2O4納米顆粒與類花狀ZnO-CoFe2O4Hc(Oe)納米復合材料的磁滯回線ZnO質量分數分別是0，40%，60%，80%

4.微波吸收測試結果與分析

4.1.ZnO-CoFe2O4復合材料微波吸收特性分析

圖6是對樣品用雷達吸收材料(RAM)反射遠場雷達截面(RCS)測量法測定的反射率譜．1號測試板是CoFe2O4納米顆粒作為吸收劑，2—4號測試板吸收劑是ZnO-CoFe2O4復合材料，其中ZnO質量分數分別是40%，60%，80%，并被標記為ZC1，ZC2，ZC3．5號測試板是ZnO作為吸收劑．由圖6可知，ZnO納米管束和CoFe2O4納米顆粒的反射損失在2—18 GHz范圍內均超過2 d B．從圖6可以看出，涂層厚度為1.5 mm，吸收劑為純的ZnO納米管束時，在低頻段即4.6—9.2 GHz范圍內測得的反射損失大于5 d B，在7.2 GHz處出現峰值為10.5 dB．吸收劑為CoFe2O4納米顆粒時，在7.2—15.1 GHz的大范圍內反射損失均超過5 dB，在11.9 GHz達到峰值(8.3 dB)．以類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料作為吸收劑時，微波吸收強度明顯增強并且吸收帶大幅度寬化，即在更寬的頻率范圍內具有更強的吸收能力．從圖6還可以看到，以樣品ZC1為吸收劑時，頻率在5.9—11.5 GHz范圍內，對微波的吸收均在10 dB以上，在9.0 GHz處出現反射損失峰值為17.2 dB．以ZC2為吸收劑時，頻率在4.1—13.2 GHz的大范圍內其微波吸收值均超過10 dB，在8.5 GHz附近出現反射損失峰值為28.3 dB．以ZC3為吸收劑時，頻率在4.9—10.6 GHz范圍內，對微波吸收均在10 dB以上，在7.9 GHz附近出現反射損失峰值為20.6 dB．從上述測試結果可得出，類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料作為吸收劑微波吸收性能均明顯優于單純的介電材料ZnO或磁性材料CoFe2O4納米顆粒，并且微波吸收性能隨著ZnO與CoFe2O4含量不同而改變，復合材料ZC2的微波吸收性能為最優．從微波吸收頻率寬度看，類花狀Zn O-CoFe2O4納米復合材料作為吸收劑的微波吸收頻率寬度是單純的類花狀ZnO納米管束作為吸收劑的頻率寬度的3倍左右．類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料對于微波的吸收性能無論是吸收強度還是吸收頻率寬度都顯著優于單一的介電材料ZnO和單一的磁性材料CoFe2O4，這是因為類花狀ZnO納米管束具有獨特的三維結構，容易在涂層中形成導電網絡．當電磁波到達吸波涂層時，類花狀Zn O納米管束起到了導電網絡的作用，這些無數的導電網使電磁波能量感應成耗散電流能量，從而實現對電磁波能量的吸收．另一方面，類花狀ZnO納米管束具有三維結構，將其分散在基體中能起到骨架作用，提高吸收劑在基體中的分散性．另外，我們從測試結果也可看出，復合材料中的Zn O的質量分數由0上升到60%的過程中，材料對微波的吸收強度不斷增大，吸收頻率范圍也不斷加寬，當Zn O的質量分數超過60%，達到80%時，其吸收強度降低，吸收頻率寬度也減少．這主要是由于復合材料的介電特性以及磁性能存在協調統一性．當Zn O的質量分數超過60%復合材料的介電以及磁性彼此優化匹配，因此微波吸收性質達到最好．當Zn O的質量分數降到40%時，其最大微波反射損失降到17.2 dB，這可能是由于當CoFe2O4的含量超過一定值時，復合材料的介電性質惡化．反之，當Zn O的質量分數達到80%時，其最大微波反射損失降到20.6 dB、這是由于當Zn O的質量分數超過一定值時，復合材料的磁性能惡化．因此，當復合材料中ZnO與CoFe2O4存在一確定的比例時，微波吸收效果將達到最好．微波吸收效果的顯著提高根源在于類花狀ZnO納米管束與CoFe2O4納米顆粒的結合．即反射損失最大值的不同是類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料的磁晶各向異性以及結構各向異性共同作用的結果．

圖6 對樣品用RAM反射率遠場RCS測量法測定的反射率譜

4.2.復介電常數與磁導率測量結果及分析

為了研究微波吸收效果顯著提高的機理，我們測量了樣品的復介電常數及磁導率．圖7分別是樣品CoFe2O4-酚醛樹脂膠接劑合成物、ZnO-CoFe2O4納米復合材料(ZnO質量分數為40%，60%，80%，100%)-酚醛樹脂膠接劑合成物的復介電常數以及復磁導率的實部與虛部分別對應圖中曲線1，2，3，4，5．由圖7(a)和(b)可知，樣品的復介電常數實部ε'在2—18 GHz范圍內幾乎保持不變，而其數值隨著ZnO含量增加而增加．與CoFe2O4相比較，Zn O具有更高的復介電常數實部，所以ZnO的存在會導致ε'的增加．與CoFe2O4相比較，類花狀Zn OCoFe2O4(Zn O質量分數為40%，60%，80%，100%)-酚醛樹脂膠接劑合成物復介電常數的虛部在9.1，8.4，7.9和7.1 GHz處存在小的諧振峰值．我們分析了類花狀ZnO-CoFe2O4(ZnO質量分數為0，40%，60%，80%，100%)-酚醛樹脂膠接劑合成物的復介電常數實部以及虛部隨頻率變化的機理．

圖7 樣品CoFe2O4-酚醛樹脂膠接劑合成物、ZnO-CoFe2O4納米復合材料-酚醛樹脂膠接劑合成物的復介電常數及復磁導率的實部和虛部隨頻率的變化(a)復介電常數實部ε';(b)復介電常數虛部ε″;(c)復磁導率的實部μ';(d)復磁導率的虛部μ″

首先，文獻［18，19］報道，界面性質在介電效應中具有決定性作用．ZnO是非傳導性的材料;主要的極化偏振以及相對弛豫現象組成了損失機理．非傳導性納米管具有磁性納米顆粒包覆層的復合材料，其非傳導性界面以及在此界面上存在大量極化電荷使介電弛豫現象更加復雜化．其次，由于Zn O納米管束/CoFe2O4納米復合材料是兩種材料體系組合到一起，界面的極化以及介電弛豫在這種特殊的兩材料體系中對反射損失機理的影響將更加明顯．圖7(c)和(d)是復磁導率的實部μ'與虛部μ″．無論是復磁導率的實部還是虛部，ZnO-CoFe2O4復合材料都比CoFe2O4納米顆粒低．這種現象可能是由于非磁性聚合體存在于磁性顆粒之間削弱了磁性顆粒間的磁相互作用．我們發現在2—18 GHz頻率范圍內隨著CoFe2O4納米顆粒含量的增加，μ″急劇增加．根據Vander Zaag的理論，鐵酸鹽的磁耗損包括滯后損失、渦電流損失、剩磁損失、鐵磁體共振損失以及界面損失．在我們的研究中，ZnO納米管束/ CoFe2O4納米復合材料電導率的增加是由于此納米復合材料是磁性半導體，其具有很高的μ″．以金屬板為微波吸收基底的Zin，其規格化的運算公式為Zin=(μr/εr)1/2tanh［j(2π/c)(μ/εr)1/2fd］．其中μr和εr是復合材料的相對磁導率和介電常數，c是電磁波的速率，f是電磁波的工作頻率，d是吸收劑的厚度．因此與Zin相關的反射損失計算公式為［20］20 lg Zin－1/Zin+1．根據數學函數tanh［j(2π/c) (μ/εr)1/2fd］，當磁性與介電性質相匹配時微波吸收強度會明顯提高．在ZnO納米管的介電耗散效果與CoFe2O4納米顆粒磁耗散效果的結合下，當CoFe2O4的含量為40%時，類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料-酚醛樹脂膠接劑合成物具有最大的微波吸收性．

5.結論

研究了類花狀Zn O-CoFe2O4納米復合材料的制備工藝，其中作為核結構的Zn O納米管束是通過水浴合成方法在90℃低溫下合成的，而殼結構的CoFe2O4納米顆粒是在低溫下沒有用任何催化劑、模板或是基底制成的．我們測量了CoFe2O4納米顆粒、類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料、ZnO納米管束的微波吸收性質，結果顯示類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料具有卓越的微波吸收性能．用類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料作為微波吸收劑，微波吸收強度高達28 dB．與單純的CoFe2O4納米顆粒做微波吸收劑相比，復合材料不僅可以大大降低吸收劑的重量，還可以顯著提高微波吸收效果．類花狀ZnO-CoFe2O4納米復合材料有望應用于輕型以及強吸收效果的微波吸收劑領域．

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*Project supported by the Doctoral Program Foundation of Institution of Higher Education，China(Grant No．200801831006)．

E-mail:fuwy@jlu．edu．cn

Preparation and electromagnetic wave absorption of flower-like ZnO-CoFe2O4nanotube bundles composites*

Fu Wu-YouCao Jing Li Yi-Xing Yang Hai-Bin
(State Key Laboratory of Superhard Materials，Jilin University，Changchun 130012，China)
(Received 9 June 2010;revised manuscript received 13 October 2010)

Flower-like ZnO-CoFe2O4nanotube bundle composites are prepared via two-step crystal growth process in water solution at 90℃，the wall thicknesses of the Zn O nanotubes are all about 60 nm，inner diameters of the tubes are all about 350 nm，Zn O nanotubes have been coated with CoFe2O4nanoparticles，and the sizes of CoFe2O4nanoparticles are below 40 nm．The thic

kness of CoFe2O4coating layer increases with the increase of the content of CoFe2O4in Zn OCoFe2O4composites．By using Flower-like ZnO，flower-like ZnO-CoFe2O4nanotube bundles and CoFe2O4nanoparticles as absorbents，and phenolic resin as the binder，their electromagnetic wave absorption properties are investigated，and the results show that the microwave wave absorbing performance is evidently improved compared with that of ZnO nanotube bundles and CoFe2O4particles．When the content of ZnO is 60%，the maximum reflection loss is 28.3 dB．

flower-like，Zn O-CoFe2O4，nanotube bundles，microwave absorbent

*高等學校博士學科點專項科研基金(批準號:200801831006)資助的課題．

E-mail:fuwy@jlu．edu．cn