微波輔助制備Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物及其吸波性能

摘 要： 以銹蝕廢棄的納米鐵粉作為原材料，利用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、沒有惰性氣體和催化劑使用的微波輔助法首次制備新型Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物。采用X射線衍射儀（XRD），掃描電鏡（SEM），透射電鏡（TEM）和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）等設(shè)備對(duì)制備樣品的成分、形貌、結(jié)構(gòu)、磁學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試表征。結(jié)果表明制備的納米復(fù)合粒子呈現(xiàn)立方晶相，平均粒徑約為55 nm，并且分布均勻，具備超順磁性。當(dāng)制備的Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物吸收層厚度為2 mm時(shí)，在11.5 GHz達(dá)到了最佳的反射損耗-27.2 dB，并且在1.5～3.0 mm的吸收層范圍內(nèi)超過-10 dB有效反射損耗帶寬是3 GHz。因此，新型Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物可以作為一種很好的吸波材料。

關(guān)鍵詞： 納米復(fù)合物； 磁性材料； Fe/Fe3O4/ZnO； 微波方法

中圖分類號(hào)： TN205?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0143?04

Abstract： Fe/Fe3O4/ZnO nanocomposites are firstly prepared by the method of microwave?assisted， which is economic and without inert gas and catalyst， with waste rusty iron nanoparticles as the materials. The component， morphology， structure， magnetic property of the prepared samplies are tested by X?ray diffractometer （XRD）， scanning electron microscopy （SEM）， transmission electron microscopy （TEM） and vibrating sample magnetometer （VSM）. Experiment results indicate that the prepared nanoparticles with the character of cube?like crystalline phase， the average diameter size are 55 nm， and superparamagnetism. When the absorption thickness is 2 mm of the prepared Fe/Fe3O4/ZnO nanocomposites， the optimal reflection loss of -27.2 dB at 11.5 GHz is achieved， when the reflection loss exceeds -10 dB the effective absorption bandwidth is 3 GHz in the thickness range 1.5～3.0 mm. So the Fe/Fe3O4/ZnO nanocomposites are good microwave absorbing materials.

Keywords： nanocomposite； magnetic material； Fe/Fe3O4/ZnO； microwave method

0 引 言

近幾十年來，隨著科技的高速發(fā)展，人們對(duì)材料的特性要求越來越苛刻，單一特性的材料難以滿足需求。因此，制備具有多種特性的納米復(fù)合材料已成為近幾年的研究熱點(diǎn)[1?2]。含有磁性特性的納米復(fù)合材料，以其優(yōu)異特性，在微波吸收[3]，電磁屏蔽[4]，磁記錄[5]，醫(yī)療[6]等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。在大量制備納米復(fù)合材料的過程中，應(yīng)用最多的磁性材料是鐵納米粒子。鐵納米粒子由于其較大的飽和磁強(qiáng)度[7]和更高的Snoek′s限制[8]，已被作為傳統(tǒng)的微波吸收材料廣泛地應(yīng)用于吸波領(lǐng)域。然而，由于較高的易氧化性，渦電流效應(yīng)引起高頻磁導(dǎo)率下降的缺陷，嚴(yán)重影響其實(shí)際應(yīng)用。為解決上述問題，科研工作者采用對(duì)鐵納米粒子表面修飾的方法來抑制渦電流效應(yīng)和增加鐵納米粒子的穩(wěn)定性。Liu等采用電弧放電法制備了ZnO@Fe納米膠囊[1]，并且發(fā)現(xiàn)制備的樣品表現(xiàn)出良好的吸波性能。Ni等使用催化劑可控的化學(xué)還原法制備了Fe@SiO2[9]，通過在鐵納米粒子覆蓋二氧化硅，使鐵納米粒子更加穩(wěn)定，同時(shí)也改善了鐵納米粒子的吸波性能。Harun Bayrakdar采用催化劑輔助的水熱法制備了CoxMn1?xFe2O4納米復(fù)合物[10]，通過多種材料特性的結(jié)合使得吸波性能有了明顯的提高。雖然上述方法實(shí)現(xiàn)了鐵納米粒子表面的修飾，同時(shí)也制備了一種新型復(fù)合材料，但是繁瑣的實(shí)驗(yàn)過程、苛刻的實(shí)驗(yàn)條件、特定和難分解催化劑的使用，昂貴的原材料等限制了納米復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用，同時(shí)造成了環(huán)境的污染。為此開發(fā)一種更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的方法制備新型鐵基復(fù)合納米材料是必要的。

本文利用銹蝕廢棄的納米鐵粉為原料，采用微波輔助的方法首次制備了納米復(fù)合材料Fe/Fe3O4/ZnO。此方法簡(jiǎn)單，易于操作，不需要使用惰性氣體和催化劑，對(duì)環(huán)境無害并且有效地解決廢舊鐵粉污染的問題，同時(shí)對(duì)制備Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物吸波性能進(jìn)行詳細(xì)的研究，結(jié)果表明此種新型納米復(fù)合材料具有很好地衰減電磁波的效果，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

無水乙醇、氫氧化鈉（NaOH）、乙酸鋅（Zn（CH3COO）2·2H2O）：均為分析級(jí)，成都科隆化工廠；自然銹蝕的納米級(jí)鐵粉；去離子水。

家用微波爐（MM721NH1?PW型美的微波爐，廣東）；超聲波清洗機(jī)（KQ2200B型超聲波清洗器，江蘇）。

1.2 Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合材料的制備

首先稱取自然銹蝕的納米級(jí)鐵粉0.5 g于500 ml的燒杯中，加入500 ml的去離子水，放入微波爐中，在700 W功率下反應(yīng)20 min，將燒杯取出。然后，取10 g乙酸鋅（Zn（CH3COO）2·2H2O）加入到上述燒杯中，攪拌直至乙酸鋅全部溶解。隨后，在持續(xù)攪拌下，將400 ml，0.5 mol/L的氫氧化鈉（NaOH）溶液緩慢地加入上述混合溶液中。將得到的混合溶液超聲10 min，再次放入微波爐中，在500 W功率下加熱15 min。將燒杯取出自然冷卻到室溫，用磁鐵將產(chǎn)物收集，分離出上層多余的溶液，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌最終產(chǎn)物。最后將制備的樣品置于烘箱中，在50 ℃溫度下干燥2 h，即得Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物。

1.3 產(chǎn)物表征與測(cè)試

采用X′Pert Pro MPD X射線衍射儀（陰極采用Cu靶的Kα線，X射線的管電壓為40 kV，管電流為40 mA）對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)成分和物相進(jìn)行分析；采用掃描電鏡（SEM，S?4800）和透射電鏡（TEM，JEM?1200EX）對(duì)樣品的形貌、結(jié)構(gòu)和粒徑大小等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析；用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM，BHV?55）對(duì)制備樣品的磁學(xué)特性進(jìn)行分析；采用安捷倫PNA5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀研究材料的吸波性能，測(cè)試的頻率范圍為2～18 GHz；吸波性能待測(cè)樣品，采用制備產(chǎn)物與石蠟質(zhì)量比為7[∶]3均勻混合，在專用壓片機(jī)中壓制成同軸試樣（外徑7.00 mm，內(nèi)徑3.04 mm，厚度2 mm）。

2 結(jié)果與討論

圖4（d）的結(jié)果表明，當(dāng)匹配厚度為2 mm時(shí)，在11.5 GHz的頻點(diǎn)出現(xiàn)最大的回波損耗峰-27.2 dB；隨著厚度的增加，最大的吸收峰逐步的向低頻方向移動(dòng)，峰的吸收強(qiáng)度有適當(dāng)?shù)臏p弱。當(dāng)吸收層的厚度在1.5～3.0 mm范圍內(nèi)，回波損耗反射率小于?10 dB的頻寬范圍達(dá)到了3 GHz。優(yōu)異的吸波性能和吸波帶寬，以及簡(jiǎn)單的制備方法使得納米復(fù)合物Fe/Fe3O4/ZnO成為了吸波領(lǐng)域一個(gè)很好的選擇。

3 結(jié) 論

本文以銹蝕納米級(jí)鐵粉作為原材料，采用微波輔助方法制備新型Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物。該方法工藝簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境無害，有利于環(huán)保，并且這種方法為制備其他以銹蝕納米鐵粉為前提的鐵基復(fù)合物打下了良好的基礎(chǔ)。所制備的Fe/Fe3O4/ZnO納米復(fù)合物產(chǎn)物粒徑大小均勻，具有優(yōu)異的吸波特性，易于回收利用，未來在吸波、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景。

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