碳納米管表面包覆鋇鐵氧體的復合吸波材料性能研究

龔璇　丁冬

摘 要 本文以碳納米管為基體，利用溶膠凝膠法在碳納米管表面包覆了鋇鐵氧體，測量了其靜磁性能和電磁參數(shù)，并分析了樣品反射特性，結(jié)果表明所制備的碳納米管基鋇鐵氧體復合材料具有良好的靜磁性能和吸波性能。

關鍵詞 碳納米管 鋇鐵氧體 溶膠-凝膠法 吸波性能

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.08.032

Abstract The using carbon nanotubes as the matrix， on the surface of carbon nanotubes coated barium ferrite by a sol gel method measured the static magnetic properties and electromagnetic parameters， and the reflection of characteristics of samples is analyzed. The results showed that the preparation of carbon nanotubes based barium ferrite composite has good static magnetic and microwave absorbing properties.

Key words Carbon nanotubes； Barium ferrite； Sol gel method； wave absorbing performance

0引言

傳統(tǒng)方法制備的吸波材料在吸波效率上，總難有重大突破，不能同時滿足薄、輕、寬、強的要求。六角晶系鋇鐵氧體是目前廣泛使用的磁損耗型微波吸收劑材料，具有吸收強、應用方便等特點，以其優(yōu)良的頻響特性成為近年來研究的重點，但其缺點是密度大，高溫特性差等。

本文采用納米材料制備技術(shù)對六角晶系鋇鐵氧體的性能進行改進，并將它與具有良好吸波性能的碳納米管進行復合，利用溶膠-凝膠工藝合成碳納米管基鋇鐵氧體納米復合材料，充分發(fā)揮它們的長處，實現(xiàn)良好的吸波性能。

1實驗

本實驗所用的多壁碳納米管（外徑>50nm，長度為10～20%em）是由中國科學院成都有機化學有限公司中科時代納米材料中心通過天然氣催化裂解法制備得到。實驗首先采用濃硝酸冷凝回流和混酸（濃硝酸、濃硫酸）超聲處理相結(jié)合的方法來對原始碳納米管進行純化處理，然后利用溶膠-凝膠工藝合成碳納米管基鋇鐵氧體納米復合材料。

1.1 碳納米管的純化處理

（1）氫氧化鈉除氧化劑顆粒。將研磨后的碳納米管投入燒杯中，然后加入濃度為2mol/L的NaOH溶液，置于加熱磁力攪拌器中40℃攪拌1h，冷卻至室溫，靜置，置于真空干燥箱內(nèi)烘干至恒重，備用。（2）濃硝酸的冷凝回流處理。取一定量經(jīng)過預處理的碳納米管加入68%的濃硝酸中，于100℃水浴下加熱磁力攪拌，沸騰狀態(tài)下冷凝回流處理24h，冷卻至室溫，靜置，置于真空干燥箱烘干至恒重，備用。（3）濃硝酸、濃硫酸超聲波處理。將經(jīng)過濃硝酸處理后的碳納米管和體積比為5/2的混合酸（H2SO4/HNO3）放于燒杯中，常溫超聲處理4h，處理結(jié)束后用去離子水洗滌至中性，60℃真空干燥12h即得純化后的碳納米管。

1.2 碳納米管表面包覆鋇鐵氧體的溶膠-凝膠法制備

1.2.1 實驗步驟

按化學計量配比稱取一定量的原料，硝酸鋇：硝酸鐵：檸檬酸=1：12：13（摩爾比），加入水完全溶解后，得到均一透明的混合溶液。

取適量經(jīng)過純化處理的碳納米管加入該混合液中，超聲分散后一邊攪拌一邊向混合液中滴入氨水，然后加入少量聚乙二醇和陽離子表面活性劑CTAB（十六烷基三甲基溴化銨），電磁攪拌溶解后置于80℃水浴中恒溫攪拌蒸發(fā)，使之形成濕凝膠，繼續(xù)磁力攪拌2h后進行真空抽濾，之后置于干燥箱中恒溫干燥得到干凝膠，將所得干凝膠置于管式爐中加熱，自然冷卻后即得樣品。

1.3 分析儀器與測試方法

用S-4800型場發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察所制得的樣品的微觀形貌，D/max-%＼B型X射線衍射儀分析樣品的相組成，用Model 4 HF振動樣品磁強儀對樣品的靜磁性能進行測試，用Agilent E8362B PNA系列矢量網(wǎng)絡分析儀測試樣品的電磁參數(shù)并對其吸波性能進行分析。

2結(jié)果與討論

2.1 碳納米管純化處理前后的SEM圖

圖1（a）為酸處理前未經(jīng)純化的原始碳納米管掃描電鏡照片，從圖中可以看到彎曲的碳納米管互相纏繞在一起，在碳納米管的表面及周圍附著大量團狀和顆粒狀物質(zhì)。圖1（b）為經(jīng)濃硝酸回流處理及混酸超聲處理后的碳納米管的SEM圖片。從圖中可以看出，碳納米管表面的雜質(zhì)已經(jīng)被除去，碳納米管進一步被短切成了幾百納米的短管，這有利于碳納米管的分散，對下一步碳納米管表面包覆是非常重要的。

2.2 碳納米管表面包覆鋇鐵氧體的SEM圖

溶膠凝膠法制備碳納米管基鋇鐵氧體納米復合材料的SEM如圖2所示，從SEM圖像中看出：鋇鐵氧體或以均勻的涂層包覆于碳納米管表面或以團聚的形態(tài)纏繞于碳納米管表面，說明成功地合成了碳納米管基鋇鐵氧體納米復合材料。

2.3XRD分析

圖3（a）為包覆前的碳納米管的X射線衍射譜圖，從圖3（a）可以看出，包覆前碳納米管的相組成主要為碳；圖3（b）為經(jīng)過鋇鐵氧體包覆后的碳納米管的X射線衍射譜譜圖，從譜圖中可以看出，譜圖中有鋇鐵氧體及中間產(chǎn)物%＼-Fe2O3的衍射峰，由于涂層較薄，因此譜圖中出現(xiàn)了基體碳納米管的碳衍射峰。

2.4 靜磁性能測試

圖4為碳納米管表面包覆鋇鐵氧體后粉末的VSM磁滯回線圖，從圖中可以看出，粉末的矯頑力Hc為0.225kOe（17.9kA/m），飽和磁化強度Ms為48.6emu/g（48.6Am2/kg），該復合粉末的飽和磁化強度小于理論上的極限值72 Am2/kg，說明樣品中鋇鐵氧體的純度不是很高，可能是含有%＼-Fe2O3等反鐵磁性物相的緣故。

2.5 電磁參數(shù)及電磁特性分析

圖5為原始碳納米管與碳納米管/鋇鐵氧體復合材料在2-18GHz的測試頻率范圍內(nèi)反射率的比較。

由圖5可知，原始碳納米管在測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個吸收峰，吸收峰位置分別出現(xiàn)在8.17GHz和16.70GHz，對應的吸收峰值分別為-22.53dB和-16.50dB，最大反射損耗值R = -22.53dB，R<-10dB頻寬為8.52GHz；碳納米管/鋇鐵氧體復合材料在測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)多個吸收峰，最大反射損耗值R=-14.40dB，R<-10dB頻寬為2.92GHz。相對于原始碳納米管，雖然表面包覆鋇鐵氧體的碳納米管復合材料的吸收峰值變小，但在所測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)多個吸收峰，在多個頻段內(nèi)都有較強的吸收峰，特別在f>12 GHz的高頻區(qū)出現(xiàn)四個吸收峰，表現(xiàn)出較好的反射特性。

3結(jié)論

本實驗運用溶膠凝膠法在經(jīng)過純化處理過的碳納米管表面包覆了磁性材料鋇鐵氧體，根據(jù)實驗得到如下結(jié)論：

（1）通過觀察所制備的碳納米管/鋇鐵氧體復合粉末的SEM圖像和XRD分析可知：碳納米管表面上較均勻地包覆了一層鋇鐵氧體。（2）通過對實驗所制備的碳納米管/鋇鐵氧體復合粉末的磁滯回線分析可知：粉末的矯頑力Hc為0.225kOe（17.9kA/m），飽和磁化強度Ms為48.6emu/g（48.6Am2/kg），具有較好的磁性。（3）碳納米管/鋇鐵氧體復合材料的磁損耗比原始碳納米管要大，相對于原始碳納米管，雖然表面包覆鋇鐵氧體的碳納米管復合材料的吸收峰值變小，但在所測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)多個吸收峰，在多個頻段內(nèi)都有較強的吸收峰，特別在f>12GHz的高頻區(qū)出現(xiàn)四個吸收峰，表現(xiàn)出較好的吸波特性。

參考文獻

[1] 錢海霞，熊惟皓.納米復合隱身材料的研究進展[J].宇航材料工藝，2002.32（2）：8.

[2] H.J.Zhang，X.Yao，L.Y.Zhang.The preparation and microwave properties of BaZn2-z CoZFe16O27 ferrite obtained by a sol–gel process[J].Ceramics International，2002.28（2）：171.

[3] T.Nakamura，Ken-ichi Hatakeyama.Hatakcyama.Complex Permeability of Polycrystalline Hexagonal Ferrites[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000.36（5）：3415.

[4] Iijima S.Helical microtubules of graphitic carbon[J].Nature，1991.354（6350）：56.

[5] 張昭，彭少方，劉棟昌.無機精細化工工藝學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：81.