外磁場誘導Fe3O4 顆粒制備裝置設計優化及不同形貌納米Fe3O4 顆粒制備

胡大為

（廣東芬芳陶瓷有限公司, 廣東廣州510641）

納米顆粒材料的性能不僅取決于化學成分，還與顆粒的結構和形貌密切相關[1]，并有可能直接決定其應用性能[2]，因此，納米顆粒材料制備過程中的結構和形貌控制研究，成為材料科學研究的前沿之一。根據晶體的生長動力學原理，納米顆粒的形成過程是高度的動力學驅動過程，納米晶粒會朝著具有最低能量的形狀方向生長。Fe3O4具有亞鐵磁性，屬立方反尖晶石結構，結構中氧原子形成緊密堆積，鐵原子分布于四面體和八面體空隙內，形成初始的Fe3O4四方體晶核以后，實驗條件的改變，可為Fe3O4晶核創造不同的生長環境，改變顆粒的生長動力學狀態，進而得到不同形貌的Fe3O4納米顆粒。本研究通過優化設計磁場誘導氧化共沉淀法制備納米Fe3O4顆粒的裝置，并通過調節弱外磁場和改變反應條件相結合的方法，制備得到不同形貌的納米Fe3O4顆粒。

1 外磁場誘導氧化共沉淀法制備納米Fe3O4 顆粒裝置設計優化

本研究中，采用自行設計的基于弱外磁場輔助氧化共沉淀法制備納米Fe3O4顆粒的反應器，制備不同形貌的納米Fe3O4顆粒，為能實現反應器內磁場分布均勻，本研究中采用Ansys 軟件，對反應器進行建模和有限元分析，分析反應器內磁場的分布情況與反應器尺寸、外加電磁場線圈大小等設計參數的關系，優化反應器的設計參數[3]。

1.1 反應器的設計

根據試驗的要求，設計反應器如圖1 所示。

圖1 弱外磁場輔助納米Fe3O4 顆粒合成裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of a synthesis system with an assistance external magnetic field

1.2 Ansys 電磁分析方法

利用ANSYS/Emag 或ANSYS/Multiphysics 模塊中的電磁場分析功能，ANSYS 可分析計算設備的電磁場分布情況。ANSYS 電磁場分析以Maxwell 方程組作為電磁場分析的出發點，其利用有限元方法計算未知量（自由度），主要是磁位或通量，然后由這些自由度導出其他的物理量。根據用戶所選擇的單元類型和單元選項的不同，ANSYS 計算的自由度可以是標量磁位、矢量磁位或邊界通量。

1.3 Ansys 建模

根據設計的反應器結構簡圖，運用Ansys 軟件對反應器進行簡化，建立有限元分析模型，如圖2 所示。

圖2 反應器的Ansys 分析簡化模型Fig.2 Ansys analysis simplified model of the reactor

1.4 反應器尺寸優化設計

1.4.1 反應器高度對反應器內磁場分布的影響

由于試驗所采用的磁場為兩塊相疊電磁鐵所提供，其磁力線空間分布會受到電磁鐵之間的空間距離的影響，為保證反應器內磁力線的分布盡量平行，本研究中對反應器內部高度為150mm、120mm 和100mm 進行Ansys模擬分析。具體步驟如下：

（1）對建立的模型進行網格劃分，網格劃分結果如圖3 所示。

圖3 模型網格劃分Fig.3 Model meshing

（2）對模型施加邊界條件后，進行反應器靜態磁場分析，通過Ansys 軟件計算分析后，得到不同反應空間高度的磁力線分布圖，如圖4 所示。

圖4 反應器內部不同高度時的磁力線分布Fig.4 Magnetic force lines distribution at different reactor inside heights

從圖4 中可以看出，隨著反應器內部空間高度的減小，磁力線在反應器內部的分布越接近平行分布，反應器內的磁場強度分布也相對越均勻。根據模擬分析的結果和實際操作過程中的需要，本研究中設計反應器內部空間的高度定位100mm。

1.4.2 電磁鐵直徑對磁力線分布的影響

由于電磁鐵的邊沿磁力線密集，因此，電磁鐵的直徑大小將對空間磁力線的分布產生較大影響。本研究中對電磁鐵直徑為130mm、110mm 和100mm 進行Ansys模擬分析。具體結果如圖5 所示。

圖5 不同直徑大小電磁鐵對反應器內部磁力線分布的影響Fig.5 Impact of electromagnet diameters on magnetic force lines distribution inside of the reactor

從圖5 中可以看出，隨著電磁鐵直徑的縮小，反應器內部的磁力線集中區域越多，導致磁力線分布越不均勻。本研究中根據模擬分析的結果和實際操作需要，選定電磁鐵的直徑為130mm。綜上所述，根據分析結果優化本研究中設計的合成反應器，確定反應器的參數為：反應器內部高度100mm、電磁鐵直徑130mm、反應器內部直徑109mm。

2 不同形貌納米Fe3O4 顆粒制備

2.1 實驗原料及主要儀器設備

主要原料為：FeCl2（AR，廣東臺山粵僑試劑塑料有限公司），NaOH（AR，天津市百世化工有限公司），H2O2（AR，天津市百世化工有限公司）。

主要儀器設備：電磁線圈（自制），可調速攪拌機（IKA LABORTECHNIK Corp.），恒溫水浴（上海錦屏儀器儀表有限公司），高精度直流穩壓電源（香港龍威儀器儀表有限公司）。

2.2 實驗步驟

典型步驟 如 下：將100mL 2mol·L-1的NaOH 溶 液置于有機反應容器中，水浴加熱至預定溫度70℃，在氮氣保護下，將100mL 一定濃度的FeCl2溶液，以5 mL·min-1的速度，勻速滴入到NaOH 溶液中，邊滴加邊攪拌，滴加完畢后，充分攪拌5min，得到灰綠色的Fe(OH)2懸濁液。開啟電磁線圈產生磁場，然后將化學計量的H2O2溶液，以1 mL·min-1的速度，勻速滴入于上述懸濁液中，滴加完后，使體系保持反應一定時間3h，得到黑色懸濁液，采用永磁鐵進行磁分離后，所得黑色沉淀，用脫氧水洗滌5 次后于80℃下真空干燥24h得到試樣。

2.3 不同形貌納米Fe3O4 顆粒的制備

參照Hu 等[4-5]的控制方法，本研究中合成制備出具有六方片狀形貌、正八面體形貌和無規則形貌的納米Fe3O4顆粒（如圖6 所示）。

圖6 不同形貌納米Fe3O4 顆粒Fig.6 SEM images of Fe3O4 particles with various morphologies

3 結論

本文通過Ansys 磁分析工具，優化設計反應器尺寸，優化反應器空間磁場分布，設計了外磁場輔助氧化共沉淀法制備納米Fe3O4顆粒的裝置；通過調整操作參數，制備得到了具有六方片狀、正八面體和無規則形貌的納米Fe3O4顆粒。