磁性納米Fe3O4摻雜電磁波吸收板*

布和巴特爾，梁　巖，莫淑華，王春艷，齊海群

（黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

磁性納米Fe3O4摻雜電磁波吸收板*

布和巴特爾，梁巖，莫淑華，王春艷，齊海群

（黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越多，使用范圍也越來(lái)越廣泛。與此同時(shí)，電磁輻射對(duì)環(huán)境及人體的影響也越來(lái)越大。如何采用有效的辦法屏蔽外來(lái)輻射、防止電磁輻射對(duì)人的傷害，以及減少電磁輻射污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，已成為亟待解決的問(wèn)題。本文主要應(yīng)用復(fù)合材料的手糊成型與模壓成型工藝，利用Fe3O4粉末增強(qiáng)碳纖維，制得復(fù)合電磁波吸收材料。對(duì)該材料的吸波性能測(cè)試結(jié)果表明，用Fe3O4粉末增強(qiáng)的碳纖維具有很好的電磁波吸收功能。而且，其鋪層越多，吸收效果越好，亦即吸收效果隨著吸收板厚度的增加而增加。

吸收材料；碳纖維；納米Fe3O4；復(fù)合材料

隨著科技的發(fā)展，電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用到人們生活中。電視廣播、通訊技術(shù)的不斷普及使射頻設(shè)備的功率成倍提高，地面上的電磁輻射也隨之大幅增加。從而使電磁波污染日益嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人類(lèi)的健康［1，2］。因此，需要研制電磁波吸收材料來(lái)解決電磁波污染問(wèn)題。

Fe3O4是最早被人們發(fā)現(xiàn)可以吸收電磁波的材料之一，到目前為止，已廣泛應(yīng)用在各種電磁波吸收領(lǐng)域。Fe3O4雖然具有制備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其電損耗性能差而影響了在更高要求的電磁波吸收領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，近年來(lái)對(duì)Fe3O4與其它介電損耗型材料復(fù)合的研究成為熱點(diǎn)。碳纖維是常見(jiàn)的電損耗型吸波材料，應(yīng)用十分廣泛，但是由于其磁損耗性能較差，一定程度上限制了其應(yīng)用［3，4］。如果以碳纖維為基體，通過(guò)摻雜Fe3O4制成復(fù)合材料并將其用于吸收電磁波，可以發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，從而得到電磁波吸收性能更好的復(fù)合材料，以拓寬其在電磁波吸收應(yīng)用領(lǐng)域［5，6］。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原材料

碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)CF），六水合氯化鐵（FeCl3·6H2O），七水合硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O），氨水（NH3·H2O），鹽酸（HCl），油酸（OA），以上均為分析純，購(gòu)自天津科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心。

1.2材料的制備

1.2.1Fe3O4納米顆粒的制備以NH3·H2O作沉淀劑，采用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4，其反應(yīng)原理可用下列方程表示：

將摩爾比為2∶1的 FeCl3·6H2O和FeSO4· 7H2O的溶于燒杯中混合，在強(qiáng)力攪拌下將過(guò)量50%的NH4OH快速加入燒杯中，并升溫到80℃，再加入10%的油酸，繼續(xù)攪拌100min。以6000r·min-1的速度過(guò)濾離心分離，得到油酸包覆的納米Fe3O4粉。其工藝見(jiàn)圖1。

圖1　Fe3O4的制備工藝Fig.1　Systhetic process of Fe3O4

1.2.2磁性納米Fe3O4摻雜電磁波吸收板的制備將模具清洗干凈，后在表面涂脫模劑，用吹風(fēng)機(jī)吹干后涂第二層，直至4～6層即可。將剪好的95×95mm碳纖維沾滿(mǎn)研磨成粉末的Fe3O4鋪在模具中，18～22層。將模具用螺母擰緊后，放在室溫下2～4h。將裝有材料的模具放在加熱器材中，70℃下預(yù)熱30min，取出模具，重新緊固模具上的螺母。在100℃下加熱1h。再加熱至125℃，保持2h。取出模具，冷卻4h以上。將模具上的螺母小心擰出，取出材料即可。模壓成型工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2　模壓成型工藝流程圖Fig.2　Compression moulding process of electromagnetic wave absorption plate

利用日本電子公司JEOL JEM-2100透射電鏡分析樣品的形貌和尺寸。利用Bruker D8型X射線衍射儀測(cè)試樣品的晶型。用LakeShore 7403振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)試樣品的磁性。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent N5244A）測(cè)試材料的電磁波吸收性能。

2　結(jié)果分析

2.1Fe3O4納米顆粒的表征

首先，用XRD分析了油酸包覆的Fe3O4納米顆粒，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　納米Fe3O4的XRD圖Fig.3　X-ray diffraction of nano Fe3O4

由圖3可見(jiàn)，最高峰為311晶面，說(shuō)明納米顆粒表面主要以311晶面為主。而且其XRD衍射峰的位置均與標(biāo)準(zhǔn)XRD譜圖（JCPDS，No.74-0748）一致。利用謝樂(lè)公式計(jì)算其粒徑的結(jié)果是11nm，這和高分辨TEM測(cè)試結(jié)得到的結(jié)果非常吻合的。

2.2Fe3O4納米顆粒的磁性分析

Fe3O4塊體的是典型的亞鐵磁性體，但粒徑不同時(shí)其磁飽和強(qiáng)度、矯頑力、剩磁等磁學(xué)指標(biāo)都產(chǎn)生變化。特別是粒徑達(dá)到納米級(jí)時(shí)其矯頑力和剩磁接近零而表現(xiàn)出超順磁性。

圖4　納米Fe3O4的磁滯回線圖Fig.4　Magnetic hysteresis curves of nano Fe3O4

從圖4可以看出，F(xiàn)e3O4納米顆粒比飽和磁化強(qiáng)度比較大，為62emu·g-1，F(xiàn)e3O4納米顆粒的矯頑力和剩磁均為零，表現(xiàn)出很好的超順磁性。

2.3Fe3O4納米顆粒的TEM分析

為了分析Fe3O4磁粉的粒徑以及表面晶型我們測(cè)試了其TEM，發(fā)現(xiàn)Fe3O4磁粉呈現(xiàn)出類(lèi)球形，其粒徑分布為7～15nm，大部分Fe3O4磁粉的粒徑都在12nm左右（圖5）。

為了更準(zhǔn)確分析Fe3O4磁粉表面晶型，測(cè)試了高分辨透射電鏡圖（圖5）。發(fā)現(xiàn)Fe3O4磁粉表面主要是311晶面，其晶面間距為311晶面的0.24nm。

圖5　Fe3O4磁粉的高分辨透射電鏡（HTEM）圖Fig 5　TEM images and HTEM of Fe3O4

2.4磁性納米Fe3O4摻雜電磁波吸收板性能分析

目前，常用的吸波材料主要分為磁損耗型和電損耗型兩種。Fe3O4磁性納米顆粒是磁損耗型吸波材料［7］。碳類(lèi)材料屬于電損耗型吸波材料，由于其密度低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在吸波領(lǐng)域［8，9］。兩種材料的復(fù)合有效地優(yōu)化其電磁波吸收性能。

為了分析Fe3O4摻雜電磁波吸收板復(fù)合材料的電磁波吸收性能，測(cè)試了其2～18GHz的反射率（見(jiàn)圖6）。

圖6　納米Fe3O4摻雜電磁波吸收板的反射率譜圖。Fig.6　Reflection loss curves of Fe3O4magnetic nanoparticles panels at different thickness

發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料在4～10GHz處有很好的電磁波吸收性能，在2～3.5mm厚度范圍，隨著復(fù)合材料的厚度增加，其電磁波吸收效果會(huì)有提升，并且其吸收率最高值會(huì)向低頻段移動(dòng)，但是到4mm厚度時(shí)吸收率反而下降，這就證明了吸收率只與復(fù)合材料某一段范圍內(nèi)厚度有關(guān)。電磁波最高值是復(fù)合材料厚度3.5mm時(shí)的4.8GHz頻率處，可以達(dá)到-19dB。這也證明了Fe3O4材料與碳纖維材料復(fù)合會(huì)提高其低頻段吸收率［10，11］。這種復(fù)合板材可能在防護(hù)電磁波的很多領(lǐng)域有產(chǎn)業(yè)化前景。

3　結(jié)論

通過(guò)碳纖維與常見(jiàn)的吸波材料Fe3O4的復(fù)合，改善了碳纖維的吸波性能，但兩種材料的復(fù)合比例對(duì)吸波性能影響很大，當(dāng)Fe3O4加入量為30%時(shí)吸收性能最好。

（1）利用簡(jiǎn)單的共沉淀法制備Fe3O4納米磁粉。TEM照片可以看出，F(xiàn)e3O4粒徑比較小在11μm左右，呈現(xiàn)超順磁性。

（2）磁性納米Fe3O4摻雜碳纖維電磁波吸收板厚度在3.5mm時(shí)吸收性能最好。這也說(shuō)明了材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率的匹配在材料整體吸收性能提高中起到了非常重要的作用。

［1］ 宣愛(ài)國(guó)，蔣爭(zhēng)光，朱自軍，等.納米尖晶石型涂復(fù)材料吸波性能的研究［J］.化學(xué)世界，2004.

［2］ 邱琴，張晏清，張雄.尖晶石型納米鐵氧體的制備與吸波性能［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009.

［3］ 陳寧，王海濱，霍冀川，等，鐵氧體吸波材料的制備研究進(jìn)展［J］.化工新型材料，2009.

［4］ NiS B，Wang X H，Zhou G，et al.Designed synthesis ofwide range microwave absorption Fe3O4-carbon sphere composite［J］.J.Alloy. Compd.，2010.

［5］ 李國(guó)顯，王濤，薛海榮，等.石墨烯/Fe3O4復(fù)合材料的制備及電磁波吸收性能［J］.航空學(xué)報(bào)，2011.

［6］ 張家杰.國(guó)內(nèi)外碳纖維發(fā)展趨勢(shì)［J］.護(hù)工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2005，（4）.

［7］ 碳纖維在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展分析.中國(guó)商務(wù)部官網(wǎng)，2010-07-12.

［8］ 碳纖維物理性質(zhì)分析.深圳新聞網(wǎng)，2013-04-1.

［9］ 碳纖維在汽車(chē)構(gòu)件領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展.中國(guó)玻璃鋼網(wǎng)，2010-07-3.

［10］ S.L.Kadam；K.K.Patankar；V.L.Mathe Dielectric Behavior and Magneto-electricEffect Ni0.75Co0.25Fe2O4of Ba0.8Pb0.2TiO3ME Composites［J］.J.Electroceram.，2002.

［11］ 賈寶富，劉述章，林為干.反雷達(dá)涂敷材料中吸收粒子的最佳外形［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1990.

Fe3O4magnetic nanoparticles doped with electromagnetic wave absorption panels*

BUHE Bateer，LIANG Yan，MO Shu-hua，WANG Chun-yan，QI Hai-qun
（College of Materials and Chemical Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

With the social development and progress，more and more powerful electronic was producted，and the use was more and more widespread.At the same time，the effects of electromagnetic radiation on the environment and the human body is also growing.How to adopt effective way to shield the external electromagnetic radiation，prevent its injury to persons，reduce its pollution and protectthe environment has become a serious problem. The main subject of the article is the use of hand lay-up and compression molding to prepare an Fe3O4powders reinforced carbon fiber composite electromagnetic wave shielding material The results of wave-absorbing property messurement proved that the Fe3O4powders reinforced carbon fiber has good electromagnetic shielding property. Especially，more coating layers means better shielding effect，that is，the shielding effect is determined by the thickness of the absorbing layers.

absorbing material；carbon fiber；Fe3O4nanoparticles；composite material

TS722

A

2016-07-18

黑龍江工程學(xué)院博士科研基金項(xiàng)目（2014BJ12）

布和巴特爾（1976-），男，博士，2013年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，主要研究方向：磁性納米材料制備及應(yīng)用。