Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的制備與性能研究

王佩沛，施劉健，晉傳貴，王 坤

（安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的制備與性能研究

王佩沛，施劉健，晉傳貴，王 坤

（安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

采用水熱法制備不同質(zhì)量比的Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物，采用X射線衍射分析儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)、網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該復(fù)合物的成分、形貌、磁性能與電磁性能進(jìn)行表征與分析。結(jié)果表明：部分Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子鑲嵌在石墨的片層之間，其他則覆蓋在石墨表層；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的飽和磁化強(qiáng)度隨著石墨含量的增加而降低；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的復(fù)介電常數(shù)虛部大于Mg0.5Co0.5Fe2O4的復(fù)介電常數(shù)虛部；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物在15.5～17.0 GHz頻率范圍，其反射損耗低于-15 dB，反射損耗峰值達(dá)到-31 dB。

Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨；水熱法；復(fù)合物；電磁性能

電氣、通訊設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的電磁波輻射致使電磁污染日益嚴(yán)重，對(duì)此，吸收電磁波的材料應(yīng)運(yùn)而生，其中鐵氧體得到眾多學(xué)者關(guān)注。鐵氧體雖然具有高磁導(dǎo)率與高磁損耗，但是單獨(dú)使用時(shí)，密度大、匹配厚度大和阻抗匹配差等缺點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用。研究表明[1-2]，在鐵氧體中加入介電材料組成復(fù)合吸收劑，可增加介電損耗，另可改善阻抗匹配，進(jìn)而增強(qiáng)材料的吸波效能。Du等[1]在Fe3O4表面進(jìn)行原位聚合及高溫碳化，合成以Fe3O4為核的核-殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@C復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的吸波性能比Fe3O4更好。Yang等[2]用沉淀法制備出鐵氧體/納米石墨微片（BaFe12O19/NanoG）復(fù)合材料，且測(cè)試其各項(xiàng)性能，結(jié)果表明，與單一BaFe12O19及NanoG相比，BaFe12O19/NanoG復(fù)合材料的吸波性能最好。目前鐵氧體的制備方法有溶膠-凝膠法[3]、共沉淀法[4]、水熱法[5]、微乳液法[6]、超聲活化-熔鹽法[7]等，其中采用水熱法制備的粉體一般無(wú)需燒結(jié)，且在制備過(guò)程中難以混入雜質(zhì)，粒子純度更高，粒徑細(xì)小、均勻，晶形好且可控制[8-9]。因此，本文采用水熱法制備尖晶石型Mg0.5Co0.5Fe2O4與石墨的復(fù)合物，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、磁性能及電磁性能進(jìn)行研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

按Mg0.5Co0.5Fe2O4化學(xué)式的金屬元素化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量0.256 g Mg(NO3)2·6H2O(AR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，1.368 g Fe(NO3)3·9H2O(AR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，0.292 g Co(NO3)2·6H2O(AR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)等原料，然后將原料放入燒杯中。以上步驟操作3次。再按照Mg0.5Co0.5Fe2O4與石墨的質(zhì)量比5∶0(1#樣品)、5∶2(2#樣品)和5∶4(3#樣品)分別向3個(gè)燒杯中加入0，0.174 4，0.348 8 g石墨粉(CP級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，且分別加入0.68 g固體NaOH(AR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)和70 mL蒸餾水，攪拌并超聲使原料充分溶解、分散均勻，倒入反應(yīng)釜中。在220℃反應(yīng)15 h后依次用蒸餾水和無(wú)水乙醇(AR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)離心洗滌數(shù)次，至上清液澄清，在60℃下干燥12 h，研磨得到產(chǎn)物。

1.2 樣品表征

采用X射線衍射儀(XRD，Bruker AXS公司)測(cè)試產(chǎn)物的相組成；采用掃描電子顯微鏡(SEM，日本JEOL電子公司)觀察產(chǎn)物的形貌；采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM，美國(guó)Quantum Design公司)測(cè)試產(chǎn)物的磁性能；采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(N5244A型，安捷倫公司)測(cè)試產(chǎn)物的電磁性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的XRD分析

圖1是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的XRD圖。從圖1可以看出：1#樣品在2θ為30°，35°，43°，57°，62°處出現(xiàn)Mg0.5Co0.5Fe2O4的特征衍射峰(JCPDS卡號(hào)：36-0398，22-1086)，依次對(duì)應(yīng)(220)，(311)，(400），(511)，(440)晶面，沒(méi)有出現(xiàn)雜相衍射峰；2#，3#樣品在2θ為27°，55°處出現(xiàn)石墨晶體的特征衍射峰(JCPDS卡號(hào)：26-1076)，對(duì)應(yīng)(002)，(422)晶面。物相的衍射強(qiáng)度與該物相在復(fù)合物中的含量有關(guān)，所以隨著Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物中石墨含量的增加，其Mg0.5Co0.5Fe2O4特征衍射峰的強(qiáng)度逐漸減弱，而石墨特征衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

圖1 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的XRD圖Fig.1 XRD patterns of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.2 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的SEM分析

石墨，Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的SEM圖如圖2，其中4#樣品是石墨。從圖2可以看出：1#樣品Mg0.5Co0.5Fe2O4是顆粒狀，分散較均勻；4#樣品石墨具有典型的片層結(jié)構(gòu)，層間距較大，這為Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子進(jìn)入石墨片層間提供了充足的空間；2#和3#樣品Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物中片層結(jié)構(gòu)消失，顆粒覆蓋和填充了石墨片的表層和層間空隙，說(shuō)明Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子和石墨片較好地復(fù)合在一起。

圖2 石墨，Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的SEM圖Fig.2 SEM images of graphite,Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.3 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的VSM分析

圖3是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的VSM圖。從圖3可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的飽和磁化強(qiáng)度Ms隨其石墨含量的增加而降低，這是由于非磁性的石墨對(duì)母體Mg0.5Co0.5Fe2O4的磁性起到了稀釋作用[10]；但是矯頑力Hc隨著石墨含量的增加變化不明顯，這是因?yàn)槌C頑力的影響因素較復(fù)雜，包括化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、平均晶粒尺寸、晶格缺陷、形貌和壓力等[11]。

圖3 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的磁滯回線Fig.3 Magnetic hysteresis loops of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.4 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的電磁參數(shù)分析

圖4是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物復(fù)介電常數(shù)及復(fù)磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線。從圖4(a)可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部ε′隨頻率的變化波動(dòng)不大，而隨著石墨的加入，3#樣品的ε′在16.5 GHz附近出現(xiàn)最小值。從圖4(b)可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4復(fù)介電常數(shù)的虛部ε″隨頻率的變化波動(dòng)不大，而隨著石墨的加入，3#樣品的ε″在16.5 GHz附近出現(xiàn)最大值。由公式[12]

知ε″和ρ成反比例關(guān)系。式中：ε0表示自由空間的介電常數(shù)；ρ表示電阻率；f表示頻率。石墨具有良好的導(dǎo)電性，電阻率比Mg0.5Co0.5Fe2O4小，導(dǎo)致Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的電阻率相應(yīng)比純Mg0.5Co0.5Fe2O4小，所以Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的ε″比Mg0.5Co0.5Fe2O的ε″大。

圖4 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物復(fù)介電常數(shù)及復(fù)磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of complex permittivity and complex permeability versus frequency of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

從圖4(c)，(d)可以看出，Mg0.5Co0.5Fe2O4復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′和虛部μ″都隨頻率的增大而減小，但隨著石墨的加入，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的μ′和 μ″均變小且隨頻率的增大而變化很小。這是石墨為非磁性物質(zhì)所致。

圖5是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的反射損耗R隨頻率變化曲線。從圖5可以看出 ：與Mg0.5Co0.5Fe2O4的 反 射 損 耗 相 比 ，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物在15.5～17 GHz頻率范圍，其反射損耗低于-15 dB，吸波性能增強(qiáng)，且向著高頻方向移動(dòng)，3#樣品在16.5 GHz處出現(xiàn)最大反射損耗峰，峰值為-31 dB。這是由于石墨良好的導(dǎo)電性以及Mg0.5Co0.5Fe2O4與石墨之間的相互作用一方面改善了Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的阻抗匹配，另一方面增加了介電損耗，且增加量大于磁損耗減少量。

圖5 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的反射損耗隨頻率變化曲線Fig.5 Curves of reflection loss of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites as a function of frequency

3 結(jié) 論

1)采用水熱法成功制備Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物，由SEM結(jié)果看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子部分鑲嵌在石墨的片層之間，部分粒子覆蓋在石墨表層，且隨石墨含量的增加變化不大。

2)由VSM分析得出，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的飽和磁化強(qiáng)度隨石墨含量的增加而降低。

3)由電磁參數(shù)分析得出，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物的ε″隨石墨含量的增加，在16.5 GHz處明顯增大，出現(xiàn)最大值；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復(fù)合物在15.5～17.0 GHz頻率范圍的吸波性能良好，反射損耗峰值為-31 dB。

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責(zé)任編輯：何莉

Preparation and Properties of Mg0.5Co0.5Fe2O4/Graphit Composites

WANG Peipei,SHI Liujian,JIN Chuangui,WANG Kun
(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)

Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites of different mass ratios were prepared by hydrothermal method.The composition,morphology,magnetic properties and electromagnetic properties of the composites were analyzed with X-ray diffractionmeter(XRD),scanning electron microscope(SEM),vibrating sample magnetometer (VSM)and network analyzer.The results show that part of Mg0.5Co0.5Fe2O4particles are enchased between graphite layers,others are covered on the surface of graphite layers;the saturation magnetization of Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites decreases with the increase of graphite content;the imaginary part of permittivity of Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites is greater than that of Mg0.5Co0.5Fe2O4;the reflection loss of Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites is below-15 dB at the frequency range of 15.5-17.0 GHz,and the reflection loss peak reaches -31 dB.

Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite;hydrothermal method;composite;electromagnetic property

TB 34

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.004

2016-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21071003)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(AH201410360146)

王佩沛(1990-)，女，安徽安慶人，碩士生，主要研究方向?yàn)閺?fù)合吸波材料制備及性能。

晉傳貴(1966-)，男，安徽無(wú)為人，博士，教授，研究方向?yàn)楣δ懿牧现苽渑c性能。

1671-7872(2016)03-0220-04