正八面體狀Fe3O4納米晶的制備及微波吸收性能研究

龐增德，楊會(huì)靜

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正八面體狀Fe3O4納米晶的制備及微波吸收性能研究

龐增德，楊會(huì)靜

（唐山師范學(xué)院 物理系，河北 唐山 063000）

利用溶劑熱法，以FeCl3·6H2O為鐵源，通過(guò)控制礦化劑NaOH的濃度，制備了正八面體形貌的Fe3O4納米顆粒，并測(cè)試了產(chǎn)物的電磁性能和微波吸收能力。結(jié)果表明，在厚度為2.0 mm，頻率為13.12 GHz時(shí)，電磁波的吸收峰可達(dá)-33.54 dB，最大有效吸收帶寬為3.84 GHz。

Fe3O4；吸波材料；電磁性能；水熱法

電子對(duì)抗是當(dāng)今軍事界的熱點(diǎn)問(wèn)題，其勝負(fù)的關(guān)鍵是微波吸收屏蔽材料的性能[1]。具有多重?fù)p耗機(jī)制的材料對(duì)電磁波有更強(qiáng)的吸收能力，受到人們的關(guān)注。具有鐵磁性的Fe3O4納米顆粒就是其中之一，它不僅具有介電損耗機(jī)制，還具有磁損耗機(jī)制[2]，性能優(yōu)于單一機(jī)制的微波吸收材料，但是存在吸收頻帶窄的缺點(diǎn)[3-4]。因此，需要通過(guò)調(diào)控納米Fe3O4的微觀形貌，調(diào)節(jié)電磁參數(shù)，制備出微波吸收能力強(qiáng)、吸收頻帶寬的材料。本文利用溶劑熱法制備了正八面體形貌的Fe3O4納米晶，對(duì)其電磁性能進(jìn)行研究，測(cè)試納米晶在室溫下的介電性能和磁導(dǎo)率，分析材料參數(shù)的變化規(guī)律。對(duì)Fe3O4納米晶的微波吸收特性進(jìn)行分析，研究了吸波材料的厚度與吸波效果的關(guān)系，為其作為微波吸收材料提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)所用原料

乙二醇、三氯化鐵、聚乙二醇（PEG6000）、酒精、氫氧化鈉，所有試劑均為分析純。

去離子水。

1.2 溶劑熱法制備納米Fe3O4

量取150 ml乙二醇置于燒杯中，加入4.86 g氯化鐵（FeCl3?6H2O），磁力攪拌15 min后超聲5 min，重復(fù)5次。然后，稱量一定量的氫氧化鈉加入溶液，攪拌至完全溶解。再稱量3.6 g聚乙二醇（PEG6000）加入溶液中，超聲處理3 min后在40 ℃環(huán)境下磁力攪拌使固體完全溶解。將攪拌后溶液移入反應(yīng)釜中，200 ℃恒溫環(huán)境中反應(yīng)8 h。用酒精沖洗反應(yīng)釜，將沖洗液連同沉淀一起倒入燒杯中，超聲處理15 min后再離心5 min。然后，使用酒精沖洗下層沉淀離心，反復(fù)三次。最后，用去離子水離心沖洗三次。對(duì)離心后樣品進(jìn)行凍干處理后研磨成粉末，得到納米Fe3O4顆粒[5-6]。

1.3 產(chǎn)物的表征

材料的形貌測(cè)試使用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM，JEM-2010F）和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，HITACHI S-4800），材料的晶體結(jié)構(gòu)表征測(cè)試使用Cu靶的K輻射X射線衍射儀（XRD，Rigaku，D/max-RB，λ=0.154 05 nm），樣品磁性能使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM, LakeShore 7407）測(cè)試[7]。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，Anritsu 3726D）測(cè)試磁導(dǎo)率以及介電常數(shù)[8]。采用同軸法，將樣品與石蠟9:1混合均勻，在20 MPa壓力下冷壓成外徑為7.00 mm，內(nèi)徑為3.00 mm的圓環(huán)形測(cè)試樣，測(cè)試頻率為2-18 GHz范圍的介電性能。采用單層均勻吸波體在金屬基板上的情況，根據(jù)微波傳輸線原理，計(jì)算反射率損耗，評(píng)價(jià)材料的微波吸收性能。反射率損耗R由以下公式計(jì)算得出：

式中，0為自由空間阻抗，其表達(dá)式為[8]：

式中，0是自由空間的介電常數(shù)，0是自由空間的磁導(dǎo)率[9]。電磁波從自由空間入射到材料界面的歸一化輸入阻抗in為[10]：

式中，是光在真空中的傳播速度，是電磁波的頻率，是吸波材料的厚度，ε和μ分別是材料的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率[11]。

2 Fe3O4納米晶結(jié)構(gòu)表征及性能研究

2.1 Fe3O4納米晶形貌分析

對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行形貌測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。

（A）SEM；（B）TEM圖像

從圖中SEM和TEM圖像可以看到產(chǎn)物呈現(xiàn)比較規(guī)則的正八面體形狀，粒徑在150 nm左右。

2.2 Fe3O4的XRD及磁性分析

圖2所示是納米Fe3O4顆粒的XRD譜。與Fe3O4的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰進(jìn)行對(duì)比，可以確定產(chǎn)物為立方晶系的Fe3O4。不存在雜質(zhì)晶向衍射峰，說(shuō)明產(chǎn)物為高純度Fe3O4[12]。

圖2 正八面體Fe3O4納米晶的XRD圖像

圖3 正八面體Fe3O4納米晶的磁滯回線

由圖3可見(jiàn)，正八面體Fe3O4表現(xiàn)出鐵磁性，所能達(dá)到的最大磁化強(qiáng)度為78.24 memu?g-1[13]。

2.3 Fe3O4納米顆粒的電磁參數(shù)

從圖4(C)可以看出，八面體狀Fe3O4納米顆粒介電損耗最大值為1.51，磁損耗最大范圍為0.05~0.64內(nèi)。

（A）介電常數(shù)；（B）磁導(dǎo)率；（C）正切損耗與頻率之間的關(guān)系

2.4 Fe3O4的吸波性能

為了評(píng)價(jià)Fe3O4的吸波性能，根據(jù)傳輸線原理計(jì)算了材料的反射率損耗R。通過(guò)計(jì)算得到Fe3O4顆粒微波吸收性能（反射率損耗R）隨頻率（2-18 GHz）和厚度的變化關(guān)系，選取的厚度為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 Fe3O4納米晶微波吸收性能隨頻率變化關(guān)系

隨著厚度的增加，最強(qiáng)微波吸收峰峰值向低頻移動(dòng)，從16.72 GHz到5.44 GHz。從吸波層厚度來(lái)看，除厚度為1.0 mm時(shí)外，其他吸收層厚度，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，都存在超過(guò)-10 dB的吸收峰。并且，在2.0-3.0 mm的范圍內(nèi)出現(xiàn)了雙峰吸收。尤其是，厚度為2.5 mm和3.0 mm時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰的強(qiáng)度超過(guò)-10 dB[14]。2.5 mm吸收層的吸收峰分別位于6.32 GHz和11.92 GHz，其吸收峰值為-10.90 dB和-16.18 dB；3.0 mm吸收層的兩個(gè)吸收峰分別位于5.44 GHz和11.12 GHz，其吸收峰值為-12.73 dB和-11.07 dB。正是由于雙吸收峰的存在，使其有效吸收寬度（R<-10 dB）分別擴(kuò)充到3.28 GHz和2.64 GHz。吸收性能達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，厚度為2.0 mm。從13.12 GHz頻率出現(xiàn)吸收峰開(kāi)始，直至峰值達(dá)到-33.54 dB，有效吸收帶寬為3.84 GHz。而不規(guī)則的納米粉體吸收峰為-22.5 dB，有效吸收帶寬為0.75 GHz[15]。八面體狀Fe3O4納米粒子與之相比，吸收峰值提高了49.1%，有效吸收帶寬拓展了416%。微波吸收能力提高，可能源于材料特殊的形貌結(jié)構(gòu)和多重電磁弛豫引起的能量消耗。

3 結(jié)論

用溶劑熱法合成了具有正八面體狀的Fe3O4納米晶，該納米晶在厚度為2.0 mm時(shí)，對(duì)電磁波的吸收峰值達(dá)到-33.54 dB，其吸收能力超過(guò)-10 dB的有效吸收帶寬為3.84 GHz。Fe3O4納米晶在厚度為2.0~3.0 mm時(shí)出現(xiàn)了雙峰吸收，這有利于拓展吸收材料的吸收頻帶，從而獲得更好的微波吸收性能。

[1] 倪經(jīng),魏恭,呂濤,等.八面體Fe3O4納米顆粒的制備及微波吸收性能[J].磁性材料及器件, 2012,43(4):21-24.

[2] 劉歸.納米Fe3O4及其復(fù)合體系的微波吸收特性研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,(6):20-23.

[3] 賁孝東,齊先鋒,劉成茂,等.核殼型Fe3O4/C納米顆粒的溶劑熱法制備及其微波吸收性能[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,32(3):436-440.

[4] 李夢(mèng).Fe3O4磁性納米粒子的制備,表征及應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2012:1-14.

[5] 高倩,張吉林,洪廣言,等.不同形貌的Fe3O4微納米粒子的溶劑熱合成[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2011,32(3):552- 559.

[6] 喻瑛,馬華,田曉霞,屈紹波.泡狀Fe3O4粉體的制備及其微波吸波性能[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,17(6):99-103.

[7] 楊會(huì)靜.典型電介質(zhì)材料的微波介電及吸波性能研究[D].北京:北京理工大學(xué),2015:18-80.

[8] 方建軍,李素芳,查文珂,等.鍍鎳石墨烯的微波吸收性能[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2011,26(5):467-471.

[9] 張劍.全息阻抗調(diào)制表面天線關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的研究[J].通信技術(shù),2016,49(9):1164-1168.

[10] 吳榮桂.片狀吸收劑的制備與改性研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011:1-7.

[11] 徐平.極高靈敏度測(cè)試中寬帶電平控制系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2010:1-16.

[12] H. Salimkhani, F. Movassagh-Alanagh, H. Aghajani, K. Osouli-Bostanabad. Studyon the Magnetic and Microwave Properties of Electrophoretically Deposit- ed Nano-Fe3O4on Carbon Fiber[J]. Procedia materials science, 2015, 11: 231-237.

[13] 張朋.金屬納米顆粒的制備及性能研究[D].南京:南京理工大學(xué),2015:1-25.

[14] 彭登峰,拜山-沙德克,楊世才,等.溶劑熱法制備翠玉狀Fe3O4微晶及表征[J].人工晶體學(xué)報(bào),2009,(2):497-500.

[15] 高婷婷.納米四氧化三鐵復(fù)合吸波材料的制備與性能研究[D].太原:中北大學(xué),2017:37-46.

Preparation of Octahedral Fe3O4Nanocrystals and Their Microwave Absorption Properties

PANG Zeng-de, YANG Hui-jing

(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

In this paper, regular octahedral Fe3O4nanocrystals was successfully prepared using solvothermal method by changing the concentration of mineralizer NaOH, in which FeCl3·6H2O was used as the iron source. The electromagnetic properties and microwave absorption of the product were tested. Theoretical calculations show that the peak value of the absorption peak is -33.54 dB and the maximum effective absorption bandwidth is 3.84 GHz at a thickness of 2.0 mm and a frequency of 13.12 GHz.

ferroferric oxide; absorbing material; electromagnetic property; hydrothermal method

O441.6

A

1009-9115(2019)03-0053-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.03.015

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2015105079），唐山師范學(xué)院基金項(xiàng)目（2015A05，2015B03）

2019-03-22

2019-04-15

龐增德（1998-），男，河北滄州人，本科生，研究方向?yàn)椴牧衔锢韺W(xué)。

（責(zé)任編輯、校對(duì)：侯 宇）