靜電紡絲制備鎂鋁尖晶石纖維及其電磁波特性研究

尹增輝 許凱政 崔燚 王夢波 周士杰 張曉軒 駱壯 宋梓豪 魏恒勇

摘? 要? 本文采用靜電紡絲技術(shù)制備鎂鋁尖晶石前驅(qū)體纖維，經(jīng)干燥、煅燒后得到鎂鋁尖晶石纖維。采用XRD和SEM研究纖維相組成、顯微結(jié)構(gòu)，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測定其電磁參數(shù)，研究其電磁損耗性能。結(jié)果表明，經(jīng)900 ℃煅燒時制備出鎂鋁尖晶石纖維，其介電損耗因子和磁損耗因子無明顯波動，數(shù)值較小，說明其沒有微波損耗，具有透波特性。

關(guān)鍵詞? 靜電紡絲法;鎂鋁尖晶石纖維;耐高溫特性;電磁波特性

0? 引? 言

鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）纖維因其自身具有高熔點、低密度、較低的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，以及良好的微波透過性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，有望成為微波加熱腔的理想材料。目前，關(guān)于制備鎂鋁尖晶石纖維的研究仍相對較少，其生產(chǎn)方法主要包括干法紡絲法、提拉法和氣相沉積法等。采用提拉法、干法紡絲法制備的鎂鋁尖晶石纖維長徑比小、不連續(xù)且易斷裂，其直徑較粗，多為微米級。雖然氣相沉積法能夠制備納米級鎂鋁尖晶石纖維，但該方法合成溫度較高且制備工藝過程較難控制。因此，具有制備工藝簡單、合成溫度低等優(yōu)點的靜電紡絲技術(shù)逐漸應(yīng)用于陶瓷纖維制備，除此之外，電紡纖維還具有長徑比大，直徑為納米級和良好的柔性。目前，采用靜電紡絲法已經(jīng)成功制備出氧化鈦、氧化鋁、氧化硅和莫來石等纖維。

然而，目前通過電紡制備鎂鋁尖晶石纖維的相關(guān)研究仍相對較少，例如，Dong等以Mg（NO3）2·6H2O、Al（NO3）3·9H2O為原料，Cr（NO3）3·9H2O為摻雜相，采用靜電紡絲技術(shù)成功制備出MgAl2O4：xCr3+纖維，但其合成溫度相對較高，達到1 100 ℃，所得纖維直徑約1 μm，相對較粗。我們采用靜電紡絲技術(shù)成功制備出鎂鋁尖晶石纖維，纖維直徑較小，耐高溫性能優(yōu)異。因此，本實驗采用靜電紡絲法制備前驅(qū)體纖維，經(jīng)高溫煅燒得到鎂鋁尖晶石纖維，并研究其電磁波特性，探討其作為微波加熱腔的可行性。

1? 實驗部分

1.1實驗原料

無水乙醇（EtOH）、N-N二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mn=1300 000）、Al（NO3）3·9H2O及Mg（NO3）2·6H2O，均購買于上海阿拉丁試劑網(wǎng)，純度為分析純。

1.2鎂鋁尖晶石纖維的制備

按鎂鋁尖晶石摩爾計量比Mg：Al=1：2，稱取1.3 52 3 g的Al（NO3）3·9H2O、0.455 6 g的Mg（NO3）2·6H2O將其溶解在20 ml的EtOH溶液中，同時加入1.336 0 g的PVP及3 g的DMF，攪拌2 h后得到均勻的前驅(qū)體溶液，然后將其轉(zhuǎn)移到靜電紡絲裝置上，按以下紡絲參數(shù)進行前驅(qū)體纖維的制備：紡絲電壓為15 kV，紡絲流速為1.0 ml/h，接收距離為15 cm，經(jīng)一段時間后得到前驅(qū)體纖維，將前驅(qū)體纖維于80 ℃下干燥24 h，在900 ℃下保溫1 h后得到樣品。

1.3測試與表征

采用X射線衍射儀（日本理學株式會社D/MAX2500PC型）分析所得產(chǎn)物的物相組成，掃描速度為10 °/min，掃描角度為10～80 °，靶材為Cu靶Kα。利用掃描電子顯微鏡（日本理學株式會社S-4800型）進行形貌表征。將合成的纖維與石蠟按照纖維質(zhì)量分數(shù)為20 wt%混合均勻，利用模具在一定壓力下制成外徑7 mm、內(nèi)徑3.4 mm、厚度約4 mm的同軸環(huán)，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（中電41所AV3656D型）在2-18GHz頻段進行電磁參數(shù)測試。

2? 結(jié)果與討論

2.1纖維組成與結(jié)構(gòu)表征

對所制備的樣品進行XRD測試，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，當煅燒溫度為900 ℃時，纖維中物相發(fā)育良好，其特征衍射峰較為尖銳，與標準PDF卡片比對后發(fā)現(xiàn)，在2θ值為65.52°、44.98°和36.82°處出現(xiàn)的三個強衍射峰，為鎂鋁尖晶石的三強峰，這些峰與面心立方鎂鋁尖晶石晶體的（440）、（400）和（311）晶面所對應(yīng)，衍射峰中未出現(xiàn)其他物相的衍射峰，因此表明制備的材料為MgAl2O4晶型，且物相較純。

鎂鋁尖晶石纖維的微觀形貌表征如圖2所示，樣品形貌呈現(xiàn)出纖維狀，且連續(xù)性較好，長徑比較大，但纖維的直徑粗細較為均勻，纖維直徑分布在200～500 nm之間。

2.2電磁損耗性能

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測定的鎂鋁尖晶石纖維電磁參數(shù)，得到其在2～18 GHz范圍內(nèi)的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率隨頻率變化的曲線，見圖3。

從圖中得到的數(shù)據(jù)分析可知，鎂鋁尖晶石纖維的復(fù)介電常數(shù)實部及虛部、復(fù)磁導(dǎo)率實部及虛部幾乎不隨頻率變化，且數(shù)值很小。為此，進一步分析其介電損耗因子和磁損耗因子如圖4所示。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎂鋁尖晶石纖維的介電損耗因子和磁損耗因子無明顯波動，且數(shù)值較小，基本上可以認為沒有損耗。對制備出的鎂鋁尖晶石纖維進行電磁參數(shù)的測試后，對不同厚度下的RL進行計算，其計算結(jié)果如圖5所示。

可以看出，不同厚度下多孔鎂鋁尖晶石纖維微波損耗效果很差，RL最低值僅為-2dB，這說明鎂鋁尖晶石纖維不具備吸波性能，預(yù)測其具有透波性能，為此其有望用作為微波加熱腔的腔體保溫與透波材料。

3? 結(jié)? 論

使用靜電紡絲法可以制備出物相純度較高、長徑比大、直徑較為均勻的鎂鋁尖晶石纖維，其介電損耗因子和磁損耗因子數(shù)值較小，基本上可以認為沒有損耗，推測其具有一定的透波特性。

參 考 文 獻

[1]GANESH I. A review on magnesium aluminate （MgAl2O4） spinel： synthesis， processing and applications[J].International Materials Reviews，2013，58（2）：63-112.

[2]LIU Y， LAINE R M. Spinel fibers from carboxylate precursor[J]. Journal of the European Ceramic Society，1999，19（11）：1949-1960.

[3]BOULTON J M， JONES K， EMBLEM H G. The preparation of spinel fibre by a sol-gel route[J]. Journal of Materials Science Letters，1990，9（8）：914-915.

[4]段紅娟，祝洪喜，鄧承繼，等.溫度和氣氛對合成鎂鋁尖晶石纖維的影響[J].人工晶體學報，2013（11）：2380-2383.

[5]丁彬，俞建勇.靜電紡絲與納米纖維[M].北京：中國紡織出版社.2011.

[6]ZONG Xue， CAI Yibing， SUN Guiyan， et al. Fabrication and characterization of electrospun SiO2 nanofibers absorbed with fatty acid eutectics for thermal energy storage/retrieval[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2015（132）：183-186.

[7]M. A. Z. Marjan， K. R. Mansoor， E. Touraj. Effect of viscosity of polyvinyl alcohol solution on morphology of the electrospun mullite nanofibres[J].Ceramics International，2014，40（4）：5461-5465.

[8]DONG Guoping， XIAO Xiudi， PENG Mingying， et al. Synthesis and optical properties of chromichromium-doped spinel hollow nanofibers by single- nozzle electrospinning[J]. RSC Advances，2012（2）：2773-2777.

[9]崔燚，魏恒勇，王合洋，等.紡絲液參數(shù)對靜電紡絲制備鎂鋁尖晶石纖維的影響[J].材料研究學報，2016，30（02）：115-122.

[10]李慧，吳振剛，魏恒勇，等.同軸靜電紡絲法制備多孔鎂鋁尖晶石纖維[J].耐火材料，2017，51（02）：105-111.

[11]Bin Zhu， Yi Cui， Dong-feng Lv， et al，Synthesis of setaria viridis-like TiN fibers for efficient broadband electromagnetic wave absorption in the whole X and Ku bands [J]. Applied Surface Science，533（2020）：1474392.