石墨烯/鋇鐵氧體復合材料的制備及微波吸收性能的綜合實驗設(shè)計

黃 凱,廖衛(wèi)華,徐雯雯,李 平,余江應,徐金榮

(安徽建筑大學數(shù)理學院,安徽 合肥 230601)

如今,單純的理論教學使學生實踐創(chuàng)新能力嚴重下降的缺陷愈發(fā)明顯,實驗教學則顯得極為重要,它是將理論知識和實踐創(chuàng)新能力連接起來且互相印證的一個重要“橋梁”。實驗教學有許多實例,例如,原子力顯微鏡大學物理實驗教學[1]等。實驗教學可以將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學資源,能夠促進實驗項目建設(shè),提高學生的科研和實踐能力[2-5]。

在電子科技發(fā)達的當今時代,電磁波污染對信息安全和人體健康的危害已經(jīng)不容小覷,研究高性能的微波吸收材料迫在眉睫。解決電磁污染的辦法有電磁波吸收和電磁屏蔽[6]等。其中,微波吸收材料是解決電磁污染最為有效的手段之一。理想的吸波材料應滿足“頻帶寬,強吸收,厚度薄,質(zhì)量輕”的要求,鋇鐵氧體作為磁損耗型吸波材料,具備高矯頑力[7]、較強的磁損耗性能和較好的阻抗匹配,氧化石墨烯(GO)是一種介電材料,具有特殊的片狀壓層結(jié)構(gòu),不但質(zhì)量輕,密度小,還具有良好的導電性[8]。但鋇鐵氧體材料由于自身密度較大、吸收頻帶較窄和吸收強度不高從而限制了它在其它領(lǐng)域上的應用[9],氧化石墨烯存在阻抗匹配差,吸收強度低[10]等缺陷。氧化石墨烯的自身優(yōu)勢可以較大程度上彌補傳統(tǒng)鐵氧體所具有的缺點,將二者復合,理論上可以協(xié)調(diào)磁損耗和介電損耗的差距,增強阻抗匹配性能,以此達到更好的吸波效果。

結(jié)合前期的研究工作[11-13],實驗設(shè)計了通過水熱法制備GO/BaFe12O19納米復合物并探究了其吸波性能。通過“材料制備-材料表征-性能測試-機理分析”一系列實驗的開展及機理的分析,不僅可以提高學生對專業(yè)知識和理論的理解,而且可以初步培養(yǎng)學生的實驗思維和科研能力。

1 實驗方法

1.1 實驗試劑與儀器

(1)主要試劑

氧化石墨烯(杭州智鈦凈化科技有限公司),硝酸鋇(分析純),九水合硝酸鐵(分析純),氫氧化鈉(分析純),無水乙醇,去離子水。

(2)主要儀器

磁力攪拌器,精密pH計,精密電子天平,水熱反應釜,烘箱,X-射線衍射儀,掃描電子顯微鏡,振動樣品磁強計,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

1.2 GO/BaFe12O19納米復合物的制備

將一定量的氧化石墨烯分散在裝有去離子水的燒杯內(nèi),超聲處理1.5 h獲得均勻分散的棕色氧化石墨烯分散液,將稱量好的硝酸鋇、硝酸鐵加入到分散液中,利用磁力攪拌器攪拌0.5 h,將混合液中的固體完全溶解,再使用一定量氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液PH值,持續(xù)攪拌溶解,得到共沉淀前驅(qū)液。將其轉(zhuǎn)移至反應釜中,利用電子烘箱,220 ℃下反應5 h,自然冷卻至室溫。用去離子水和無水乙醇對沉淀物依次進行反復洗滌,再裝入烘箱進行烘干(在60 ℃下干燥15 h),經(jīng)過研磨后即得黑色石墨烯/鐵氧體吸波粉末樣品。

1.3 樣品表征

樣品的晶體結(jié)構(gòu)可以通過X-射線衍射儀(荷蘭馬爾文帕納克Empyrean銳影3型)進行表征,Cu靶,Kα射線,掃描速率為2(°)/min,λ=0.154 nm,掃描范圍5°～80°。利用掃描電子顯微鏡(捷克Tescan Mira 4型)測試樣品的形貌。采用振動樣品磁強計(美國Lake Shore公司7404型)討論磁性能。評估樣品的微波吸收性能,離不開電磁參數(shù),通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(中國電子科技集團第四十一研究所,AV3656D型)利用其中的同軸法測試可以獲取較為精準的數(shù)據(jù)。獲得電磁參數(shù)后,通過傳輸線理論計算與分析去評估樣品的吸波性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD表征

通過XRD表征與分析樣品的物相及成分,圖1為GO、BaFe12O19和GO/BaFe12O19納米復合物的XRD圖。GO的特征衍射峰出現(xiàn)在2θ=10.7°,對應于(001)晶面。對于BaFe12O19樣品而言,出現(xiàn)了系列衍射峰,分別對應于鋇鐵氧體(BaFe12O19,PDF NO.43-0002)的(006)、(110)、(107)、(114)、(200)、(203)、(205)、(206)、(217)、(304)、(220)、(317)晶面的衍射峰。在GO/BaFe12O19納米復合物的圖譜中,僅出現(xiàn)了BaFe12O19的特征衍射峰。由于BaFe12O19的衍射峰的強度過大掩蓋了GO的衍射峰,從圖中很難看到GO的衍射峰。表明GO的加入對復合物相結(jié)構(gòu)影響不大,原因在于BaFe12O19顆粒在GO表面和片層間的分布,導致GO失去堆疊的周期性。

2θ(degree)

2.2 形貌分析

圖2為GO、BaFe12O19和GO/BaFe12O19納米復合物的SEM圖。從圖中可以看出,水熱法制備的BaFe12O19樣品呈片狀集合體,部分區(qū)域為對稱性較好的六方片狀。氧化石墨烯(GO)表面產(chǎn)生大量的褶皺,相互疊合形成三維架層狀結(jié)構(gòu)。片狀BaFe12O19顆粒分散在氧化石墨烯(GO)片層之間和表面,分布不是很均勻,形成薄紗狀GO包覆BaFe12O19的復合結(jié)構(gòu),有少量BaFe12O19顆粒團聚體存在,因為BaFe12O19顆粒本身帶有磁性,也會增加團聚。這也與XRD測量的結(jié)果相一致。

圖2 BaFe12O19、GO和GO/BaFe12O19納米復合物的SEM圖

2.3 磁性能分析

圖3為樣品BaFe12O19和樣品GO/BaFe12O19在室溫下的磁滯回線。BaFe12O19和樣品GO/BaFe12O19的飽和磁化強度Ms分別為40.5 emu/g和31.2 emu/g,剩余磁化強度Mr分別為18.1 emu/g和12.3 emu/g,矯頑力Hc分別為1.85 KOe和1.19 kOe。從圖3中可以觀察到氧化石墨烯是不存在磁性的,相較于BaFe12O19樣品,GO/BaFe12O19樣品的Ms、Mr和Hc值逐漸降低。GO/BaFe12O19的剩余磁化強度較低,可使磁化和退磁過程更容易、快速,這有益于其吸波[14]。

Applied field/Oe

2.4 吸波性能分析

圖4為GO、BaFe12O19、GO/BaFe12O19納米復合物的樣品在d=2.0 mm時的反射損耗曲線。BaFe12O19樣品在13.07 GHz處的最大反射損耗值為-32.96 dB,有效頻帶寬(小于-10 dB)為5.9 GHz,表明BaFe12O19鐵氧體良好的吸波性能。

Frequency/GHz

GO/BaFe12O19納米復合物樣品在12.64 GHz處的最大反射損耗值為-41.66 dB,有效頻帶寬(小于-10 dB)為6.8 GHz,而對GO/BaFe12O19納米復合物樣品,吸波性能有了明顯提高,這表明具有二維壓層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯的引入改善了復合物的阻抗匹配,GO的剩余官能團和晶格缺陷會造成電磁波的多級反射,從而大大提高吸波性能。

2.5 吸波機理分析

GO/BaFe12O19樣品的吸波機理如圖5所示,GO/BaFe12O19納米復合物優(yōu)異的電磁波吸收性能可以從多個角度來解釋:(1)GO/BaFe12O19納米復合材料會形成更多的界面,例如GO和GO/BaFe12O19、GO與空氣之間產(chǎn)生界面極化,減少入射電磁波在表面的反射,使其盡可能多地進入復合物內(nèi)部。(2)所得到的復合材料是由GO/BaFe12O19和GO顆粒組成的,可同時產(chǎn)生磁損耗和介電損耗,二者是電磁波衰減的主要路徑,雙損耗機制是提高吸波性能的關(guān)鍵[15]。

圖5 GO/BaFe12O19的吸波機理圖

3 結(jié) 論

采用水熱法制備了GO/BaFe12O19納米復合物,并對其物相、形貌和磁性能等進行表征,同時探究其吸波性能,理論分析其吸波機理。結(jié)果表明,當復合物的厚度為2 mm時,有效帶寬(小于-10 dB的頻率區(qū)域)為6.8 GHz,當頻率為12.64 GHz時,反射損耗最小值為-41.66 dB。本綜合實驗設(shè)計涉及材料合成、表征以及吸波性能機理分析,將常用的表征技術(shù)和測試手段引入其中,內(nèi)容較為豐富,綜合設(shè)計性強。隨著國家對創(chuàng)新型人才需求的增加,將科研成果融入綜合實驗設(shè)計,推動學生早接觸,早實驗,早創(chuàng)造,提高學生科研興趣,開發(fā)學生科研能力,開拓學生自主創(chuàng)新意識和動手實踐能力。該綜合設(shè)計性實驗項目的實施,有助于鍛煉學生解決問題的能力,并促進師生的雙向互動,實現(xiàn)教學相長。