MgFe2O4铁氧体改性羰基铁粒子制备及吸波性能.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 2 1 M g F e 20 4 铁氧体改性羰基铁粒子制备及吸波性能 刘姣，丘泰，杨建，冯永宝 南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京2 1 0 0 0 9 摘要采用非均匀成核和化学沉淀相结合的方法制备了M g F e 2 0 ．铁氧体改性羰基铁 C a r b o n y lI r o n ， C I 复合粒子。用X R D 和S E M 对产物的晶体结构和微观形貌进行分析；研究了改性前后粒子在2 ～1 8 G H z 的电磁参数和吸波性能。结果表明采用非均匀成核和化学沉淀相结合的方法可以制备M g F e o ‘ 包覆C I 复合粒子；改性粒子的复磁导率和介电常数实部较C I 降低；介电常数虚部在频率为6 ～1 1 ．5 G H z 时大于C I ，并在9G H z 左右有一个电损耗谱峰I 改性粒子在一1 0d B 处频宽大于C I ，最大吸收峰位 置较C I 向高频迁移l 吸收层厚度为i ．5a i m 时，改性粒子的吸收峰值为一1 7 ．8 2 4 1d B ，一1 0d B 的频宽为 5 ．5 2G H z ，较改性前C I 粒子，有效地改善了单一C I 作为吸波剂的吸波性能。 关键词羰基铁；M g F e z O ．铁氧体，改性；吸波性能 中图分类号T B 3 3 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 1 0 0 2 1 0 4 P r e p a r a t i o na n dM i c r o w a v eA b s o r p t i o nP r o p e r t i e so fC a r b o n y lI r o n P a r t i c l e sC o a t e dw i t hF e r r i t eM g F e 20 4 L I UJ i a o ，Q I UT a i ，Y A N GJ i a n ，F E N GY o n g - B a o C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t C a r b o n y li r o n C I c o a t e dw i t hF e r r i t eM g F e 20 4c o m p o s i t ep o w d e r sw e r ep r e p a r e db yh e t e r o g e n e - O U Sn u c l e a t i o nc o m b i n e dw i t ht h el i q u i dd e p o s i t i o nm e t h o d ．T h es y n t h e s i z e dp o w d e r sw e r ea n a l y s e dw i t h X R Da n dS E M ．T h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sa n da b s o r p t i o np r o p e r t i e so fM g F e 20 4c o a t e dC Ia n dC I p a r t i c l e sw e r es t u d i e di nm i c r o w a v eb a n d2 ～1 8G H z ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tM g F e 20 4c o a t e dC Ic o r n - p o s i t ep o w d e r sc a nb ep r e p a r e db yh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o nc o m b i n e dw i t ht h el i q u l dd e p o s i t i o nm e t h o d ． T h ec o m p l e xp e r m e a b i l i t ya n dt h er e a lp a r to fd i e l e c t r i cc o n s t a n to fm o d i f i e dp a r t i c l e sa r el o w e rt h a nC I ． T h ei m a g i n a r yp a r to fd i e l e c t r i cc o n s t a n to fm o d i f i e dp a r t i c l e si sh i g h e rt h a nC Ia t6 ～1 1 ．5G H z ．a n dt h e r e i sap e a ka ta b o u t9G H z ．T h ef r e q u e n c yw i d t ho fm o d i f i e dp a r t i c l e si sw i d e rt h a nC Ia t - 1 0d B ，a n dt h ep o - s i t i o no ft h el a r g e s ta b s o r p t i o np e a km o v e st oh i g hf r e q u e n c y ．T h ea b s o r p t i o np e a ko fM g F e 20 4c o a t e dC I p a r t i c l e si s 一1 7 ．8 2 4 1d B ．a n dt h ef r e q u e n c yw i d t hi s5 ．5 2G H za t 1 0d Bw h e nt h et h i c k n e s so fa b s o r p t i o nl a y e ri s1 ．5m m ．C o m p a r e dt oC Ip a r t i c l e s ，t h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e so fm o d i f i e dp a r t i c l e sa r ei m p r o v e do b v i o u s l y ． K e y w o r d s C a r b o n y lI r o n ；M g F e 20 4F e r r i t e ；M o d i f y ；A b s o r p t i o np r o p e r t i e s 近年来随着隐身技术的飞速发展，吸波材料的 研究‘卜5 3 逐渐成为研究的热点之一，而吸波剂吸波 性能的提高则是实现薄、轻、宽、强吸波材料的关键。 基金项目国防科工委军品配套资助项目 作者简介刘姣 1 9 8 4 一 ，女，江苏泰州人，硕士研究生 羰基铁粉 c a r b o n y li r o np o w d e r ，C I P 是一种较传 统的磁性金属吸波剂，已广泛应用于雷达隐身技 术‘6 叫3 。它具有微波磁导率高和温度稳定性好等特 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 点，主要通过磁损耗对电磁波进行吸收。但是单一 的吸波剂仍然无法满足新型吸波材料的要求，因此 吸波剂的改性研究对于改善吸波性能和拓宽吸收频 段有着积极的意义“] 。之前一些学者对于尖晶石型 M g F e 。O 。铁氧体的研究主要是关于其晶体结构、超 细粉体的制备、气敏性能和在低频 2G H z 下的 电磁性能等[ 8 - 9 ] 。关于M g F e 2 0 。和羰基铁复合粒 子在高频下电磁性能和吸波性能的研究很少有相关 报道。 本研究采用非均匀成核和化学沉淀相结合的方 法，使羰基铁颗粒表面包覆一层M g F e 。o 。铁氧体， 这样一方面M g F e 。O 。的电损耗可以拓展吸波频段， 有助于改善吸波性能；另一方面M g F e 。O 。的高电阻 率可以使电磁波很好的进入吸波剂粒子内，降低单 一羰基铁粒子作为吸波剂的反射率，从而提高吸波 性能。 1实验材料、制备及测试方法 1 ．1M g F e 2 0 。改性羰基铁粒子的制备 电动搅拌下向浓度为0 ．2m o l ／L 的M g C l 。 分 析纯 溶液中加入一定量 摩尔比F e ／M g 一4 ．0 5 的 羰基铁粉 a F e ，粒径1 ～4t t m ，经超声波振荡5 m i n 、电动搅拌1 5 ～3 0m i n 后，将0 ．1m o l ／L 的 N a O H Y t 析纯 溶液缓慢滴加 3 5 滴／m i n 到上述 含羰基铁粉的M g C l 。溶液中，同时进行电动搅拌。 滴加完毕后，继续搅拌1h 。在此过程中主要发生 下述两个反应 4 F e 3 0 2 6 H 2 0 一4 F e O H 。 M g C l 2 2 N a O H M g O H 20 2 N a C l 2 陈化一段时间后对沉淀物进行离心、抽滤、水 洗，以除去杂质离子，用H N O 。 分析纯 ／A g N O 。 分析纯 溶液检验。为防止M 9 2 十损失，滴加完毕 后和每次水洗时均用氨水 分析纯 将p H 调到9 ； 随后对其进行醇洗、真空干燥，得到F e O H 。和 M g O H 。共同包覆羰基铁粉的前驱体。然后对前 驱体在N 。气氛下4 0 0 ℃煅烧2h ，在此过程中主要 发生3 个反应 M g O H 2 ‘M g O H 2 0 2 F e O H 3 一F e 2 0 3 3 H 2 0 M g O F e 2 0 3 一M g F e 2 0 4 煅烧产物经研磨后得到M g F e 。O 。改性羰基铁 超细复合粉体。 1 ．2 分析测试方法 采用A R L X ’T R A 型X 射线衍射 X R D 仪分 析试样物相，衍射仪的辐射源为C u K 。靶；采用J S M 一5 9 0 0 型扫描电镜 S E M 观察羰基铁粉和改性后 粉体的形貌。采用A g i l e n tH P 8 7 2 2 E T 矢量网络分 析仪和7m m 空气线同轴夹具，根据传输／反射法测 试材料的扫频复介电常数和复磁导率，扫频范围为 2 ～1 8G H z ，每隔0 ．0 8G H z 测量一次数据。通过专 用软件计算材料的反射率曲线。 2实验结果与分析 2 ．1X R D 分析 图1 为煅烧后产物的X R D 图谱。将这些谱峰 与标准图谱J C P D S 8 7 7 2 1 、3 9 3 9 8 、6 6 2 7 对照， 样品中存在2 种主晶相a F e 、M g F e O ；和1 种次 晶相F e 。N ，均为立方相结构，说明得到了M g F e 。O 。／ 羰基铁复合粒子。其中F e 。N 的存在可能是复合粉 体前驱体中高活性F e O H 。中的F e 3 与氮气反应 产生的。 占一、 喜善宝蠹 邑三莩 巴, Z - i 警 ▲★、。 乜．～i 。二l ～差．．。。 』～⋯I ．＆ 2 03 04 0耵6 07 08 0 2 0 ／ 。 图1M g F e 0 4 ／羰基铁复合粒子的X R D 图谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r no fM g F e 20 4 ／c ip a r t i c l e s 2 ．2 M g F e 2 0 。／羰基铁复合粒子的形貌分析 图2 是经超声波分散后M g F e O 。改性羰基铁 复合粒子S E M 照片。由图2 可见，M g F e 。O 。粒子 在羰基铁颗粒表面形成均匀的凹凸不平的鳞片状包 覆层，复合粒子粒径约为4 ～5 “m 。 图2 复合粒子S E M 形貌照片 №2S E Mm i c r o g r a p ho ft h e 伽明瑚删l 埘t i d e s 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 2 3 2 ．3 改性前后粉体的电磁参数的测试结果与吸波 性能分析 2 ．3 ．1 电磁参数测试结果 将改性前后的粉体按体积分数为4 0 ％分别与 石蜡混合均匀，用特殊模具压制成内径3 ．0 4m m 、 外径7 ．0m m ，厚3 ～4m m 的同轴环型样品，其复介 电常数和复磁导率随频率 2 ～1 8G H z 的变化曲线 如图3 所示。 图3 改性前后粉体电磁参数随频率的变化曲线 瑰3 肿o f 肿E I P 砌峨o ．酬Q 岫v a r y w i t h 岫 由图3 可见，改性前后粉体的介电常数实部￡’ 当Z i 。一1 时，电磁波被吸波材料全吸收。因此 随频率缓慢下降，但改性后粉体略小于原始羰基铁材料的吸收性能是由∥、旷、e ，、e ”、f 和d 共6 个阻抗 粉；改性后粉体的介电常数虚部f 在频率为6 ～1 1 ．5匹配参量确定的。故当测试出样品的弘，和￡，的数 G H z 时大于原始羰基铁粉，并且在9G H z 左右存在值时，可以计算出给定吸收层厚度对应的反射损耗。 一个电损耗谱峰，而原始羰基铁粉r 随频率无明显通过公式 1 、 2 用V C 6 ．0 编写出计算微波反 变化规律，只是随频率增大而有所波动；原始羰基铁射率的W i n d o w s 应用程序，根据2 ．3 ．1 小节中测得 粉磁导率明显比改性后粉体大，实部p ’均随频率的 样品的电磁参数，计算出改性前后粉体在不同厚度 增大而减小，原始粉磁导率虚部肛。随频率增大而缓下 1 ．5 ～3r a m 的反射率和测试频率关系的曲线 慢减小，改性后粉体旷随频率增大无明显变化规律。图，将图中各样品的吸波性能指标列于表1 。 2 ．3 ．2 吸波性能分析从表1 可以看出，随吸收层厚度的增加，改性前 吸波材料的吸波性能用材料的微波反射率来衡后粉体的吸收峰均向低频迁移，最小反射率减小，吸 量，反射率越低，吸波性能越好。假设导体衬底为理收峰变窄。改性后粉体在一1 0d B 处的频宽均大于 想金属，当电磁波垂直入射到样品上时，空气与吸波 原始羰基铁粉，最大吸收峰位置较羰基铁向高频迁 材料界面处的等效输入阻抗口叩为 移，说明将M g F e 。O 。和羰基铁复合可以调节吸收峰 Z 。。一厮t a n h [ j 2 n d f ／c 以西] 1 单层吸波材料的反射率[ 1 妇为 R 一2 0 1 9 I Z i n 一1 ／ Z ．m 1 I 2 其中／．t ，一p ’一j p ”，为复磁导率；￡。 ￡’一j e ”，为 复介电常数；d 是吸收层的厚度；c 和f 分别是光速 和电磁波在自由空间的频率。 位置；当厚度为1 ．5m m 和2 ．5m m 时，改性后粉体 小于羰基铁粉的吸收峰值。厚度为1 - 5m m 时，改 性后粉体的吸收峰值为一1 7 ．8 2 4 1d B ，绝对值比原 始羰基铁粉提高了2 ．1 2 4 5d B ，一1 0d B 的频宽为 5 ．5 2G H z ，比原始羰基铁粉宽了1 ．3 6d B ，较改性前 原羰基铁粉，其更好的满足了吸波材料“薄、轻、宽、 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 强”的要求，有效地改善了单一羰基铁粉作为吸波剂的吸波性能。 表1改性前后粉体在不同样品厚度下的吸波性能 T a b I e1A b s o r p t i o np r o p e r t i e so fr a wC I Pa n dM g F e 2O Ic o a t e dC Ic o m p o s i t e s 3结论 1 采用非均匀成核和化学沉淀相结合的方法， 制备出了M g F e z O 。包覆羰基铁复合粒子，粒径约为 2 ～8 ／．t m 。 2 M g F e 。O 。改性羰基铁复合粒子的磁导率和 介电常数实部较原始羰基铁粉降低；介电常数虚部 在频率为6 ～1 1 ．5G H z 时大于原始羰基铁粉，并且 在9G H z 左右存在一个电损耗谱峰； 3 M g F e 。O ；改性羰基铁复合粒子在一1 0d B 处的频宽均大于原始羰基铁粉，最大吸收峰位置较 羰基铁粉向高频迁移。厚度为1 ．5m m 时，改性后 粉体的吸收峰值为一1 7 ．8 2 4 1d B ，～1 0d B 的频宽 为5 ．5 2G H z ，较改性前原羰基铁粉能更好地满足吸 波材料“薄、轻、宽、强”的要求，有效地改善了单一羰 基铁粉作为吸波剂的吸波性能。 参考文献 [ 1 ] 赵彦波，刘顺华，管洪涛．水泥基多孔复合材料吸波性能 口] ．硅酸盐学报，2 0 0 6 ，3 4 2 2 2 5 - - 2 2 8 ． [ z ] 赵东林，沈曾民．含炭纳米管微波吸收材料的制备及其 微波吸收性能研究口] ．无机材料学报，2 0 0 5 ，2 0 3 6 0 8 6 1 2 ． [ 3 ] K a oC h e n - F e n g ，Y a n gC h i a o - L i n g ．P r e p a r a t i o na n dE l e c t r i c a lP r o p e r t i e so fB a r i u mT i t a n a t eF i l mb yH y d r o t h e r m a lM e t h o d [ J ] ．J o u r n a lo ft h eE u r o p e a nC e r a m i cS o e i e t y ，1 9 9 9 ，1 9 1 3 6 5 1 3 6 8 ． [ 4 ] 陈晓东，王桂芹，段玉平，等．壳一芯型复合陶瓷材料的 制备及其电磁性能口] ．无机材料学报，2 0 0 7 ，2 2 3 4 5 6 4 6 0 ． [ 5 ] D a n gzM ，F a nLz ．S t u d yo nd i e l e c t r i cb e h a v i o ro fa t h r e e - p h a s eC F ／ P V D F B a T i 0 3 c o m p o s i t e [ J ] ．C h e m i c a lP h y s i c s ，2 0 0 3 ，3 6 9 9 5 一1 0 0 ． [ 6 ] 李金儡，陈康华，范令强，等．雷达吸波材料的研究进展 口] ．功能材料，2 0 0 5 ，3 6 8 1 1 5 1 1 1 5 4 ． [ 7 ] F e n gY o n g h a o ，Q i uT a i ，L iX i a o y u n ，e ta 1 ．M i c r o w a v e a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ec a r b o n y li r o n ／E P D Mr a d e r a b s o r b i n gm a t e r i a l s [ J ] ．J o u r n a lo fW u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y M a t e r i a l sS c i e n c eE d i t i o n ，2 0 0 7 ，2 2 2 2 6 6 2 7 0 ． [ 8 ] F e n gL i ，Q i a oZ h e n y a n g ，D a v i dGE v a n s ，e ta 1 ．S y n t h e s i so fm a g n e t i cn a n o c o m p o s i t eM g O ／M g F e 20 4f r o mM g - F el a y e r e dd o u b l eh y d r o x i d e sp r e c u r s o r s [ J ] ．J o u r n a lo f M a t e r i a l sS c i e n c e ，2 0 0 5 ，4 0 1 9 1 7 1 9 2 2 ． [ 9 ] 黄玉洁，王军，陈乾旺．M g F e 。O 。纳米粉体的水热合成及 其表征口] ．无机化学学报，2 0 0 5 ，2 1 5 6 9 7 7 0 0 ． [ 1 0 ] M i e h i e l s s e nY ，S a g e rJM ，R a n j i t h a nS ，e ta 1 ．D e s i g n o fL i g h t w e i g h t ，B r o a d B a n dM i c r o w a v eA b s o r b e r sU s i n gG e - n e t i cA l g o r i t h m s [ M ] ．I E E ET r a n s ．M i c r o w a v e T h e o r yT e c h ．，1 9 9 3 ，4 1 1 0 2 4 1 0 3 1 ． 万方数据