泡状Fe3O4粉体的制备及其微波吸波性能
2021-08-28
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第17卷第6期 2016年12月 空军工程大学学报(自然科学版) V01.17 NO.6 Dec.2016 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION} 泡状Fe3 O 4粉体的制备及其微波吸波性能 喻 瑛, 马 华 , 田晓霞, 屈绍波 (空军工程大学理学院,西安,710051) 摘要 以三氯化铁和醋酸钠为原料,采用水热法制备Fe。O 粉体,对比实心Fes O 粉体在吸波 性能上具备的优势。通过X射线衍射(XRD)分析Fe。O 粉体的物相结构;采用扫描电子显微镜 (SEM)、透射电子显微镜(TEM)观测Fe。O 粉体的尺寸及形貌;使用矢量网络分析仪测试了同 轴样品的电磁参数来计算泡状Fe。O 粉体的微波吸波性能。结果表明,制备的Fe3 04粉体为泡 状结构,密度小于实心Fe。O 粉体,且介电常数实部明显升高。在0.5~18.0 GHz频段,当厚度 大于4 mm时,其吸波性能相比实心Fe。o 粉体有一定优势。 关键词 泡状Fe。O 粉体;轻质材料;吸波材料 DOI 10.3969/j.issn.1009—3516.2016.06.018 中图分类号 O614.81;TB 332 文献标志码 A 文章编号 1009—3516(2016)06—0099—05 Research on Synthesis and Electromagnetic Absorption Properties of Porous Fe3 O4 Powders YU Ying,MA Hua ,TIAN Xiaoxia,Qu Shaobo (Science College,Air Force Engineering University,Xi an 710051,China) Abstract:This paper,taking FeC13・6 H2 O and CH 3 COONa as source materials,prepares Fe3 04 powders bv hydrothermal method to compare the superior of absorption with solid Fe3 O4 powders.The paper analy— zes the crystal structure of Fe3 O4 powders by X—ray diffraction(XRD),and the size and the morphology of the prepared products by scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy (TEM).The paper tests the electromagnetic parameters of coaxial samples by network analyzer to obtain the micrOWave absorption of porous Fe3 O4 powders.The results indicate that the density of porous Fe3 O4 powders is lower than that of the solid Fe3 O4 powders,and the real part of permittivity of porous Fea()4 powders is absolutely higher.When the thickness of samples is thicker than 4 mm,the absorption of pre— pared porous Fe3 O4 powders iS definitely superior. Key words:porous Fe3 O4 powders;light weight;absorption 电子技术的飞速发展, 不仅为人们生活带来便 问题。此外,电磁技术在航天飞行器上也有广泛应 利快捷,也带来了电磁干扰 信息泄露等亟待解决的 、用,其中飞行器隐身则是一个重要且急需发展的方 收稿日期:2o16-05-15 基金项目:国家自然科学基金(61331005);全国优秀博士学位论文作者专项资, ̄(201242);陕西省自然科学基金(2015]M2042);陕西省重点科 技创新团队资助项目(2014KCT一05) 作者简介:喻瑛(1991一),女,湖南长沙人,硕士生,主要研究方向为新型电子材料与器件.E—mail:yuying7574@163.corn *通信作者:马华(1974--),男,甘肃会宁人,教授,博士生导师,主要研究方向为新型电子材料与器件.E—mail:mahuar@163.corn 引用格式:喻瑛,3华,田晓霞,等.泡状Fe 30 4粉体的钢备及其微波吸波性能£Jj.空军I程大学学报:自然科学版,2016,17t 9):99—103.YU Ying.MA Hua,TIAN Xiaoxia,et a1.Research on Synthesis and Electromagnetic Absorption Properties ofPorous Fe304 Powders[Jj・Journal of Air Force EngJneering University:Natural Science Edition,2016,1 7(9):99一103. 1OO 空军工程大学学报(自然科学版) 向。因此,找到合适有效的吸波材料,对于这些问题 温,用去离子水和无水乙醇反复清洗,最后在放入真 空干燥箱中干燥。 1.3性能的表征 的解决具有重要意义。Fe。O 具有低成本、低毒、高 吸收率等优势,是一种较为理想的吸波材料。传统 的Fe。O 用于吸波材料时,存在吸波频带窄、密度大 使用Quanta F250环境扫描电子显微镜 (SEM)和JEM 2011透射电子显微镜(TEM)表征 等缺点。泡状Fe。O 粉体,特别是在微纳尺度,不仅 因其特殊的形貌结构,可降低吸波材料的密度;而且 可以引入纳米效应、增加比表面积,从而提高吸波效 Fe。O 的形貌,使用MiniFlex600型X射线衍射仪 (XRD)分析Fe。() 的物相结构。按照2:3的质量 率。因此,微纳尺度泡状Fe。O 粉体的制备对研发 高效吸波材料具有较大意义。 比分别称取石蜡和制备的泡状Fe O 粉体,将石蜡 加热融化,加入称取的泡状Fe。O 粉体。在超声波 清洗仪的震荡下,将二者混合均匀,然后倒入外径为 近年来,许多学者对Fe。O 进行了研究,取得了 很多成果_】。]。在制备方法上,主要有热分解法[4]、 水热法 ]、微乳法 等。Liu Q C等[7 利用水热法, 用羰基铁粉和氢氧化钠制备了包覆在羰基铁粉外的 Fe。O ,通过pH值来控制包覆的Fe。O 的厚度;Liu J R 等采用改进的溶剂热法合成直径为500 nm, 壁厚为150 rim的Fe。O 空心球,但其吸波性能不够 理想;Li X_g 等采用两步合成法制备花状的Fe。O : 先通过醇热技术合成花状Fe(OCH。CH。O)x前驱 体,然后再热解得到花状Fe。O ,产物的吸波性能有 所改善,但是程序过于复杂。对于非实心Fe。O 粉 体的制备,Lee S H u。。等采用自组装的方法,先制 备小颗粒再自组装成介孔Fe。O 纳米粒子簇,制备 的粒子形状规则,但是制备过程较为复杂;Zhong L Sl-】妇等采用自组装的方法制备了花状Fe。O 纳米结 构,制备过程较为简单,但需加入活性剂,成本较高; 本研究采用溶剂热法,以三氯化铁和醋酸钠为原料, 乙二醇为溶剂,制备方法简单易操作,产物为尺寸均 匀且较分散的泡状Fe。0 粉体;与实心Fe。O 微粒 相比,泡状Fe。O 粉体在吸波应用上性能更好。 1 实验部分 1.1实验试剂与仪器 三氯化铁(FeC1。・6H O),天津市耀华化学试 剂有限责任公司;乙酸钠(CH。COONa),西安化学 试剂厂;乙二醇(HOCH CH OH),天津市福晨化 学试剂厂;聚乙二醇10000(PEG 10000),天津市耀 华化学试剂有限责任公司;去离子水,由实验室的艾 柯DZG一303A自制。 实验仪器:x射线衍射仪;环境扫描电子显微 镜;透射电子显微镜;矢量网络分析仪。 1.2粉末的制备 取适量三氯化铁溶在40 ml乙二醇中,然后把 定量醋酸钠和PEG 10000加到溶液中,搅拌30 min,再将混合溶液转移到反应釜中,将反应釜放在 马弗炉中200。C反应24 h。反应结束后,降温至室 7 mm,内径为3 mm的模具中,压制成厚度为2~3 mm的同轴样品环,使用矢量网络分析仪(Agilent NS242A)测量样品的电磁参数(测试频率范围为 0.5~18.0 GHz)。 1.4 吸波性能计算 基于传输线理论 121 5 ̄,吸波材料与自由空间界 面上的输入阻抗Z 取决于材料的特征阻抗和终端 阻抗。对于以金属为基板的单层吸波材料来说,由 于理想金属电导率趋于无穷,特征阻抗由材料的等 效电磁参数决定,由此可知: 厂—一 r n 1 z。 一 £tanhfL j r c l(1) 式中:e 和 ,分别表示复合体的相对复介电常数和 复磁导率;C表示电磁波在空间中的传播速度;f表 示微波频率;d表示吸波层厚度。给定厚度和测试 频率,根据式(1)计算z ,再将Z. 人公式(2)计算 吸波材料涂层的反射损耗R (dB): l 7—1 I R ===201g I I(2) 2结果与讨论 2.1 Fe。O 粉体的结构分析 利用X射线分析制备的泡状Fe。() 粉体物相 结构,并与购买的实心Fe。O 粉体进行比较,其X 射线衍射见图1,图中曲线n为实心Fe。O 粉体的X 射线衍射图,曲线b为泡状Fe。O 粉体的X射线衍 射图。 与标准卡片(JCPDS 19 0629)相比,实心Fe3 () 粉体的衍射峰强且基本全部出现;泡状Fe。O 粉 体的晶面衍射峰,如(111)、(220)、(311)、(400)、 (422)、(511)、(440)等其强度较实心(曲线a)弱。 但仍可以判断此物质为Fe。O 。分析其原因,与泡 状Fe。O 粉体的尺寸较小、结晶度不够且结构为泡 状等因素有关,也因此导致个别的衍射峰没有出现, 比如:(620),(533),(622),(444)。 1O2 空军工程大学学报(自然科学版) 能的增加。结合图4(b)所示的损耗曲线,这两种能 量的增减互相补充且总的损耗大于增益,从电磁能 4 结论 采用水热法,以三氯化铁和醋酸钠为原料,制备 了尺寸介于200~350 nm之间的泡状Fe。O 粉体。 与实心Fe。O 粉体相比,泡状结构Fe。O 粉体表面 凹凸不平,由许多小颗粒聚集形成,具有更大的比表 面积和更小的质量密度。在吸波性能方面,当厚度 小于一定值(本实验中为4 ram)时,泡状Fe。O 粉 O 5 的角度看并不违背能量守恒定律,所以实验所得到 的磁导率虚部在谐振点附近为负的现象在物理上是 合理的。 2.4 Fe O 粉体的吸波性能 ∞p/ 杂 0 _一 一0 5 5 0 O图4为Fe。O 与石蜡的复合材料在2~5 mm 厚度下的反射损耗曲线,其中(a)为实心Fe。O 粉体 情况,(b)为泡状Fe。O 粉体情况。对比两种结构的 反射损耗,在厚度小于4 mm时,二者吸波性能相差 不大;在厚度大于或等于4 mm时,泡状Fe。O 粉体 体复合材料和实心Fe。O 粉体复合材料性能相当; 当大于该厚度值时,泡状Fe。o 粉体要明显优于实 复合材料的最小反射损耗比相同厚度的实心Fe。O 粉体复合材料更小,且小于一10 dB的带宽也比实 心Fe。O 粉体复合材料宽。同时,我们注意到,在厚 度大于4 mm的情况下,泡状Fe。O 粉体复合材料 的最小反射损耗并不是随着厚度增加而持续减小, 而是有一个对应最小反射损耗的最佳厚度,比如在 本试验中为4.5 mm,所对应的最小反射损耗为一35 dB。因此,当厚度大于4 mm时,泡状Fe。O 粉体复 合材料在吸波应用上比实心Fe。O 粉体更具优势, 即质量更轻、效率更高。通过对比两种粉体的反射 损耗图,发现它们的反射损耗在17 GHz都有一个 峰值,且不随厚度变化而改变位置,这是一个与结构 无关,而与材料本生有关的现象。 o 2 4 6 8 lo 1 2 14 16 l8 频率tGHz (a)实 I ̄,Fe O 粉体的反射损耗 0 2 4 6 8 l0 l 2 l4 l6 l8 频 ̄/GHz (b)泡状Fe O 粉体的反射损耗 图4实心Fe。O 粉体和泡状Fe。O 粉体的反射损耗 Fig.4 Reflection loss of solidFe3 04 powders and porous Fe3 0 4 powders 心Fe。O 粉体,具有更小的最小吸波损耗、更宽的吸 收带宽。因此,采用水热法制备泡状Fe。O 粉体,对 研制小密度、宽频带、高吸收的微波吸波剂具有潜在 应用价值。 参考文献(References): [1]HSIA C H,CHEN T Y,SON D H.Time—Resolved Study of Surface Spin Effect on Spin—。Lattice Relaxa—_ tion in Fe3 O4 Nanocrystals[j].Journal of the Ameri— can Chemical Society,2009,131(26):9146—9147. r2] CORR S A,GUNKO Y K,D0UVALIS A P,et a1. 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