铁氧体吸波材料的制备研究进展.pdf

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1、Vol 1 37 No 1 11#8#化 工 新 型 材 料NEW CHEM ICAL MATERIALS第 37 卷第 11 期2009 年 11 月基金项目:先进建筑材料四川省重点实验室开放基金资助课题(08zx xk03);四川省教育厅资助科研项目(2006A139);四川省科技厅资助科研项目(2006J13-034);绵阳师范学院资助科研项目(M A2006004)作者简介:陈宁(1985-),男,硕士研究生。联 系 人:王海滨,男,硕士生导师,教授,主要研究方向为无机非金属功能材料制备研究。铁氧体吸波材料的制备研究进展陈 宁1 王海滨2*霍冀川1 吕淑珍1 刘树信2(1.西南科技大学

2、材料科学与工程学院,绵阳 621010;2.绵阳师范学院,绵阳 621000)摘 要 铁氧体吸波材料具有价格低廉、吸收效率高、涂层薄、频带宽等优异特性,具有广泛的应用前景。本文重点对共沉淀法,水热法,溶胶-凝胶法,自蔓延燃烧法,低温固相反应前驱体法,沸腾回流反应法等铁氧体吸波材料制备技术的研究进展进行了分析和讨论,并结合相关行业的发展,指出了铁氧体吸波材料今后的研究重点和发展方向。关键词 铁氧体吸波材料,制备方法,展望Development of study on preparation of ferrite absorbing materialsChen Ning1 Wang Haibin2

3、 Huo Jichuan1 Lv Shuzhen1 Liu Shuxin2(1.Materials Science and Engineering Institute,Southwest University of Science andTechnology,Mianyang 621010;2.Mianyang Normal University,Mianyang 621000)Abstract Ferrite absorbing materials with low-cost,high efficiency of absorption,thin coating,wide frequencyb

4、and,and other outstanding characteristics have a wide range of applications.Effective synthesis methods were summa-rized and discussed,including co-precipitation method,hydrothermal method,so-l gel method,self-propagating high-tem-perature synthesis,solid state reaction method,refluxing method and s

5、o on.The development trends of methods of prepar-ing ferrite absorbing materials were discussed.Key words ferrite absorbing material,preparation method,expectation 近年来,随着广播、电视、通信及电力等微波技术领域的迅猛发展,人们在享受现代化带来方便舒适的同时,也正受到恶化的电磁环境给健康所带来的威胁。经研究证实,电磁辐射污染已成为继废气、废水、固体废物、噪声污染后的又一新型污染源,已引起世界各国愈来愈广泛的关注 1。因而近年来研究性

6、能优良、损耗高的吸波材料成为热点,这不仅对于国防的隐身技术,而且对保证人体健康都有着十分重要的意义。铁氧体吸波材料作为吸波材料的一种是研究较多也较成熟的材料,具有价格低廉、吸收效率高、涂层薄、频带宽等特点 2。按其微观结构的不同可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型3,其中以六角晶系磁铅石型吸波材料的性能最好 4。文献报道纳米铁氧体吸波材料具有良好的吸波特性,同时具有宽频带、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点5,因此成为制备研究的一个热点。本文着重从制备纳米级的铁氧体材料出发,以此总结出铁氧体吸波材料的制备方法。1 制备方法1 11 共沉淀法沉淀法通常是利用金属离子与沉淀剂在溶液中进行共沉淀反应,再将

7、沉淀物进行干燥或锻烧,从而制得相应的粉体颗粒。按沉淀方式的不同可分为:直接沉淀法,共沉淀法,均相沉淀法和水解沉淀法等。该法对于单一组分氧化物的制备具有控制性好、颗粒细小、表面活性高、性能稳定和重现性好等优点。然而对于多组分氧化物而言,其均匀性低,且易引入杂质,反应沉淀难于控制,粉体粒子大小及其分布不均,并伴有严重放大效应,限制了该法的应用。宣爱国等 6分别用 NH4OH 和 NaOH 作为沉淀剂,用铁的氯化物和锌、镍等金属的硫酸盐为原料,采用化学共沉淀法制备了 平均 粒径小 于 40nm 和 10nm 的 反尖 晶石 型(Ni,Zn)1-xFexFe2O4纳米粒子。测试发现在 10 1000k

8、Hz 的频率范围内,其吸波性能随着频率的增加而增加。Vaidyanathan等7以 CoCl2,ZnCl2和 FeCl3为原料,NaOH 为沉淀剂采用化学共沉淀法获得了晶粒尺寸在 11 1 19 4125nm 之间的纳米Co1-xZnxFe2O4磁流体。Gul I H 等 8以 NaOH 为沉淀剂,用铁、锌、镍等金属的氯化物为原料,在 pH 为 12 的条件下制备出了平均粒径在 7 15nm 间的 Ni1-xZnxFe2O4粒子。1 12 水热法第 11 期陈 宁等:铁氧体吸波材料的制备研究进展水热法是通过高压釜在密闭体系中,以水为溶剂,在一定温度和水的自身压强下进行化学反应实现从原子、分子级

9、的微粒构筑和晶体生长。该法具有结晶好、团聚少、纯度高、粒度分布窄、制备温度低等特点。与溶胶-凝胶法和共沉淀法相比,其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末,从而省去了研磨及由此带来的杂质。然而该法要求的原料纯度高、成本较高,需要耐高压耐腐蚀的容器,工作周期长,给工业化带来一定的不便。古映莹等9以镍、锌、铁的硫酸盐为原料、三乙胺和聚乙二醇作为模板剂,采用水热模板法制备出了具有微孔结构的尖晶石型纳米镍锌铁氧体,产物平均孔径为 14nm 左右,铁氧体晶粒尺寸为 35nm 左右。李培荣等 10以硫酸亚铁、硫酸锰和硫酸锌为反应物,采用共沉淀法制备锰锌铁氧体的前驱体,再将前驱体移入高压反应釜中进行

10、水热反应得到单一晶相的锰锌铁氧体粉末样品。结果表明其具有相对较好的磁热性能,饱和磁感应强度为 1912 10-2emu,剩余磁感应强度为1171 10-2emu,矫顽力为 6 1 9mT。在 5mT、100kHz 磁场下,锰锌铁氧体温度上升了约 2 1 1e。Nalbandian 11等以锰、锌、铁的氯化物为原料,氨水、丙酮为溶剂,采用水热法制得晶粒尺寸在 5 25nm 间,微孔孔径在 8 20nm 的 MnxZn1-xFe2O4(0 1 1 x 0 1 8)纳米粉体。1 13 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,并进行水解、缩合化学反应

11、,形成凝胶,经干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。溶胶-凝胶法化学均匀性好,纯度高,工艺简单,反应周期短,反应温度、烧结温度低,产物粒径小,分布均匀。得到的产物分散性好,其缺点是烘干后容易形成硬团聚现象,干燥时收缩大,所用原料价格比较昂贵。刘方舒等12利用溶胶-凝胶法制备了 W 型 BaZn115Co0 1 5Fe16O27钡铁氧体。在 1000e 得到了单一 W 相纳米晶,晶粒大小为 38nm。测试发现 019GHz 频率下其吸波率可达 68%;214GHz 频率下吸波率可达 94%。张晏清等13利用溶胶-凝胶工艺,以硝酸铁、硝酸锌为原料制备锌铁氧体。研究表明:以 60e/h 加热

12、速率缓慢升温至 650e,保温 1h 得到结晶度良好的尖晶石型锌铁氧体 ZnFe2O4,平均粒径为 23nm,快速升温不利于形成尖晶石相。在 5 12GHz 频率(C、X 波段)内,微波反射损失大于 10dB,具有良好的吸波性能。Yang J M等14采用 C4H6O6和乙荃酒精制备的酒石酸盐溶液为溶剂,醋酸锌和硝酸铁为反应物,利用此法得到晶粒大小为 20nm 左右的 ZnFe2O4粉体。1 14 低温固相反应前驱体法低温固相反应前驱体法是近年来兴起的一种制备纳米材料的新方法,与前面的方法相比较,该法不使用溶剂,具有制备条件温和,价格低廉、高选择性、高产率和工艺过程简单等优点,已成为制备新型固

13、体材料的主要手段之一。杨项军等15采用低温固相反应与溶胶-凝胶相结合,用分析纯金属硝酸盐和柠檬酸为原料,首先制备出柠檬酸非晶态配合物前驱体;然后在一定的温度下分解,得到纳米尖晶石型Ni016Zn012Cu012Fe2O4铁氧体软磁材料。结果表明,前驱体在350e 热分解可得到平均粒径约为 30 40nm 的纳米粉体,900e 焙烧得到发育完全的尖晶石铁氧体,平均粒径约为 200 300nm。庄稼等 16采用 NH4HCO3与 FeCl3#6H2O、Zn(NO3)2#6H2O、Ni(NO3)2#6H2O 进行室温固相反应制得Fe(OH)3、Zn3(OH)4CO3#H2O、Ni3(OH)4CO3#

14、4H2O 混合前驱物,先经微波加热,再热分解制得平均粒度 62nm、尖晶石结构的纳米 Ni01 5Zn01 5Fe2O4复合铁氧体粉体,并测试发现该纳米铁氧体粉体在 100 1800MHz 内具有良好的电损耗和磁损耗性能。Hessien M M 等 17用 Fe2O3、MnO2、ZnO 为原料,采用 固 相 反应 法 制 得 了晶 粒 在 95 137 1 3nm 间 的MnxZn1-xFe2O4(0 1 3 x 0 1 9)粉体。1 15 自蔓延燃烧法自蔓延是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术,又被称为燃烧合成(Combustion Synthesis)。该法最大特点是利用反应物内部的化

15、学能来合成材料,因此能耗低,且生产过程简单、反应迅速、生产效率高,是非常有前途的工业化生产方法。然而由于反应过程中高的温度梯度,易于获得亚稳物相,使得材料不纯。肖顺华等 18以硝酸铜、硝酸铁、硝酸钴和柠檬酸为原料,采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法一步直接合成了单相 Co01 5Cu0.5Fe2O4纳米晶。研究表明,自蔓延燃烧过程是在硝酸根离子和羧酸根离子之间进行的热诱导阴离子氧化还原反应,其中硝酸根离子作氧化剂,羧酸根离子作还原剂。产物经初步晶化后晶粒尺寸约 20nm。孙宏利19采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备了纳米级 M 型六角晶系钡铁氧体和稀土元素掺杂钡铁氧体 BaRexFe12-xO19(Re=

16、La、Nd),改性后的钡铁氧体经测试,在 18GHz 时吸收强度大于 2dB,在 11 12GHz 的最高吸收峰为 9dB,在 9 14GHz 吸收峰均在 4dB 以上。1 16 高能球磨法机械力化学(又称高能球磨)是一种机械能直接参与或引发了化学反应的方法。它能明显降低反应活化能,细化晶粒,极大提高粉末活性,诱发低温甚至多相化学反应,是一种简单、高效的材料制备技术。但是耗能大,反应时间长,容易引入杂质,对设备要求极高。韩志全等 20以普通陶瓷工艺结合精细球磨制备了 Li01365Zn0 1 27M naFe21 365-aO4和 Li0151Zn01 15Ti0 1 17MnaFe2117-

17、aO4铁氧体超细粉。实验表明,平均粒度随球磨时间的延长而减小,超过 15h 球磨效率就十分低了,获得了 0 12Lm 的平均粒度。Vittorio Berbenni 等 21利用机械力与热力相结合的方式在2NiCO3#3Ni(OH)2#4H2O-FeC2O4#2H2O 系统中成功制备出了 NiFe2O4铁氧体粉,结果表明机械力的参入可明显降低合成温度。Mozaffari M 22等采用高能球磨法将 MnO2、ZnO、Fe2O3混合碾磨 5h 后,在不同温度下退火得到晶粒尺寸在 25 35nm 间的 Mn1-xZnxFe2O4(0 x 1)纳米粉体。1 17 微乳液法微乳液法是近几年发展起来的一

18、种制备超微粉末的有效方法。它利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液,从乳液中析出固相,使成核、生长、聚结、团聚#9#化 工 新 型 材 料第 37 卷等过程局限在一个球形液滴内,从而形成球形颗粒。该法因在溶液中进行,所以得到的产物粒径小、分布均匀、且易于实现高纯化。王丁林等23首次报道了用 W/O 微乳液法制备不同镝(Dy3+)含量的水基镝铁氧体磁流体,得到制备镝铁氧体磁流体的合适条件,所得磁流体的磁性强且稳定性好,XRD 谱证实其为含有稀土镝的 Fe3O4晶体;TEM 照片显示其形貌为被表面活性剂包裹的立方体,粒子的平均粒径为 18nm。雄泽英博等24采用微合微乳液聚合和纳

19、米反应器两种技术,在 W/O微乳液体系中制备出镝铁氧体/聚丙烯酰胺磁性复合微球。测试结果表明:所制得的磁性复合微球具有良好的磁响应性和悬浮稳定性。1 18 沸腾回流反应法沸腾回流法首先利用共沉淀反应,使铁氧体组分中各离子与氢氧根离子共同沉淀,形成各组分分散均匀的沉淀液体,然后将此液体进行加热、沸腾、回流,即可制得纳米级别的尖晶石相铁氧体粉料。沸腾回流法是一种新型的湿化学方法,无需高温煅烧,直接合成粉末粒径小、活性高的纳米粉料。此外,沸腾回流法能耗低,工艺简单、生产效率高、反应时间短、条件温和、产品矫顽力小等优点,是一种具有很好应用前景的制备纳米粉体的方法。钟海胜等25用去离子水配制混合溶液,使

20、 Ni2+、Zn2+和Fe3+离子浓度分别为:0 1 2mol#L-1、0 1 2mol#L-1和 018mol#L-1,采用先共沉淀后沸腾回流的方法从溶液中直接制备出近计量比的纳米级尖晶石相 Ni015Zn015Fe2O4粉料。粉料颗粒为 20nm 左右,表现出典型的软磁特性,与同组分的体材料相比,沸腾 回流法制备的 样品都有比 较低的矫顽 力(Hc为316458G)和低饱和磁化强度(Ms为 29 1 781emu#g-1)。1 19 喷雾热解法该法是将金属盐溶液与可燃性液体燃料混合,在高温时以雾化状态进行喷射燃烧,经瞬时加热分解得到高纯度的超微粉末,一般以乙醇为可燃性溶剂。喷雾热分解法的优

21、点是干燥所需时间短,可获得组成均匀的超微粒子;由于方法本身含有物料的分解,因此制备温度较低;操作过程简单,反应一次完成,并且可连续进行,产物无需水洗、过滤和研磨。该法的缺点是分解后有气体产生具有腐蚀性,会影响设备的使用寿命;对雾化室的要求高,这使该法在制备超微粉末方面受到一定的限制。Zhao X Y 等26利用喷雾热解法制备了均一的纳米 Mn-Zn 铁氧体。他们分别以 Mn(NO3)2、Zn(NO3)2、Fe(NO3)3或Mn(CH3COO)2、Zn(CH3COO)2、Fe(CH3COO)3为原料,制备反应前驱物,然后雾化热解制得产物。1 110 超临界法超临界法是指以有机溶剂等代替水作溶剂,

22、在水热反应器中,在超临界条件下制备微粉的一种方法 27。反应过程中液相消失,更有利于体系中微粒的均匀成长和晶化,比水热法更为优越。姚志强等28用超临界流体干燥法合成出了 MnZn铁氧体微粉,并且与水热法和共沉淀法作了比较。发现超临界流体干燥法所制备的微粉在晶形、粒子大小、粒度分布、磁性能方面都比水热法和共沉淀法所制备的铁氧体微粉要好。这一结果表明,超临界流体干燥法所制备的微粉粒度分布较均匀,晶体完全,比表面能较小,不易团聚。总之,发展具有组分和颗粒都非常均匀,具有一定形态、纯度高、活性大的铁氧体微粉的研究和生产,为各种无机功能材料研究和生产部门提供中间产品,是国内外无机微粉制备工业新近发展起来

23、的一个新领域,它必将在无机功能材料的合成发展中发挥愈来愈大的作用。除了以上所提到的制备技术以外,采用多种方法并用的研究也越来越多。刘银等 29采用喷射-化学共沉淀法制备了晶粒尺寸约为 40nm 左右的 Co1-xNixFe2O4(0 x 1)铁氧体粉料;黄英等 30采用溶胶-凝胶法加入模版剂制得了平均粒度为 119 1 52nm 的带孔 BaFe12O19粉体;王岩31采用溶胶-凝胶自蔓延合成工艺制备了六角晶系 M 型钡铁氧体微粉 BaFe12O19。结果表明,BaFe12O19在 8 11GHz 以及 12 17GHz 范围内吸波频段较大等。2 展 望作为目前发展得最为成熟的吸波材料,铁氧体

24、吸波材料以其优异的吸收性能、低廉的价格成为电磁兼容用吸波材料的首选。目前使用频率 6GHz 以下(甚至低至 30kHz)的电磁波为多,有必要对适用于这一频段的铁氧体吸波材料进行特别的研究,以达到在轻型薄层化、宽频带的同时做到高效吸收,从而对铁氧体吸波材料的制备技术提出了更高的要求。从近年来的发展趋势看,共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热发和球磨法仍然是使用最多的制备纳米铁氧体吸波材料的方法,尽管各有进步,但每种方法都存在不足,因此探求新的制备方法显得尤为重要。参考文献 1 邱秋.我国电磁辐射污染的法律对策初探 J.辐射防护,2007,27(1):47-51.2 邓秀文.吸波材料研究进展 J.化工时刊

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