CN101853727A - 一种铁-碳纳米复合电磁波吸收材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁-碳纳米复合电磁波吸收材料及其制备方法，以羰基合铁、甲烷、乙炔为主要原料，在气相反应设备中300-1000℃条件下直接合成铁-碳纳米复合材料。所得纳米复合材料稳定性和均匀性好。该铁-碳纳米复合材料由纳米级C包裹在铁纳米颗粒的外面形成C膜，具有良好电磁波吸收性能、吸收覆盖频率范围宽、耐腐蚀和抗氧化能力强以及成本低的特点，适用于无线电通讯系统中电磁屏蔽、防高频和微波加热等设备的电磁辐射和泄漏、构造微波暗室、隐身技术。
Description
技术领域
本发明涉及到一种铁-碳纳米复合电磁波吸收材料的制备方法，属于电磁波吸收材料技术领域。
背景技术
磁损失、介电损失和导电损失材料均可以用来作为电磁波吸收体，而磁损失材料成为当前研究的热点，因为从它可以制备出更薄的电磁波吸收体。对于磁性电磁波吸收材料，材料的磁导率和介电常数决定了它的吸收性能。作为传统的磁性电磁波吸收材料，铁氧体具有强磁性和低导电率，已经得到人们广泛的研究和关注。但由于材料本身的Snoek局限性，铁氧体适用于低于GHz的频率范围。在高频率的GHz范围内，由于磁导率急剧减小，铁氧体在高频率范围中的吸收性能大大降低，导致其吸收层的厚度增加。然而金属磁体具有很高的饱和磁化率，它的Snoek局限性在很高的频率范围，即使在高频的范围中它的磁导率还能保持很高，因而就能制备出更薄、更轻质、适用频率范围更加宽的电磁波吸收材料。但是当金属磁体用于电磁波吸收材料时也存在一个严重的问题，通常它们有很高的导电率，在电磁波环境中产生的涡流损失可以使材料的磁导率减小，从而严重影响材料的吸收性能。为了减少涡流损失就需要使用纳米尺寸的金属磁体作为电磁波吸收材料，同时将纳米金属磁体颗粒均匀分布在非导体介质中或者在磁体颗粒的表面包裹一层非导电薄膜用来抑制涡流损失。Fe/ZnO，Fe/SiO2，Ni和Fe/铁氧体，Fe/稀土氧化物等金属磁体和金属氧化物纳米复合体的电磁波吸收性能已经有了报道，参见文献：IEEE Trans.Magn.35，3502(1999)，J.Appl.Phys.87，5627(2000)，J.Nanoparticle Research 11，2097-2104(2009)，Appl.Phys.Lett.88，062503(2006)，J.Al loys Compd.330，301(2002)。但受金属磁体的颗粒尺寸大小、形态以及均匀性的影响，难以满足高性能电磁波吸收材料的要求；另外，其复杂的制备工艺和较高的制作成本也难以满足大规模工业化生产的需求。
CN101650977A(200910306803.9)公开了一种纳米铁氧化物/石墨复合电磁波吸收材料及其制备方法，所述的材料是由纳米铁氧化物和石墨两部分构成复合粉，复合粉的石墨层间和表面附着均匀分布的纳米铁氧化物。该材料属于铁氧化物的复合材料。迄今为止，C包裹金属铁纳米颗粒的复合材料作为电磁波吸收体在国内外均未见报道。
发明内容
本发明针对现有电磁波吸收材料存在的不足，提供一种铁-碳纳米复合电磁波吸收材料的制备方法，本发明制得的C包裹铁这种复合材料具有电磁波吸收性能好，吸收覆盖频率范围宽，吸收层薄，轻质，耐腐蚀和抗氧化能力强，制备工艺简单以及成本低的特点。
本发明的技术方案如下：
一种铁-碳纳米复合电磁波吸收材料，是一种由C与铁组成的多相纳米复合材料，纳米级C包裹在铁纳米颗粒的外面形成C膜，C与铁质量比为：1～60∶40～99；
所述的C是无定型碳或石墨。
优选的，所述C与铁质量比为：2～30∶70～98；
进一步优选的，所述C与铁质量比为：5～20∶80～95；
最优选的，所述C与铁质量比为：7～10∶90～93。
本发明的铁-碳纳米复合电磁波吸收材料的制备方法，使用羰基合铁(Fe(CO)5)作为铁的前驱体，甲烷或乙炔作为C的前躯体，羰基合铁用载气引入到气体反应器中，甲烷或乙炔直接通入气体反应器中，在300-1000℃反应温度条件下直接合成铁-碳纳米复合材料；所述载气的流量为50-150SCCM，甲烷或乙炔的流量为10-100SCCM。
引入气体反应器的羰基合铁、甲烷或乙炔的比例是通过调节载气、甲烷或乙炔的流量来控制。
所述的载气选自氩气、氮气之一或组合。优选99.99％的高纯氩气或氮气。
优选的，上述反应温度是300-600℃。
本发明的反应原理如下：
在300-1000℃条件下反应器混合气体中的羰基合铁分解得到铁的纳米颗粒，羰基生成一氧化碳气体排出。甲烷或乙炔分解得到C(在300-700℃范围内得到无定型碳，700-1000℃范围内得到石墨)，C包裹在铁纳米颗粒的外面形成C膜。所得铁-碳纳米复合材料的平均纳米数为20-100nm。
本发明的纳米复合结构中纳米铁磁体具有很高的饱和磁化率，即使在高频的范围中它还能保持很高磁导率，是制备薄的电磁波吸收层的前提条件。实验测定的无定形碳的电阻率为1*104Ωm，远远大于金属磁体的电阻率(10-6-10-8Ωm)，所以C包裹在铁纳米颗粒上增加材料的电阻率，抑制了涡流损失，从而提高材料的电磁波吸收性能，电磁波吸收频率范围3-13GHz。C还具有轻质、价廉的特点，因此用本纳米复合材料制备出轻质、薄的电磁波吸收体，其具有优异的电磁波吸收性能和重要实际应用价值。
本发明铁-碳纳米复合材料的应用，用作下列之一的材料：1、无线电通讯系统中电磁屏蔽，2、防高频、微波加热设备的电磁辐射和泄漏，3、构造微波暗室，4、隐身技术。
本发明与现有技术相比具有以下优良效果：
(1)合成铁-碳纳米复合材料的工艺简单，不需要复杂的硬件设备，反应不需要任何有机溶剂，对环境无污染，制作成本较低。
(2)制备的铁-碳纳米复合材料的颗粒尺寸和分布均匀，抗氧化和耐腐蚀能力强。
(3)由本复合材料制备的电磁波吸收体具有吸波性能好，吸收频率覆盖范围宽，吸收层厚度薄，质量轻的特点，可运用于无线电通讯系统中电磁屏蔽、防高频和微波加热等设备的电磁辐射和泄漏、构造微波暗室以及隐身技术等领域。
附图说明
图1为实施例1所得C包裹铁纳米颗粒复合材料的透射电镜照片。
图2为实施例1所得的电磁波吸收曲线。
图3为实施例2所得的电磁波吸收曲线。
图4为实施例3所得的电磁波吸收曲线。
图5为实施例4所得的电磁波吸收曲线。
图6为实施例5所得的电磁波吸收曲线。
图7为实施例6所得的电磁波吸收曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例测定电磁波吸收的仪器是Agilent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪。
实施例1：
使用羰基合铁作为铁的前驱体，甲烷作为C的前躯体，氩气作为羰基合铁的载气。载气携带羰基合铁通过一条气体管线进入气体反应器，甲烷通过另外一条气体管线进入气体反应器。载气的流量为150SCCM，甲烷气的流量为20SCCM。在300-500℃的反应条件下，混合气体通过热分解制备得到铁-碳纳米复合材料，通过EDX能谱测得C和铁的含量分别为7％和93％。
将制得的铁-碳纳米复合材料粉体按质量比1∶4的比例与环氧树脂混合后压成环状样品(D外×d内×h＝7×3.04×1.5mm)，相关参数μr和εr用Agilent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪测得，反射损失由μr、εr、吸收频率和样品的厚度决定。测得的εr’和εr”在0.05-20.05GHz范围内几乎保持一个常数，其值分别为15和0.8，μr’的最大值为4.1，μr”的最大值为1.1，其吸收峰最小值为-45dB(分贝)，吸收率小于-10dB的带宽为7.5GHz，其电磁波吸收曲线如图2所示。
实施例2：
使用羰基合铁作为铁的前驱体，乙炔作为C的前躯体，氮气作为羰基合铁的载气，载气的流量为150SCCM。乙炔气的流量为20SCCM，在300-500℃的反应条件下，混合气体通过热分解制备得到铁-碳纳米复合材料，通过EDX能谱测得C和铁的含量分别为5％和95％。
将制得的铁-碳纳米复合材料粉体按质量比1∶4的比例与环氧树脂混合后压成环状样品(D外×d内×h＝7×3.04×1.5mm)，相关参数μr和εr用Agilent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪测得，反射损失由μr、εr、吸收频率和样品的厚度决定。测得的εr’和εr”在0.05-20.05GHz范围内几乎保持一个常数，其值分别为17和0.9，μr’的最大值为4.8，μr”的最大值为1.2，其吸收峰最小值为-43dB(分贝)，吸收率小于-10dB的带宽为5.0GHz，其电磁波吸收曲线如图3所示。
实施例3：
如实施例1所述，所不同的是在500-700℃的反应条件下，混合气体通过热分解制备得到铁-碳纳米复合材料，通过EDX能谱测得C和铁的含量分别为8％和92％。
将制得的铁-碳纳米复合材料粉体按质量比1∶4的比例与环氧树脂混合后压成环状样品(D外×d内×h＝7×3.04×1.5mm)，相关参数μr和εr用Agi lent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪测得，反射损失由μr、εr、吸收频率和样品的厚度决定。测得的εr’和εr”在0.05-20.05GHz范围内几乎保持一个常数，其值分别为13和0.7，μr’的最大值为3.7，μr”的最大值为0.94，其吸收峰最小值为-37dB(分贝)，吸收率小于-10dB的带宽为8.0GHz，其电磁波吸收曲线如图4所示。
实施例4：
如实施例1所述，所不同的是在700-1000℃的反应条件下，混合气体通过热分解制备得到铁-碳纳米复合材料，通过EDX能谱测得C和铁的含量分别为10％和90％。
将制得的铁-碳纳米复合材料粉体按质量比1∶4的比例与环氧树脂混合后压成环状样品(D外×d内×h＝7×3.04×1.5mm)，相关参数μr和εr用Agilent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪测得，反射损失由μr、εr、吸收频率和样品的厚度决定。测得的εr’和εr”在0.05-20.05GHz范围内几乎保持一个常数，其值分别为10.2和0.6，μr’的最大值为3.5，μr”的最大值为0.86，其吸收峰最小值为-49dB(分贝)，吸收率小于-10dB的带宽为3.0GHz，其电磁波吸收曲线如图5所示。
实施例5：
如实施例1所述，所不同的是甲烷气的流量为50SCCM，在300-500℃的反应条件下，混合气体通过热分解制备得到铁-碳纳米复合材料，通过EDX能谱测得C和铁的含量分别为25％和75％。
将制得的铁-碳纳米复合材料粉体按质量比1∶4的比例与环氧树脂混合后压成环状样品(D外×d内×h＝7×3.04×1.5mm)，相关参数μr和εr用Agilent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪测得，反射损失由μr、εr、吸收频率和样品的厚度决定。测得的εr’和εr”在0.05-20.05GHz范围内几乎保持一个常数，其值分别为9.8和0.6，μr’的最大值为3.3，μr”的最大值为0.83，其吸收峰最小值为-47dB(分贝)，吸收率小于-10dB的带宽为11GHz，其电磁波吸收曲线如图6所示。
实施例6：
如实施例2所述，所不同的是乙炔气的流量为50SCCM，在300-500℃的反应条件下，混合气体通过热分解制备得到铁-碳纳米复合材料，通过EDX能谱测得C和铁的含量分别为20％和80％。
将制得的铁-碳纳米复合材料粉体按质量比1∶4的比例与环氧树脂混合后压成环状样品(D外×d内×h＝7×3.04×1.5mm)，相关参数μr和εr用Agilent Technologies E8363A电磁波矢量网络分析仪测得，反射损失由μr、εr、吸收频率和样品的厚度决定。测得的εr’和εr”在0.05-20.05GHz范围内几乎保持一个常数，其值分别为10.1和0.7，μr’的最大值为3.5，μr”的最大值为0.87，其吸收峰最小值为-47dB(分贝)，吸收率小于-10dB的带宽为10GHz，其电磁波吸收曲线如图7所示。
Claims (6)
1.一种铁-碳纳米复合电磁波吸收材料，其特征在于纳米级C包裹在铁纳米颗粒的外面形成C膜，C与铁质量比为：1～60∶40～99；所述的C是无定型碳或石墨。
2.如权利要求1所述的铁-碳纳米复合电磁波吸收材料，其特征在于所述C与铁质量比为：2～30∶70～98。
3.如权利要求1所述的铁-碳纳米复合电磁波吸收材料，其特征在于所述C与铁质量比为：5～20∶80～95。
4.权利要求1所述的铁-碳纳米复合电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于使用羰基合铁(Fe(CO)5)作为铁的前驱体，甲烷或乙炔作为C的前躯体，羰基合铁用载气引入到气体反应器中，甲烷或乙炔直接通入气体反应器中，在300-1000℃反应温度条件下直接合成铁-碳纳米复合材料；所述载气的流量为50-150SCCM，甲烷或乙炔的流量为10-100SCCM。
5.如权利要求4所述的铁-碳纳米复合电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于所述的载气选自氩气、氮气之一或组合。
6.如权利要求4所述的铁-碳纳米复合电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于所述反应温度是300-600℃。
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