CN105268997A - 一种NiFe204@α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

一种NiFe204@α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用有机羰基铁金属气相分解沉积制备NiFe2O4α-Fe核壳结构微纳米复合材料的方法。包括：将NiFe2O4粉末放入反应器中，通入惰性保护气体，缓加热使之升温；在保护气体氛围下，通入Fe(CO)5蒸气，在反应器内进行分解沉积及冷凝回流；达到反应时间后，继续通入保护气体；待装置温度降到室温，取出制得的粉末。本发明可以一步得到NiFe2O4α-Fe核壳结构微纳米复合材料粉体，粉体具有较大的比表面积，通过调节反应时间及沉积温度可以有效地调节核壳结构形貌、壳层厚度及反射率；制备工艺简单、获取容易、合成设备操作简便、制备成本较低；在电磁波吸收和屏蔽等领域具有潜在的应用价值。

Description

一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于纳米复合材料技术领域，具体涉及一种用有机羰基铁金属气相分解沉积制备NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的方法。
背景技术
当今电子工业迅速发展，电磁辐射已成为一种新的环境污染，其对各种电子设备的干扰及对人体健康的危害也逐渐引起研究人员的广泛关注。目前抗干扰和防护手段主要是采用电磁屏蔽和抗电磁干扰技术，使得对吸波材料的研究成为热点问题。在吸波材料的基础研究中，高性能吸波剂研制是吸波材料的技术核心。相对于单组份微纳米颗粒，复合材料具有特殊的电子结构和表面性质，因而其在电磁波吸收领域的研究日益得到重视。
NiFe2O4具有价格低廉、制备工艺简单、介电常数相对较小，匹配性能较好等特点，而在吸波材料中得到了广泛的应用。但是，铁氧体吸收剂存在磁性强度较小，匹配厚度大等问题，使得铁氧体吸波材料的实用化受到了限制。因此，考虑在NiFe2O4表面引入具有磁损耗的磁性粒子。纳米Fe粒子其磁性一般较铁氧体强，饱和磁化强度是NiFe2O4的四倍以上，可以获得较高的磁导率和磁损耗。但是，其存在吸收频带窄，匹配性能差，易氧化等缺点，应用范围受到了一定的限制。
发明内容
针对上述现有技术现状，本发明提供一种利用金属有机化学气相沉积法制备NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的方法。
现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：
设计一种兼具两者优点的核壳结构复合材料，在微纳米尺度上对复合吸波剂进行结构设计和化学裁剪，利用微纳米壳层调节电磁参数，有望获得良好的吸波效果。本发明的基本思想是，探索一种兼具两者优点的核壳结构复合材料的经济可行的制备工艺，有利于这种复合材料的实际应用。。
本发明通过制备NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的试验，得到了的微米级的NiFe2O4具有较大的比表面积，Fe(CO)5蒸汽会吸附在NiFe2O4表面，然后受热分解沉积。通过调整工艺参数，可以控制壳层厚度与核壳结构形貌，调节电磁参数。为本发明方法奠定了基础。
本发明在上述构思和准备工作的基础上，提供一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：采用羰基铁气相分解沉积方法，包括以下步骤：
步骤1：将市售NiFe2O4粉末放入反应器中，通入惰性保护气体排空反应器内空气，缓加热使之升温至190℃～250℃之间；
步骤2：在保护气体氛围下，通入Fe(CO)5蒸气，在反应器内进行分解沉积及冷凝回流，反应过程中要不断搅拌；
步骤3：达到反应时间后，继续通入保护气体；待装置温度降到室温，打开反应器，取出制得的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料粉末。
本发明进一步提供一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氮气，气体流量在30～120mL/min之间。
本发明进一步提供一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：反应时间在10-90min之间；反应过程中的搅拌速度在120-280r/min之间。
本发明进一步提供一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所制备的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料中α-Fe颗粒粒径在200-600nm之间；所制得的粉末为黑色粉末。
本发明进一步提供一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的反应结束后，在氮气保护下，直至所得的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料温度降至室温。
本发明进一步提供一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述反应器为四口烧瓶。
本发明的有益效果是：采用羰基铁气相分解沉积方法可以一步得到NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料。优点如下：
(1)微纳米级NiFe2O4具有较大的比表面积，可以有效地吸附羰基铁蒸汽。通过调节反应时间及沉积温度，可以有效地调节核壳结构形貌、壳层厚度及反射率。采用该方法得到的α-Fe颗粒大小均匀，形成了完整的核壳结构且包覆厚度均匀。
(2)本发明NiFe204α-Fe制备工艺简单、获取容易、合成设备操作简便、制备成本较低，工艺流程简单，原材料易于获取，有利于实现工业化生产。
(3)所得到的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料兼具了NiFe2O4和α-Fe的优点，明显的改善了NiFe2O4的吸波能力，在电磁波吸收和屏蔽等领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为NiFe2O4粉体的扫描电镜(SEM)图
图2为NiFe204α-Fe核壳结构粉体表面图
图3是NiFe204α-Fe核壳结构粉体横截面图
图4为本发明横截面的电子衍射线扫描(EDS)图
图5为本发明的X射线衍射(XRD)图
图6为NiFe2O4和本发明制备的NiFe204α-Fe核壳结构粉体的反射损耗图
图7为NiFe204α-Fe复合粒子的扫描电镜图
图8为NiFe204α-Fe复合粒子截面的扫描电镜图
具体实施方法
以下通过实施例对本发明NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备进行进一步说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1：
步骤1：将10g购买的NiFe2O4粉末和15ml五羰基铁[Fe(CO)5]分别加入到反应器和蒸发器中；
步骤2：接通N2，将管路中的空气全部吹出，关闭气源，同时关闭反应器和蒸发器之间的阀门；将NiFe2O4和Fe(CO)5加热到210℃和80℃时打开反应器和蒸发器之间的阀门；
步骤3：将氮气源以30mL/min的流量将Fe(CO)5蒸气吹入到反应器中，搅拌速度为200r/min。N2的流量大小通过气体流量计控制；Fe(CO)5采用数显恒温油浴锅加热，气态Fe(CO)5进入反应器之前的管路都包覆有一层保温套，防止气态的Fe(CO)5在低温处凝结，造成管路不畅；Fe(CO)5蒸气吹入时间为30min，最后样品在N2保护下冷却、收集，得到的黑色粉末即为NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料。
图1和图2分别为NiFe2O4粉体和NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的扫描电子显微镜图。可见，在NiFe2O4粉末的表面能够清楚地看到致密的纳米铁球形颗粒，并且包覆层完整，颗粒尺寸均匀，为300～500nm。
图3为NiFe204α-Fe的截面图，可见形成了完整的核壳结构，壳层厚度平均为0.69μm。
图4和图5分别为NiFe204α-Fe的EDS扫描图和XRD图。图4可见，包覆层为Fe且包覆层完整。图5可以看出样品在44.5°左右出现了明显的α-Fe的特征峰，表明NiFe204α-Fe氧体的表面已经成功的“镀”上了一层单质铁。未见其他杂质峰，表明Fe未被氧化。
图6为NiFe2O4和NiFe204α-Fe(实施例1)的反射损耗图。由图可见，以基体石蜡(40wt％)和NiFe204α-Fe粉体样品(60wt％)、基体石蜡(40wt％)和NiFe2O4粉体样品(60wt％)制备的吸波体在厚度为3.5mm时，相比于NiFe2O4，NiFe204α-Fe的吸波效果得到了明显改善，最大损耗在-25dB左右，小于-10dB的带宽为4.7GHz左右。
实施例2：
步骤1：将10g制备的NiFe2O4粉末和15ml五羰基铁[Fe(CO)5]分别加入到反应器和蒸发器中；
步骤2：接通N2，将管路中的空气全部吹出，关闭气源，同时关闭反应器和蒸发器之间的阀门。将NiFe2O4和Fe(CO)5加热到250℃和80℃时打开反应器和蒸发器之间的阀门；
步骤3：将氮气源以30mL/min的流量将Fe(CO)5蒸气吹入到反应器中，搅拌速度为180r/min；N2的流量大小通过气体流量计控制；Fe(CO)5采用数显恒温油浴锅加热，气态Fe(CO)5进入反应器之前的管路都包覆有一层保温套，防止气态的Fe(CO)5在低温处凝结，造成管路不畅。Fe(CO)5蒸气吹入时间为30min，最后样品在N2保护下冷却、收集，得到的黑色粉末即为NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合粉末状材料。
图7为NiFe204α-Fe复合粒子的扫描电镜图，可见单质铁的尺寸约500nm。图8为NiFe204α-Fe复合粒子截面的扫描电镜图，可见包覆层完整，壳层厚度平均为1.4μm。

Claims (6)

1.一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：采用羰基铁气相分解沉积方法，包括以下步骤：
步骤1：将市售NiFe2O4粉末放入反应器中，通入惰性保护气体排空反应器内空气，缓加热使之升温至190℃-250℃之间；
步骤2：在保护气体氛围下，通入Fe(CO)5蒸气，在反应器内进行分解沉积及冷凝回流，反应过程中要不断搅拌；
步骤3：达到反应时间后，继续通入保护气体；待装置温度降到室温，打开反应器，取出制得的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料粉末。
2.根据权利要求1所述的一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氮气，气体流量在30-120mL/min之间。
3.根据权利要求2所述的一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：反应时间在10-90min之间；反应过程中的搅拌速度在120-280r/min之间。
4.根据权利要求3所述的一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所制备的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料中α-Fe颗粒粒径在200-600nm之间；所制得的粉末为黑色粉末。
5.根据权利要求4所述的一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的反应结束后，在氮气保护下，直至所得的NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料温度降至室温。
6.根据权利要求5所述的一种NiFe204α-Fe核壳结构微纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述反应器为四口烧瓶。
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