CN105838324A - 负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：1】制备含有铁盐的前驱体溶液；2】将多孔碳球置于所述前驱体溶液中搅拌浸渍；3】将多孔碳球滤出后洗涤干燥；4】将干燥后的多孔碳球在惰性气氛下煅烧；5】在惰性气氛下冷却至室温后得到负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料。本发明利用多孔碳球的高比表面积及强吸附作用将铁盐前驱体溶液通过毛细作用引入到碳球的孔道内部并与亲水性含氧官能团结合，最后经过干燥、惰性气氛下烧结处理获得负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合材料。整个制备过程工艺简单，操作方便，对生产设备的要求不高。

Description

负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合吸波材料的制备方法，具体涉及一种负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合雷达吸波材料的制备方法。
背景技术
随着现代战争电子对抗的加剧和信息化进程的加快，吸波材料的发展正朝着高性能化的方向发展。从目前对吸波材料的研究结果来看，复合技术成为实现新型雷达吸波材料“薄、轻、宽、强”设计理念的首选方法，具体涉及到将以电损耗为主的材料(如碳化硅纤维、碳纳米管、炭黑、导电高聚物及碳纤维等)与以磁损耗为主的传统磁性材料(如磁性金属微粉及铁氧体等)进行复合。一方面，上述电损耗吸波材料密度小，作为载体可实现轻质；另一方面，将电损耗和磁损耗材料进行结合可以达到多波段、宽频带的吸收效果。有关吸波材料的研究已经比较成熟，对于电损耗、磁损耗复合技术的专利和文献也有不少，例如：
Wang等以螺旋碳纤维为载体，采用ALD(原子层沉积)技术将磁性成分Fe3O4/Ni颗粒“平铺”于碳纳米管管壁上，通过调控磁性组分的厚度可以调整材料整体的电磁损耗达到最佳匹配值，而且所制备的复合粉体具有优异的微波反射损耗。(参见文献：ACS Nano.2012，6，11009-11017.)
Wen等通过化学浸渍将铁盐、硝酸钴以及硝酸镍水溶液分别进入处理后的多壁碳纳米管内，经干燥处理后于H2气氛下900℃还原分别得到负载金属Fe、Co以及Ni的复合吸波材料，该材料在S波段(2-4GHz)具有优异的微波吸收效果，最大反射损耗依次可达-39、-37和-37dB。(参见文献：J.Phys.Chem.C 2011,115,14025-14030.)
Su等采用传统的化学气相沉积(CVD)法，以二茂铁-乙醇溶液作为前驱体在1000℃下合成Fe/Fe3C功能化的碳纳米管，通过调节前驱体浓度可以控制磁性成分的含量，结果证实磁性组分含量的增加有助于改善吸波效果，当磁性成分的含量在30-32wt％，匹配层厚度为2mm时，复合材料的最大微波反射损耗可达-25dB。(参考文献：Appl Phys A.(2012),106:59-65.)
Sun等首先以水热法制备树枝状γ-Fe2O3，再经过不同的还原工艺处理得到形貌一致的Fe3O4和单质Fe。当吸波匹配层厚度为2mm时，三者的最大反射损耗值分别为-8.7、-15.2以及-25dB。(参见文献：Chem.Mater.2011，23，1587-1593.)
Tian等利用高纯Fe粉和Si粉经湿法球磨得到Fe-Si合金，通过添加石墨、ZnO以及TiO2来改变合金的电磁参数，实验结果表明，助剂的加入(形貌占主导因素)主要对介电常数有影响，而且TiO2对微波反射损耗的贡献最大，当匹配层厚为2.4mm时的最大反射率为-35.3dB。(参考文献：Journal of Magnetismand Magnetic Materials.339(2013)114-118.)
在现有的用于制备复合吸波材料的方法中，大多对生产设备要求很高，工艺过程复杂，而且普遍存在产量低、成本高的问题，只适用于实验室研究，难以实现大规模生产应用。
发明内容
为了解决现有的复合吸波材料制备方法产量低、成本高、工艺复杂的技术问题，本发明提供一种工艺简单、操作方便、对生产设备的要求不高的负载铁和碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法。
本发明的技术解决方案是：所提供的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法包括以下步骤：
1】制备含有铁盐的前驱体溶液；
2】将多孔碳球置于所述前驱体溶液中搅拌浸渍；
3】将多孔碳球滤出后洗涤干燥；
4】将干燥后的多孔碳球在惰性气氛下煅烧；
5】在惰性气氛下冷却至室温后得到负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料。
上述步骤1】中的前驱体溶液是将铁盐溶解于去离子水中制备得到的，铁盐的质量与去离子水的体积的比例为4-16g:10-40ml。
上述步骤2】还包括以下步骤：
2.1】将多孔碳球置于硝酸中，多孔碳球的质量与硝酸的体积的比例为1g:15-30ml；
2.2】在水浴条件下搅拌浸渍10-12h；
2.3】将洗涤干燥后的多孔碳球置于所述前驱体溶液中搅拌浸渍12-24小时，多孔碳球的质量与前驱体溶液的体积的比例为1-3g:9-20ml。
上述步骤2.1】中的硝酸的质量分数为40-60％。
上述步骤2.2】中的水浴的温度为40-60℃。
上述步骤2.3】中的洗涤干燥的条件是用去离子水反复清洗至中性，然后置于烘箱中100-110℃干燥12-24h。
上述步骤3】中的洗涤干燥的条件是用去离子水反复清洗，然后置于烘箱中60-80℃干燥12-20h。
上述步骤4】中的煅烧条件为800-1000℃恒温煅烧2-3小时。
上述惰性气氛为氮气气氛或者氩气气氛。
上述步骤2】中的多孔碳球的直径范围为0.5-2mm，BET比表面积为800-1300m2/g，总孔容积为0.4-0.9cm3/g。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用多孔碳球的高比表面积及强吸附作用将铁盐前驱体溶液通过毛细作用引入到碳球的孔道内部并与亲水性含氧官能团结合，最后经过干燥、惰性气氛下烧结处理获得负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合材料。整个制备过程工艺简单，操作方便，对生产设备的要求不高。
(2)本发明所得到的金属单质铁纯度高，粒径小而且粒度分布均匀。金属单质铁负载于多孔碳球上起催化作用，促进碳球的石墨化程度并提高材料整体的介电性能。
(3)本发明所使用的主要原料为多孔碳球、硝酸和铁盐，均为成本低廉、容易获得的普通化学试剂，适合于大规模生产应用。
附图说明
图1为本发明实施例一制备得到的负载金属铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的X射线衍射图谱；
图2为本发明实施例二制备得到的负载金属铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的Raman图谱；
图3为本发明实施例三制备得到的负载金属铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料在不同匹配层厚度的电磁吸波曲线。
具体实施方式
本发明涉及一种负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合雷达吸波材料的制备方法。主要原料是多孔碳球、硝酸和铁盐。该方法利用多孔碳球的高比表面积及强吸附作用将铁盐前驱体溶液通过毛细作用引入到碳球的孔道内部并与亲水性含氧官能团结合，最后经过干燥、惰性气氛下烧结处理获得负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合材料。多孔碳球上负载金属铁和碳化铁以及部分石墨化的无定形碳，磁性成分与载体碳球的质量比为1:10～2:5，多孔碳球复合材料的BET比表面积为300-600m2/g，粒径分布在0.1-2.1mm。负载于多孔碳球上的金属铁呈单质状态，与碳化铁共存于多孔碳球内部及表面，起催化作用，促进碳球的石墨化程度并提高材料整体的介电性能，该复合吸波材料的最大微波反射损耗可达-37dB。本发明方法同时可用于制备其它磁性复合材料，且该类吸波材料具有高效、质轻的优点，在电磁屏蔽及轻质雷达吸波材料中有广阔的应用前景。下面结合具体实施例对本发明的制备方法以及使用该方法制备得到的吸波材料的性能做进一步解释。
实施例一
(1)将粒径分布在0.5-1mm的多孔碳球置于质量分数为40-50％的硝酸溶液中，碳球的质量与硝酸体积比为1g：15-20ml，然后在40-50℃水浴条件下搅拌浸渍10-12h，用去离子水反复清洗至中性，接着于烘箱中100-110℃干燥12-24h；
(2)取铁盐溶于去离子水中，制得前驱体溶液，铁盐的质量与去离子水的体积比为4-16g：10-40ml；
(3)将多孔碳球浸入上述前驱体溶液中，搅拌浸渍12-24小时，碳球质量与前驱体溶液的体积比为1-3g：9-20ml；
(4)将多孔碳球从溶液中滤出，用10-40ml去离子水洗涤，过滤；
(5)将(4)所得多孔碳球放入烘箱中60-80℃干燥12-20h；
(6)将干燥后的多孔碳球置于管式炉中，在氩气气氛下于1000℃恒温煅烧2-3小时，继续在该气氛下冷却至室温，得到负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合材料。
参见图1，该实施例下得到产物的物相组成为Fe3C和单质Fe，复合物的比表面积为300m2/g，相对复介电常数高。
实施例二
(1)将粒径分布在1-2mm的多孔碳球置于质量分数为40-60％的硝酸溶液中，碳球的质量与硝酸体积比为1g：15-30ml，然后在40-60℃水浴条件下搅拌浸渍10-12h，用去离子水反复清洗至中性，接着于烘箱中100-110℃干燥12-24h；
(2)取铁盐溶于去离子水中，制得前驱体溶液，铁盐的质量与去离子水的体积比为4-16g：10-40ml；
(3)将多孔碳球浸入上述前驱体溶液中，搅拌浸渍12-24小时，碳球质量与前驱体溶液的体积比为1-3g：9-20ml；
(4)将多孔碳球从溶液中滤出，用10-40ml去离子水洗涤，过滤；
(5)将(4)所得多孔碳球放复清洗至中性，接着于烘箱中100-110℃干燥12-24h；
(2)取铁盐溶于去离子水中，制得前驱体溶液，铁盐的质量与去离子水的体积比为4-16g：10-40ml；
(3)将多孔碳球浸入上述前驱体溶液中，搅拌浸渍12-24小时，碳球质量与前驱体溶液的体积比为1-3g：9入烘箱中60-80℃干燥12-20h；
(6)将干燥后的多孔碳球置于管式炉中，在氮气气氛下于900℃恒温煅烧2-3小时，继续在该气氛下冷却至室温，得到负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合材料。
该实施例下得到产物的物相组成为Fe3C和单质Fe，复合物的石墨化程度为1.09，比表面积为360m2/g，在反射损耗曲线上(2-18GHz)出现双吸收峰，而且高频区(14-18GHz)的最低反射损耗值低于-10dB。
实施例三
(1)将粒径分布在0.5-2mm的多孔碳球置于质量分数为40-60％的硝酸溶液中，碳球的质量与硝酸体积比为1g：15-30ml，然后在40-60℃水浴条件下搅拌浸渍10-12h，用去离子水反复清洗至中性，接着于烘箱中100-110℃干燥12-24h；
(2)取铁盐溶于去离子水中，制得前驱体溶液，铁盐的质量与去离子水的体积比为4-16g：10-40ml；
(3)将多孔碳球浸入上述前驱体溶液中，搅拌浸渍12-24小时，碳球质量与前驱体溶液的体积比为1-3g：9-20ml；
(4)将多孔碳球从溶液中滤出，用10-40ml去离子水洗涤，过滤；
(5)将(4)所得多孔碳球放入烘箱中60-80℃干燥12-20h；
(6)将干燥后的多孔碳球置于管式炉中，在氩气气气氛下于800℃恒温煅烧2-3小时，继续在该气氛下冷却至室温，得到负载金属单质铁及碳化铁的多孔碳球复合材料。
参见图3，该实施例下得到产物的物相组成以单质Fe为主，复合物的比表面积为410m2/g，当模拟吸波涂层厚度大于4mm时，在反射损耗曲线上(2-18GHz)出现双吸收峰，涂层厚度为5.5mm时的最低反射损耗值为-37dB。

Claims (10)

1.一种负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】制备含有铁盐的前驱体溶液；
2】将多孔碳球置于所述前驱体溶液中搅拌浸渍；
3】将多孔碳球滤出后洗涤干燥；
4】将干燥后的多孔碳球在惰性气氛下煅烧；
5】在惰性气氛下冷却至室温后得到负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料。
2.根据权利要求1所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1】中的前驱体溶液是将铁盐溶解于去离子水中制备得到的，铁盐的质量与去离子水的体积的比例为4-16g:10-40ml。
3.根据权利要求2所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2】还包括以下步骤：
2.1】将多孔碳球置于硝酸中，多孔碳球的质量与硝酸的体积的比例为1g:15-30ml；
2.2】在水浴条件下搅拌浸渍10-12h；
2.3】将洗涤干燥后的多孔碳球置于所述前驱体溶液中搅拌浸渍12-24小时，多孔碳球的质量与前驱体溶液的体积的比例为1-3g:9-20ml。
4.根据权利要求3所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2.1】中的硝酸的质量分数为40-60％。
5.根据权利要求3所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2.2】中的水浴的温度为40-60℃。
6.根据权利要求3所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2.3】中的洗涤干燥的条件是用去离子水反复清洗至中性，然后置于烘箱中100-110℃干燥12-24h。
7.根据权利要求1-6中任一所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3】中的洗涤干燥的条件是用去离子水反复清洗，然后置于烘箱中60-80℃干燥12-20h。
8.根据权利要求7所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4】中的煅烧条件为800-1000℃恒温煅烧2-3小时。
9.根据权利要求8所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气氛为氮气气氛或者氩气气氛。
10.根据权利要求9所述的负载铁及碳化铁的多孔碳球复合吸波材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2】中的多孔碳球的直径范围为0.5-2mm，BET比表面积为800-1300m2/g，总孔容积为0.4-0.9cm3/g。
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