CN105965011A - 一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Fe@C@g‑C3N4纳米复合物及其制备方法和应用，属于纳米材料制备技术领域。该纳米复合物材料微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g‑C3N4纳米片中。本发明采用等离子电弧放电法，将铁粉和三聚氰胺粉按一定原子百分比压制成块体作为阳极靶材材料，采用石墨作为阴极材料，引用氩气和甲烷作为工作气体，阴极石墨电极与阳极铁‑三聚氰胺粉末块体之间保持一定距离，阳极与阴极之间起电弧放电，即得Fe@C@g‑C3N4纳米复合物。用该纳米复合物制得的吸波材料在2‑18GHz范围内具有良好的微波吸收性能。本发明制备过程简单、无后处理工序及成本低，易于实现工业化生产。

Description

一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物微波吸收材料及其制备方法。
背景技术
随着现代科学技术尤其是电子工业技术的高速发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大，在继噪音污染、空气污染、水污染之后，电磁波污染成了威胁生态环境和人体健康的第四大公害。电磁场以电磁波的形式传递能量，通常只有使用电磁波吸收材料，使电磁波能转化为热能或其他形式的能，才能有效清除电磁污染。另外吸波材料在军事技术，诸如电子对抗技术及隐身技术方面也有着广泛的用途。因此对吸波材料的研究具有非常重要的意义。理想的吸波材料应该具有强吸收、宽频段、厚度薄和质量轻等特点，为了更好地满足这些要求，制备新型纳米复合吸波材料成为了当前的研究热点。
从目前的吸波材料的发展状况来看，一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的综合要求，介电型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围分别在厘米波段的低端和高端，因此需要将多种吸波材料进行多种形式的复合来获得最佳吸波效果。铁磁/介电复合结构中存在着大量的异质界面，能够产生多重折射、多重吸收和界面极化等电池损耗机制，所以铁磁/介电纳米复合材料具有巨大的发展空间和良好的应用前景。铁磁/介电纳米复合材料在一定程度上提高了吸波能力。如：专利200910011350.7公开了一种碳包裹铁钴纳米吸波材料的制备方法。它利用等离子体电弧法制备了碳壳层作外壳层，铁钴合金作为内核的纳米胶囊。专利200910010232.4公开了一种氧化锌包裹镍纳米吸波材料的方法，它利用等离子体电弧法制备了氧化锌层作外壳层，镍纳米粒子作为内核的纳米胶囊。发明专利201310261578.8公开了一种使用多孔性镍酸镧粉末制备介电/铁磁吸收微波复合材料的方法。发明专利201210456057.3公开了一种核壳型微波吸收材料的制备方法，将铁磁金属氧化物制成氧化物浆料，再将空心玻璃微珠粉投入到浆料中，搅拌均匀后取出，即得核壳型微波吸收材料。
g-C3N4是一类似石墨结构的新型半导体，具有合适的半导体宽度(约2.7eV)、结构稳定、耐酸碱、无毒且生物兼容性好、成本低及易于化学改性等优点，已经被用于光催化合成反应、光催化降价污染物、光解水产氢和产氧以及氧化还原反应中。经检索，Fe@C@g-C3N4纳米复合物微波吸收材料未见报导。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物微波吸收材料及其制备方法。
本发明提供了一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物，该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片中。
本发明还提供了上述Fe@C@g-C3N4纳米复合物的制备方法，该材料是利用等离子体电弧放电技术，在工作气体下原位制备得到；其中：
采用石墨电极为阴极，铁-三聚氰胺粉末块体为阳极靶材，阴极与阳极靶材之间保持2～30mm的距离；电弧放电的电压为10～40V；工作气体为氩气和甲烷气体。
所述阳极靶材为铁-三聚氰胺粉末块体，将铁粉和三聚氰胺粉在压强1MPa～1Gpa下压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料，所述阳极靶材中铁所占的质量百分比为70～90％。
所述工作气体氩气的分压为0.01～0.5MPa,甲烷气体的分压为0.01～0.3MPa。
本发明还提供了Fe@C@g-C3N4纳米复合物作为微波吸收材料的应用。该纳米复合物以40％～50％质量百分比的添加量加入到基体物质中制成吸波涂层，该吸波涂层对2～18GHz频率范围内的电磁波具有吸收作用。
作为一种优化，上述基体物质为石蜡。
相对现有技术，本发明的突出优点在于
1)本发明首次制备出了Fe@C@g-C3N4纳米复合物；
2)本发明制备过程条件简单，易于控制，为Fe@C@g-C3N4纳米复合物的实际应用提供了条件；
3)本发明制备纳米复合物材料，由于g-C3N4纳米片、C壳和Fe纳米颗粒内核构成了良好的电磁匹配，在2～18GHz频率范围内具有优秀的微波吸收能力，使Fe@C@g-C3N4纳米复合物成为2～18GHz范围内微波吸收强有力的候选材料。
附图说明
图1为本发明制备Fe@C@g-C3N4纳米复合物的装置示意图；
图中标号：1、上盖；2、阴极；3、阀；4、阳极靶材；5、观察窗；6、挡板；7、铜阳极；8、夹头；9、石墨坩埚；10、直流脉动电源；a、冷却水；b、氩气；c、甲烷气。
图2为本发明实施例1制备的Fe@C@g-C3N4纳米复合物的X-射线衍射(XRD)图谱；
根据JCPDS PDF卡片(JCPDS卡，No.87-0722),可以检索出纳米复合物主相为Fe晶相构成；2θ＝27.5°和13°处的两个峰为g-C3N4(JCPDS卡，No.87-1562)的特征峰,由于C处于外壳，所以XRD无法检测出C相。
图3为本发明实施例1制备的Fe@C@g-C3N4纳米复合物的透射电子显微镜(TEM)图像；
从图中可以看出Fe@C纳米胶囊分布在g-C3N4纳米片中，其纳米胶囊的粒径为5～100nm。
图4为本发明实施例1所制备的Fe@C@g-C3N4纳米复合物的高分辨透射电子显微镜图像；
从图中可以看出所得Fe@C@g-C3N4纳米复合物为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片中。
图5为本发明实施例1制得材料的吸波性能与频率的关系图。
图6为本发明实施例2制得材料的吸波性能与频率的关系图。
图7为本发明实施例3制得材料的吸波性能与频率的关系图。
图8为本发明实施例4制得材料的吸波性能与频率的关系图。
图9为本发明实施例5制得材料的吸波性能与频率的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
将图1所示的装置上盖1打开，用石墨作阴极2固定在夹头8上，所消耗阳极靶材4的成分为纯铁粉与三聚氰胺粉(质量比90:10)压成的块体，放在通冷却水的铜阳极7上，在铜阳极7和阳极靶材4之间是石墨坩埚9。阴极2与阳极靶材4之间保持30mm的距离。盖上装置上盖1，通冷却水a，通过阀3把整个工作室抽真空后，通入氩气b和甲烷气c，氩气的分压为0.5MPa，甲烷气的分压为0.3MPa,接通直流脉动电源10，电压为40V，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，制得Fe@C@g-C3N4纳米复合物。该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片，其中：Fe@C纳米胶囊的粒径为5～100nm，如图3、图4所示。将所制得的Fe@C@g-C3N4纳米复合物与石蜡按照质量比50:50混合，加入正己烷做溶剂，超声混合直至正己烷挥发完毕为止，利用磨具压成内径为3.04mm,外径7mm,厚度为2mm的同轴环试样在2～18GHz频率范围内进行电磁性能测试，利用所得的电磁参数模拟出厚度为2.4mm试样的吸波性能与频率的关系，如图5所示，最大反射损失值出现在9.04GHz,为-24.7dB。
实施例2
将图1所示的装置上盖1打开，用石墨作阴极2固定在夹头8上，所消耗阳极靶材4的成分为纯铁粉与三聚氰胺粉(质量比70:30)压成的块体，放在通冷却水的铜阳极7上，在铜阳极7和阳极靶材4之间是石墨坩埚9。阴极2与阳极靶材4之间保持30mm的距离。盖上装置上盖1，通冷却水a，通过阀3把整个工作室抽真空后，通入氩气b和甲烷气c，氩气的分压为0.5MPa，甲烷气的分压为0.3MPa,接通直流脉动电源10，电压为10V，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，制得Fe@C@g-C3N4纳米复合物。该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片，其中：Fe@C纳米胶囊的粒径为5～100nm。将所制得的Fe@C@g-C3N4纳米复合物与石蜡按照质量比40:60混合，加入正己烷做溶剂，超声混合直至正己烷挥发完毕为止，利用磨具压成内径为3.04mm,外径7mm,厚度为2mm的同轴环试样在2～18GHz频率范围内进行电磁性能测试，利用所得的电磁参数模拟出厚度为2.0mm试样的吸波性能与频率的关系，如图6所示，最大反射损失值出现在11.6GHz,为-21.7dB。
实施例3
将图1所示的装置上盖1打开，用石墨作阴极2固定在夹头8上，所消耗阳极靶材4的成分为纯铁粉与三聚氰胺粉(质量比90:10)压成的块体，放在通冷却水的铜阳极7上，在铜阳极7和阳极靶材4之间是石墨坩埚9。阴极2与阳极靶材4之间保持2mm的距离。盖上装置上盖1，通冷却水a，通过阀3把整个工作室抽真空后，通入氩气b和甲烷气c，氩气的分压为0.5MPa，甲烷气的分压为0.3MPa,接通直流脉动电源10，电压为20V，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，制得Fe@C@g-C3N4纳米复合物。该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片，其中：Fe@C纳米胶囊的粒径为5～100nm。将所制得的Fe@C@g-C3N4纳米复合物与石蜡按照质量比50:50混合，加入正己烷做溶剂，超声混合直至正己烷挥发完毕为止，利用磨具压成内径为3.04mm,外径7mm,厚度为2mm的同轴环试样在2～18GHz频率范围内进行电磁性能测试，利用所得的电磁参数模拟出厚度为3.0mm试样的吸波性能与频率的关系，如图7所示，最大反射损失值出现在8.48GHz,为-40.4dB。
实施例4
将图1所示的装置上盖1打开，用石墨作阴极2固定在夹头8上，所消耗阳极靶材4的成分为纯铁粉与三聚氰胺粉(质量比80:20)压成的块体，放在通冷却水的铜阳极7上，在铜阳极7和阳极靶材4之间是石墨坩埚9。阴极2与阳极靶材4之间保持20mm的距离。盖上装置上盖1，通冷却水a，通过阀3把整个工作室抽真空后，通入氩气b和甲烷气c，氩气的分压为0.2MPa，甲烷气的分压为0.2MPa,接通直流脉动电源10，电压为30V，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，制得Fe@C@g-C3N4纳米复合物。该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片，其中：Fe@C纳米胶囊的粒径为5～100nm。将所制得的Fe@C@g-C3N4纳米复合物与石蜡按照质量比50:50混合，加入正己烷做溶剂，超声混合直至正己烷挥发完毕为止，利用磨具压成内径为3.04mm,外径7mm,厚度为2mm的同轴环试样在2～18GHz频率范围内进行电磁性能测试，利用所得的电磁参数模拟出厚度为1.7mm试样的吸波性能与频率的关系，如图8所示，最大反射损失值出现在17.4GHz,为-29.3dB。
实施例5
将图1所示的装置上盖1打开，用石墨作阴极2固定在夹头8上，所消耗阳极靶材4的成分为纯铁粉与三聚氰胺粉(质量比80:20)压成的块体，放在通冷却水的铜阳极7上，在铜阳极7和阳极靶材4之间是石墨坩埚9。阴极2与阳极靶材4之间保持2mm的距离。盖上装置上盖1，通冷却水a，通过阀3把整个工作室抽真空后，通入氩气b和甲烷气c，氩气的分压为0.01MPa，甲烷气的分压为0.01MPa,接通直流脉动电源10，电压为40V，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，制得Fe@C@g-C3N4纳米复合物。该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片，其中：Fe@C纳米胶囊的粒径为5～100nm。将所制得的Fe@C@g-C3N4纳米复合物与石蜡按照质量比50:50混合，加入正己烷做溶剂，超声混合直至正己烷挥发完毕为止，利用磨具压成内径为3.04mm,外径7mm,厚度为2mm的同轴环试样在2～18GHz频率范围内进行电磁性能测试，利用所得的电磁参数模拟出厚度为1.9mm试样的吸波性能与频率的关系，如图9所示，最大反射损失值出现在14.8GHz,为-28.4dB。

Claims (4)

1.一种Fe@C@g-C3N4纳米复合物，其特征在于，该纳米复合物微观结构为Fe@C核壳结构纳米胶囊嵌入g-C3N4纳米片中；该纳米复合物是利用等离子体电弧放电技术，在工作气体下原位制备得到，其中：
采用石墨电极为阴极，铁-三聚氰胺粉末块体为阳极靶材，阴极与阳极靶材之间保持2～30mm的距离；所述电弧放电的电压为10～40V；所述工作气体为氩气和甲烷气体；所述阳极靶材中铁所占的质量百分比为70～90％；所述氩气的分压为0.01～0.5MPa,甲烷气体的分压为0.01～0.3MPa。
2.如权利要求1所述Fe@C@g-C3N4纳米复合物制成的吸波涂层，其特征在于，所述纳米复合物以40％～50％质量百分比的添加量加入到基体物质中制成吸波涂层。
3.如权利要求2所述的吸波涂层，其特征在于：所述的基体物质为石蜡。
4.如权利要求2或3所述的吸波涂层在作为2～18GHz范围电磁波吸收材料方面的应用。
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