CN113979479A - 一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法 - Google Patents

一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，包括以下步骤：(1)通过溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备纳米BaFe12O19铁氧体粉末；(2)将步骤(1)中得到的纳米BaFe12O19铁氧体粉末与葡萄糖颗粒混合，加水研磨后超声处理，烘干，得混合料；(3)将混合料放置于坩埚内塞入微波真空管式炉内，开启真空，通入氮气，进行微波加热反应；(4)反应后，取出将坩埚，冷却，即得石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料。本发明工艺步骤简单，对设备要求低，过程安全可控，铁氧体与石墨烯复合效果好。

Description

一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法
技术领域
本发明涉及吸波材料技术领域，尤其是涉及一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法。
背景技术
随着现代技术的快速发展，电磁干扰问题日益凸显，尤其是在通信、军事、民用雷达等应用领域。近年来，随着电子设备不断普及，电磁波辐射对环境的影响日益增大，过量的电磁波辐射可诱发神经系统、免疫系统以及血液循环系统等病变，对人体造成直接或间接伤害。吸波材料是解决电磁波辐射污染的有效手段之一，在民事和军事领域上都有着广泛的研究价值和应用前景。吸波材料是一类能吸收、衰减投射到它表面的电磁波，并将其电磁波能转化成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的功能材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。
利用吸波材料防止电磁辐射污染，保护环境，保障信息安全和人类健康，已成为目前国际上正在探索的重大课题。随着现代高新技术的飞速发展和人类健康水平的提高，对吸波材料的吸收频率范围、吸收强度、耐热性、耐腐蚀性、密度等性能提出了更高的要求。因此，电磁波吸收逐渐成为人们关注的焦点。铁氧体具有优秀的电磁波吸收能力，一直以来都是吸波材料领域研究重点之一。
但是作为吸波材料，铁氧体自身上存在许多不足，比如说铁氧体的单位体积中存储的磁能较，饱和磁化强度也较低，并且密度大、吸波频段较窄而且低，这些都限制了它在大功率领域的应用。要想成为理想的吸波材料就需要同时满足密度低、厚度薄、吸波能力强和吸波频带宽等特点。
石墨烯是2004年首次发现的一种新型的二维纳米材料，二维结构使其具有独特的理化性能，被称为新一代最具有潜力的吸波材料，相比于传统吸波材料，石墨烯吸波材料可促进电磁波的散射和多次反射，独特的结构缺陷能改善材料的阻抗匹配性能，促进能量转化。同时石墨烯是目前已知的导电性能最好的材料，良好的导电性以及边界性能改善其材料的吸波性能。石墨烯吸波材料在民事领域和军事领域应用广泛，在民事领域，石墨烯吸波材料能有效地减少电磁波对人体的伤害，减少通信部件的信号干扰，在5G基站建设、无线电充电等领域应用广泛；在军事领域，雷达仍然是现代战争中搜寻目标的惯用手段，石墨烯吸波材料是雷达隐身技术的重要组成部分，在隐形飞机、隐形坦克隐形船舰以及雷达表RCS缩减等方面广泛应用。
现有的石墨烯铁氧体复合技术大多分为物理混合和化学还原，物理混合为机械混合，通过研磨、球磨、超声等手段直接混合石墨烯与铁氧体颗粒，混合效果较差，复合效果不佳。化学还原方法则是先通过石墨氧化制取氧化石墨烯，再通过混合铁氧体原料与氧化石墨烯，在高温水热条件下制取铁氧体并还原氧化石墨烯，从而一步或多步得到铁氧体与石墨烯复合的效果，反应流程复杂，用时长，影响变量多，产物复合效果受实验环境影响大。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的石墨烯铁氧体复合技术所存在的上述问题，提供了一种工艺步骤简单，对设备要求低，过程安全可控，铁氧体与石墨烯复合效果好的石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，包括以下步骤：
(1)通过溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备纳米BaFe12O19铁氧体粉末。
(2)将步骤(1)中得到的纳米BaFe12O19铁氧体粉末与葡萄糖颗粒混合，加水研磨后超声处理，烘干，得混合料。
(3)将混合料放置于坩埚内塞入微波真空管式炉内，开启真空，通入氮气，进行微波加热反应。
(4)反应后，取出将坩埚，冷却，即得石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料。
作为优选，步骤(1)中，凝胶自蔓延燃烧法制备纳米BaFe12O19铁氧体粉末的具体步骤为：将柠檬酸、九水合硝酸铁、硝酸钡、聚乙二醇2000混合溶解，得混合液；在混合液中滴加氨水调节pH为7，加热搅拌后放置在加热台上加热至进行自蔓延燃烧，生成树枝状前驱体；将树枝状前驱体研磨后进行煅烧，即得纳米BaFe12O19铁氧体粉末。柠檬酸盐络合物很稳定，所以可以通过加热使溶剂蒸发来增加溶胶的粘度，使络合物分子相互靠近而以氢键相连，从而形成凝胶；在加热凝胶的过程中，随着失水程度进一步加剧，凝胶内部由于局部散热不畅而达到一定温度时，即会发生氧化还原反应而燃烧。燃烧放出的热量足以维持反应持续进行，最终形成蓬松的树枝状粉末；同时溶胶凝胶法是一种水溶液化学方法，适当加入表面活性剂或络合剂可以改变生成颗粒的形状、大小等性质；本发明中加入表面活性剂聚乙二醇，由于其在水溶液中可产生固液界面上的吸附作用，形成一层液膜，阻碍颗粒之间相互接触，同时降低界面张力，将粉末之间的距离拉大，从而减小毛细管的吸附力，抑制团聚体形成。
作为优选，柠檬酸与金属离子摩尔比为1.5:1，钡离子与铁离子摩尔比1:12，混合液中聚乙二醇2000浓度为20mg/ml；以80℃水浴加热搅拌；煅烧温度为900℃，煅烧时间为4小时。
作为优选，步骤(2)中，纳米BaFe12O19铁氧体粉末与葡萄糖颗粒按质量比1：6进行混合。
作为优选，步骤(3)中，氮气流量控制在50sccm，调节气压至300～500Pa，微波功率为1200W，反应时间30min。微波功率对石墨烯生长有较大影响，功率越高石墨烯的结晶性越好，但是功率过高又会产生sp3杂化型缺陷。
因此，本发明具有如下有益效果：以葡萄糖为碳源，采用微波加热技术复合石墨烯和铁氧体，与传统的方法相比，在工艺上，步骤简单方法快速，反应时间缩短到数十分钟，同时相对传统的化学方法可控制变量增多，可以通过功率、时间、气源、碳源等灵活调整参数，并且利用了葡萄糖溶液的流动性实现了均匀包覆BaFe12O19铁氧体颗粒，最后利用微波加热技术完成了石墨烯与BaFe12O19铁氧体颗粒的均匀包覆，避免了传统方法先生成石墨烯再包覆铁氧体颗粒，易造成团聚复合效果差的缺点。
附图说明
图1是实施例1中纳米BaFe12O19铁氧体粉末的X射线衍射图谱。
图2是实施例1中石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料的拉曼光谱图。
图3是实施例1中石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料的TEM图。
图4是实施例1中石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料的高分辨TEM图。
图5是实施例1中石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料的吸波性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
(1)通过凝胶自蔓延燃烧法制备纳米BaFe12O19铁氧体粉末，具体步骤为：将柠檬酸、九水合硝酸铁、硝酸钡、聚乙二醇2000混合溶解，得混合液，柠檬酸与金属离子摩尔比为1.5:1，钡离子与铁离子摩尔比1:12，混合液中聚乙二醇2000浓度为20mg/ml；在混合液中滴加氨水调节pH为7，以80℃水浴加热搅拌后放置在加热台上加热至进行自蔓延燃烧，生成树枝状前驱体；将树枝状前驱体研磨后进行煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为4小时，即得纳米BaFe12O19铁氧体粉末，其X射线衍射图谱如图1所示。
(2)将步骤(1)中得到的纳米BaFe12O19铁氧体粉末与葡萄糖颗粒按质量比1：6混合，加水研磨后超声处理，烘干，得混合料。
(3)将混合料放置于坩埚内塞入微波真空管式炉内，开启真空，通入氮气，进行微波加热反应，氮气流量控制在50sccm，调节气压至450Pa，微波功率为1200W，反应时间30min。
(4)反应后，取出将坩埚，冷却，即得石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料，其拉曼光谱图、TEM图、高分辨TEM图、吸波性能曲线分别如图2、图3、图4、图5所示。
从图1可以看出产物为BaFe12O19铁氧体，并且峰尖锐，晶体生长较好。
从图2可以看出明显的石墨烯峰，说明葡萄糖经过微波加热技术已经转换为石墨烯。
从图3可以看出薄片状的石墨烯结构和其包覆的不规则状铁氧体。
从图4可以看出在铁氧体颗粒外侧存在颜色不一的浅层包覆石墨烯。
从图5可以看出在3.44GHz处损耗达到最大，为-24.8791dB，-10dB以下的吸波带宽达到1.2GHz。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备纳米BaFe12O19铁氧体粉末；
(2)将步骤(1)中得到的纳米BaFe12O19铁氧体粉末与葡萄糖颗粒混合，加水研磨后超声处理，烘干，得混合料；
(3)将混合料放置于坩埚内塞入微波真空管式炉内，开启真空，通入氮气，进行微波加热反应；
(4)反应后，取出将坩埚，冷却，即得石墨烯复合纳米BaFe12O19铁氧体颗粒吸波材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中，凝胶自蔓延燃烧法制备纳米BaFe12O19铁氧体粉末的具体步骤为：将柠檬酸、九水合硝酸铁、硝酸钡、聚乙二醇2000混合溶解，得混合液；在混合液中滴加氨水调节pH为7，加热搅拌后放置在加热台上加热至进行自蔓延燃烧，生成树枝状前驱体；将树枝状前驱体研磨后进行煅烧，即得纳米BaFe12O19铁氧体粉末。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，其特征在于，柠檬酸与金属离子摩尔比为1.5:1，钡离子与铁离子摩尔比1:12，混合液中聚乙二醇2000浓度为20mg/ml；以80℃水浴加热搅拌；煅烧温度为900℃，煅烧时间为4小时。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，其特征在于，步骤(2)中，纳米BaFe12O19铁氧体粉末与葡萄糖颗粒按质量比1：6进行混合。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合纳米六角钡铁氧体吸波材料制备方法，其特征在于，步骤(3)中，氮气流量控制在50sccm，调节气压至350～500Pa，微波功率为1200W，反应时间30min。
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