溶胶凝胶-自蔓延法与化学共沉淀法制备片状W型BaZn2Fe16O27及其对比研究

郭晓宇,孟锦宏,2,关山月,2，曹晓晖

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029 )

溶胶凝胶-自蔓延法与化学共沉淀法制备片状W型BaZn2Fe16O27及其对比研究

郭晓宇1,孟锦宏1,2,关山月1,2，曹晓晖1

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029 )

通过溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法均制备出片状W型钡铁氧体BaZn2Fe16O27。XRD、SEM和VSM分析表明，制备工艺的差异使溶胶凝胶-自蔓延法制备的BaZn2Fe16O27呈现较高的结晶有序程度和纯度，颗粒呈明显六角片状，颗粒径向尺寸和径厚比(3.6～7μm和12～14)明显高于化学共沉淀法制备的BaZn2Fe16O27(0.9～4μm和4.5～10)，进而其呈现较高的比饱和磁化强度。

BaZn2Fe16O27；溶胶凝胶-自蔓延法；化学共沉淀法；片状

W型铁氧体为六角晶系磁铅石型铁氧体，因而其晶体粒子可呈现电磁波吸收剂的最佳形状片状[1]。它具有较高的磁晶各向异性等效场，且高出M型铁氧体约10%，故其自然共振频率较高[2-3]。因而，W型铁氧体作为电磁波吸收剂在低频、厚度薄的情况下仍具有吸收强、频带较宽、成本低的特点[4]，因此已广泛应用于隐身和吸波技术领域，且逐渐成为近年来铁氧体领域研究的重点内容之一。

近年来大多数学者关注于W型铁氧体的电磁性能研究[5-6]，忽略了其静磁性能，且较少文献关注制备方法的差异对W型铁氧体的电磁或静磁性能的影响。制备W型铁氧体的方法较多，主要包括溶胶凝胶法、化学共沉淀法、微乳液法、自蔓延法、固相球磨法等。溶胶凝胶-自蔓延法是将传统溶胶-凝胶法与自蔓延燃烧相结合制备铁氧体的一种方法。该法耗时短，铁氧体粉末颗粒细且尺寸均匀，活性高，性能稳定，铁氧体化程度高[7-8]。化学共沉淀法对于单一组分氧化物制备具有控制性好、颗粒细小、表面活性高、性能稳定和重现性好的优势[9-10]。因而，这两种方法成为铁氧体的常用制备方法。

本文采用溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法分别制备微米级片状W型BaZn2Fe16O27，并着重对二者的物相组成、形貌、尺寸和静磁性能进行了对比分析。

1 实验部分

溶胶凝胶-自蔓延法制备BaZn2Fe16O27：按1∶2∶15.6(摩尔比)分别称取Ba(NO3)2·2H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)·9H2O，加入20mL水中配制成混合盐溶液；按柠檬酸：金属离子总和=1∶1(摩尔比)称取柠檬酸，加入20mL水中配制成酸溶液；连续搅拌，将酸溶液逐渐加入盐溶液中，用氨水调节pH值为7，80℃条件下加热至出现凝胶，继续加热至水分蒸发完后发生自蔓延反应，得到前驱体；将前驱体于450℃预烧2h，1200℃焙烧2h，得终产物，记为BaZn2Fe16O27-sol。

化学共沉淀法制备BaZn2Fe16O27：按摩尔比1∶2∶15.6分别称取Ba(NO3)2·2H2O、Zn(NO3)2·6H2O和Fe(NO3)·9H2O溶解于250mL水中配成混合盐溶液；按NaOH∶Na2CO3=7称取NaOH和Na2CO3溶解于350mL去离子水中配得混合碱溶液；将混合均匀的盐溶液和碱溶液同时并逐渐滴加到四口烧瓶中，滴加过程中连续搅拌反应液且控制其pH约11.5～12.5；滴加完成后经静置、抽滤、去离子水和乙醇洗涤至中性，干燥，得到前驱体；将前驱体经1200℃焙烧2h，得到终产物，记为BaZn2Fe16O27-co。

采用D/max-RB型X射线衍射仪分析产物物相组成(CuKα辐射，靶电压：40kV，靶电流：100mA。采用θ-2θ步进扫描方式，步长0.02°，扫描速度7°/min)。采用JXA-840型扫描电子显微镜分析产物形貌(加速电压15kV)。采用VSM-220震动样品磁强计测定产物饱和磁化强度(Ms)、剩余磁化强度(Mr)和矫顽力(Hc)(施加最大磁场为20KOe)。

2 结果与讨论

2.1 物相组成对比分析

比对BaZn2Fe16O27的标准XRD图(PDF52-1868)，两种方法制备的BaZn2Fe16O27的XRD图(图1)中都具有明显的BaZn2Fe16O27特征衍射峰，峰形均较为对称、尖锐，在35.38°出现较弱的BaFe2O4(201)晶面衍射峰，说明两种方法制备的主产物均为BaZn2Fe16O27，但其中含有少量BaFe2O4杂质相。进一步对比，BaZn2Fe16O27-sol的衍射峰强度高于BaZn2Fe16O27-co；经Scherrer公式[11]计算BaZn2Fe16O27(110)、(1010)、(116)、(204)、(208)、(209)、(220)晶面方向的平均晶粒尺寸d，BaZn2Fe16O27-sol的d(75.75nm)高于BaZn2Fe16O27-co的d(72.95nm)；说明BaZn2Fe16O27-sol的结晶有序程度高于BaZn2Fe16O27-co。主产物与杂质相的衍射峰强度比的相对大小可用于判断杂相含量的相对高低[12]，由图1可得BaZn2Fe16O27-sol和BaZn2Fe16O27-co的BaZn2Fe16O27(116)晶面与BaFe2O4(201)晶面的衍射峰强度比分别为1.82和1.35，说明与BaZn2Fe16O27-co相比，BaZn2Fe16O27-sol的杂质含量较低而纯度较高。溶胶凝胶-自蔓延法前驱体预烧过程中α-Fe2O3可转化为γ-Fe2O3，γ-Fe2O3能快速参与中间相BaFe2O4和BaFe12O19生成反应，进而加快终产物生成速率[13]，因此，BaZn2Fe16O27-sol较BaZn2Fe16O27-co表现出相对较高的结晶有序程度和纯度。

图1溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法制备BaZn2Fe16O27的XRD图

2.2 形貌对比分析

图2为溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法制备BaZn2Fe16O27的SEM图。

图2溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法制备BaZn2Fe16O27的SEM图

SEM分析表明(图2)BaZn2Fe16O27-sol呈明显二维六角片状，对比图中的标尺刻度，通过刻度尺分别测量不同片状的长度和厚度，其颗粒径向尺寸主要为3.6～7μm，少数为1～3μm，厚度为0.3～0.5μm，径厚比主要为12～14；BaZn2Fe16O27-co呈明显片状，但六角形貌不明显，颗粒径向尺寸为0.9～4μm，厚度为0.2～0.4μm，径厚比为4.5～10。对比BaZn2Fe16O27-co，BaZn2Fe16O27-sol的颗粒径向尺寸和径厚比明显较大，大颗粒尺寸分布范围较窄且所占比例较高，团聚程度较低，且片状颗粒六角形貌较为显著。其原因主要为：焙烧过程中，纳米粉体表面过剩自由能作用使细颗粒聚集程度加剧，从而温度升高会引起晶粒生长[14]；BaZn2Fe16O27-co经化学共沉淀反应得到前驱体，沉淀生成过程中，反应浓度的不同造成沉淀分布不均，前驱体颗粒大小不均；而BaZn2Fe16O27-sol是经过溶胶、凝胶、自蔓延过程得到前驱体，其颗粒比较均匀细小，故焙烧过程中颗粒生长均匀，且易于长大。

2.3 静磁性能分析

图3为溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法制备BaZn2Fe16O27的VSM图。

图3溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法制备BaZn2Fe16O27的VSM图

由图3可知，BaZn2Fe16O27-sol的饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc分别为64.25emu/g和267.53Oe，BaZn2Fe16O27-co的Ms和Hc分别为60.95emu/g和212.62Oe。徐春旭[15]采用溶胶凝胶法制备W型铁氧体，前驱体焙烧温度从800℃升至1100℃使颗粒尺寸变大，进而使产物的Ms从55.94明显增至61.67emu/g。Darja Lisjak等[14]在不同焙烧温度下制备NiZn-W型铁氧体，温度变化引起产物中杂质种类和含量发生变化，1250℃焙烧产物纯度最高，进而表现出最大的Ms值。因而，BaZn2Fe16O27-sol较高的结晶有序程度、纯度和较大的颗粒径向尺寸、径厚比使得其呈现出比BaZn2Fe16O27-co明显提高的Ms和Hc。

3 结论

(1)通过溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法均制备出片状W型钡铁氧体BaZn2Fe16O27。前者颗粒呈明显六角片状，径向尺寸主要为3.6～7μm，径厚比为12～14；后者颗粒六角形貌不明显，径向尺寸为0.9～4μm，径厚比为4.5～10。

(2)溶胶凝胶-自蔓延法和化学共沉淀法制备的BaZn2Fe16O27的Ms分别为64.25emu/g和60.95emu/g，Hc分别为267.53Oe和212.62Oe。

(3)制备工艺的差异使溶胶凝胶自蔓延法较化学共沉淀法制备的BaZn2Fe16O27呈现较高的结晶有序程度和纯度、较大的颗粒径向尺寸和径厚比、较窄的主要颗粒尺寸分布范围，进而其呈现较高的Ms和Hc。

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PreparationofPlate-likeBaZn2Fe16O27bySol-gelMethodandCo-precipitationMethodandComparativeStudy

GUO Xiaoyu1,MENG Jinhong1,2,GUAN Shanyue1,2,CAO Xiaohui1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Beijing University of Chemistry Technology,State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering,Beijing 100029,China)

Plate-like W-type BaZn2Fe16O27were synthesized by sol-gel combustion method and co-precipitation method (abbreviated as BaZn2Fe16O27-sol and BaZn2Fe16O27-co),respectively.Owing to the difference of preparation technology compared with BaZn2Fe16O27-co,BaZn2Fe16O27-sol had higher crystalline degree and purity,appeared more inerratic hexagonal plate-like morphology,and emerged higher grain size and radius-thickness ratio,which were 3.6～7μm and 12～14 for BaZn2Fe16O27-sol and 0.9～4μm and 4.5～10 for BaZn2Fe16O27-co,respectively.Accordingly,BaZn2Fe16O27-sol presented higherMsthan that of BaZn2Fe16O27-co.

BaZn2Fe16O27;sol-gel combustion method;co-precipitation method;plate-like shape

2013-07-15

郭晓宇(1987—)，男，硕士研究生；通讯作者：孟锦宏(1973—)，女，副教授，研究方向：磁性材料.

1003-1251(2014)01-0054-04

TB383

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