Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的制备及电磁性能研究

潘 乐，晋传贵，陈以传

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)

Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的制备及电磁性能研究

潘 乐，晋传贵，陈以传

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)

采用水热法制备出不同比的Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物，通过X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、振动样品磁强计(VSM)、网络分析仪对该复合物的形貌、电磁性能进行表征与分析。结果表明：Co0.5Zn0.5Fe2O4被碳包裹程度随碳相对含量的增加而增加；在频率为3～18 GHz范围内，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的介电常数虚部和介电损耗随Co0.5Zn0.5Fe2O4的相对含量增加而增加；与Co0.5Zn0.5Fe2O4相比，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的最大吸收峰有明显提高，且当0.5 g Co0.5Zn0.5Fe2O4与2 g葡萄糖混合时，制备的样品最大吸收峰在频率16 GHz左右可达到7 dB。

复合物；Co0.5Zn0.5Fe2O4；水热法；电磁性能

碳包覆纳米颗粒是1种具有核壳结构的新型功能复合材料，其外壳一方面能改善内核粒子的表面电性和表面活性，防止纳米颗粒长大和团聚；另一方面保护内部颗粒免受外部环境的影响，增强其在空气中的稳定性[1]，从而使被包覆的材料具有良好的稳定性。有关碳包覆纳米材料在诸多领域已进行了应用研究，如杨超等[2]制备了LiFePO4/C，并利用激光拉曼光谱对LiFePO4/C锂离子正极材料碳外壳的石墨化程度进行了研究；季晶晶等[3]制备了Sn/C球复合材料，并对其电化学性能进行了研究，但有关碳包覆在吸波性能方面的研究应用较少。制备碳包覆材料的方法有水热法[4]、化学气相沉积法[5-6]、热解法[7-8]、电弧放电法[9]等，其中水热法具有制备过程简单、反应条件温和、产物组成易于控制等优点[10-14]。为此，笔者以葡萄糖为碳源，采用水热法制备不同比的Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物，并对其吸波性能进行研究。

1 实 验

1.1 样品制备

1.1.1 Co0.5Zn0.5Fe2O4的制备

采用水热法合成Co0.5Zn0.5Fe2O4样品，原料均为分析纯试剂。按Co0.5Zn0.5Fe2O4化学式的金属元素化学计量比，称量一定量的Fe(NO3)3∙9H2O，Zn(NO3)2∙6H2O，Co(NO3)2∙6H2O原料溶解在60 mL的蒸馏水中，搅拌待其充分溶解，加入一定量NaOH溶液作为沉淀剂，充分搅拌使其沉淀完全，放入超声波清洗器中超声30 min使其分散更均匀，然后倒入反应釜中，在230℃反应8 h后离心，洗涤后在60℃下干燥24 h，研磨得到样品，编号为1#。

1.1.2 Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的制备

称量1.0，0.5 g Co0.5Zn0.5Fe2O4分别放入100 mL烧杯中，分别加入2.0 g葡萄糖、80 mL蒸馏水后，放入超声波清洗器中边用玻璃棒搅拌边超声30 min，倒入100 mL的反应釜中180℃保温10 h，所得产物经清洗、离心沉淀，在60℃干燥箱中干燥24 h，研磨，即得到样品，分别编号为2#，3#。

1.2 样品测试

采用X射线衍射仪(XRD，Bruker AXS公司的D8 Advance型，CuKαL辐射，λ＝1.540 6A。)测试样品的相组成；采用振动样品磁强计(VSM，美国Quantum Design公司，VersaLab型)测试样品的磁滞回线；采用扫描电子显微镜(SEM，JSM B490 LV型，日本JEOL电子公司)及场发射扫描电子显微镜(HITACHI，S-4800型)测试样品的形貌及成分；采用矢量网络分析仪(N5244A型，安捷伦公司)测试样品的电磁参数。

2 实验结果与分析

2.1 Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的XRD分析

图1是纯Co0.5Zn0.5Fe2O4及Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的XRD图。由图1可以看出：1#样品在2θ为30°，35°，36°，43°，53°，57°，62°处出现尖晶石铁氧体的特征衍射峰，分别对应(220)，(311)，(222)，(400)，(422)，(511)，(440)晶面，与标准粉末衍射卡片(JCPDS卡号：22-1012)完全吻合，无其他物相的衍射峰，结合后面的能谱分析结果可得出该物质为Co0.5Zn0.5Fe2O4；葡萄糖的加入并没有出现新的衍射峰，这可能是因为葡萄糖被分解为无定型的非晶碳；2#和3#样品的衍射峰位置都和Co0.5Zn0.5Fe2O4粉体衍射峰一致，只是强度有所变化，随着碳的相对含量增加，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物中衍射峰的强度逐渐减弱。

2.2 Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的SEM及EDS分析

图2为Co0.5Zn0.5Fe2O4和Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的SEM及EDS图。图中：(a)，(b)，(c)分别为1#，2#，3#样品的SEM图；(d)为1#样品的EDS图。由图2可看出：Co0.5Zn0.5Fe2O4粉体形貌无规则且颗粒分布不均匀，颗粒尺寸达纳米级，较大颗粒由较小纳米颗粒团聚而成，这是由于纳米粒子具有高表面能，另磁性粒子之间相互作用力强；与1#样品相比，2#样品中Co0.5Zn0.5Fe2O4表面部分被碳包裹着，而3#样品中Co0.5Zn0.5Fe2O4表面几乎被无定型的碳均匀包裹着。由图2(d)可看出，该样品由Co，Zn，Fe和O元素组成，且Co:Zn:Fe的原子比约为1:1:4。

2.3 Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的VSM分析

图3是Co0.5Zn0.5Fe2O4及Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的振动样品磁强计(VSM)图，其中插图是低场范围的放大部分。从图3可以看出：Co0.5Zn0.5Fe2O4粉体的饱和磁化强度Ms为57.553 emu/g、剩余磁化强度Mr为3.928 emu/g、产物的剩磁比Mr/Ms=0.068 3，呈现出一定的软磁特性；2#样品的饱和磁化强度为 44.198 emu/g，3#样品的饱和磁化强度为28.662 emu/g，因为碳是非磁性的物质，碳含量越高，磁性下降的程度越大。

2.4 Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的电磁性能分析

图4是Co0.5Zn0.5Fe2O4及Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的复介电常数与频率关系。从图4(a)可以看出，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的复介电常数实部值频率低于12 GHz时，基本小于Co0.5Zn0.5Fe2O4的复介电常数实部值，但在频率大于12 GHz时，有所波动。从图4(b)可以看出，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的复介电常数虚部(ε″)在3～18 GHz频率范围内基本大于Co0.5Zn0.5Fe2O4的ε″。由公式[15]

式中：ε0为自由空间的介电常数；ρ为电阻率；f为频率。由式(1)知ε″与ρ成反比例的关系，碳是良的导电体，电阻率比Co0.5Zn0.5Fe2O4粉体小，因此复合物的电阻率相应地比纯Co0.5Zn0.5Fe2O4粉体小，且随着碳相对含量的增加复合物的电阻率越来越小。所以Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的ε″均比Co0.5Zn0.5Fe2O4的ε″大，且随着碳含量的增加而增大。

图5是Co0.5Zn0.5Fe2O4及Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的介电损耗因子、吸波效能与频率关系。从图5(a)可以看出，与Co0.5Zn0.5Fe2O4相比，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的介电损耗因子均有所增大，且随着碳相对含量的增加，其介电损耗因子逐渐增大，在频率16 GHz左右，达到最大值。从图5(b)可以看出：3#样品的电磁波吸收效能最大，1#样品的电磁波吸收效能最小；在频率大于12 GHz时2#，3#样品的吸波效能有所增加；在频率为16 GHz左右，2#，3#样品的吸波效能达到最大值，其中3#样品的最大吸收峰可达到7 dB。

3 结 论

1)采用水热法成功制备了Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物，Co0.5Zn0.5Fe2O4被碳包裹程度随碳相对含量的增加而增加。

2)Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的饱和磁化强度随着碳相对含量的增加逐渐减小。

3)与Co0.5Zn0.5Fe2O4相比，Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的介电损耗因子基本有所增加，且随着碳含量的增加而增大。

4)Co0.5Zn0.5Fe2O4/C复合物的最大吸收峰均大于纯Co0.5Zn0.5Fe2O4粉体的最大吸收峰，且当0.5 g Co0.5Zn0.5Fe2O4与2.0 g葡萄糖混合反应时，制得的样品最大吸收峰达到7 dB。

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责任编辑：何莉

ResearchonPreparationandElectromagneticPropertiesofCo0.5Zn0.5Fe2O4/C Composites

PAN Le,JIN Chuangui,CHEN Yichuan
(School of Materials and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

Different ratios of C and Co0.5Zn0.5Fe2O4composites were prepared by hydrothermal method.Composites were characterized and measured with X-ray diffraction analyzer(XRD),scanning electron microscope (SEM),energy dispersive spectrometer(EDS),vibrating sample magnetometer(VSM)and Agilent N5244A vector network analyzer.The results show that the degree of C coated Co0.5Zn0.5Fe2O4increased with the increasing of the content of C;With the increasing of the content of Co0.5Zn0.5Fe2O4,both imaginary parts of dielectric constant and dielectric loss of Co0.5Zn0.5Fe2O4/C composites increase in the frequency range of 3-18 GHz;The maximum absorption peaks of Co0.5Zn0.5Fe2O4/C composites are improved obviously compared with that of Co0.5Zn0.5Fe2O4; The maximum absorption peak of the sample prepared by 0.5 g Co0.5Zn0.5Fe2O4mixed with 2 g glucose reached to 7 dB at a frequency of about 16 GHz.

composites;Co0.5Zn0.5Fe2O4;hydrothermal method;electromagnetic property

TB34

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.005

2014-12-05

国家自然科学基金项目(21071003，51201002)；国家级大学生创新创业项目(004657)

潘乐(1988-)，男，安徽安庆人，硕士生，主要研究方向为尖晶石型Co0.5Zn0.5Fe2O4及其复合物的制备与电磁性能。

晋传贵(1966-)，男，安徽无为人，博士，教授，研究方向为功能材料制备与性能。

1671-7872(2015)-02-0118-05