碳纳米管表面包覆钡铁氧体的复合吸波材料性能研究

龚璇　丁冬

摘 要 本文以碳纳米管为基体，利用溶胶凝胶法在碳纳米管表面包覆了钡铁氧体，测量了其静磁性能和电磁参数，并分析了样品反射特性，结果表明所制备的碳纳米管基钡铁氧体复合材料具有良好的静磁性能和吸波性能。

关键词 碳纳米管 钡铁氧体 溶胶-凝胶法 吸波性能

中图分类号：TB33 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.08.032

Abstract The using carbon nanotubes as the matrix， on the surface of carbon nanotubes coated barium ferrite by a sol gel method measured the static magnetic properties and electromagnetic parameters， and the reflection of characteristics of samples is analyzed. The results showed that the preparation of carbon nanotubes based barium ferrite composite has good static magnetic and microwave absorbing properties.

Key words Carbon nanotubes； Barium ferrite； Sol gel method； wave absorbing performance

0引言

传统方法制备的吸波材料在吸波效率上，总难有重大突破，不能同时满足薄、轻、宽、强的要求。六角晶系钡铁氧体是目前广泛使用的磁损耗型微波吸收剂材料，具有吸收强、应用方便等特点，以其优良的频响特性成为近年来研究的重点，但其缺点是密度大，高温特性差等。

本文采用纳米材料制备技术对六角晶系钡铁氧体的性能进行改进，并将它与具有良好吸波性能的碳纳米管进行复合，利用溶胶-凝胶工艺合成碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料，充分发挥它们的长处，实现良好的吸波性能。

1实验

本实验所用的多壁碳纳米管（外径>50nm，长度为10～20%em）是由中国科学院成都有机化学有限公司中科时代纳米材料中心通过天然气催化裂解法制备得到。实验首先采用浓硝酸冷凝回流和混酸（浓硝酸、浓硫酸）超声处理相结合的方法来对原始碳纳米管进行纯化处理，然后利用溶胶-凝胶工艺合成碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料。

1.1 碳纳米管的纯化处理

（1）氢氧化钠除氧化剂颗粒。将研磨后的碳纳米管投入烧杯中，然后加入浓度为2mol/L的NaOH溶液，置于加热磁力搅拌器中40℃搅拌1h，冷却至室温，静置，置于真空干燥箱内烘干至恒重，备用。（2）浓硝酸的冷凝回流处理。取一定量经过预处理的碳纳米管加入68%的浓硝酸中，于100℃水浴下加热磁力搅拌，沸腾状态下冷凝回流处理24h，冷却至室温，静置，置于真空干燥箱烘干至恒重，备用。（3）浓硝酸、浓硫酸超声波处理。将经过浓硝酸处理后的碳纳米管和体积比为5/2的混合酸（H2SO4/HNO3）放于烧杯中，常温超声处理4h，处理结束后用去离子水洗涤至中性，60℃真空干燥12h即得纯化后的碳纳米管。

1.2 碳纳米管表面包覆钡铁氧体的溶胶-凝胶法制备

1.2.1 实验步骤

按化学计量配比称取一定量的原料，硝酸钡：硝酸铁：柠檬酸=1：12：13（摩尔比），加入水完全溶解后，得到均一透明的混合溶液。

取适量经过纯化处理的碳纳米管加入该混合液中，超聲分散后一边搅拌一边向混合液中滴入氨水，然后加入少量聚乙二醇和阳离子表面活性剂CTAB（十六烷基三甲基溴化铵），电磁搅拌溶解后置于80℃水浴中恒温搅拌蒸发，使之形成湿凝胶，继续磁力搅拌2h后进行真空抽滤，之后置于干燥箱中恒温干燥得到干凝胶，将所得干凝胶置于管式炉中加热，自然冷却后即得样品。

1.3 分析仪器与测试方法

用S-4800型场发射扫描电镜（SEM）观察所制得的样品的微观形貌，D/max-%＼B型X射线衍射仪分析样品的相组成，用Model 4 HF振动样品磁强仪对样品的静磁性能进行测试，用Agilent E8362B PNA系列矢量网络分析仪测试样品的电磁参数并对其吸波性能进行分析。

2结果与讨论

2.1 碳纳米管纯化处理前后的SEM图

图1（a）为酸处理前未经纯化的原始碳纳米管扫描电镜照片，从图中可以看到弯曲的碳纳米管互相缠绕在一起，在碳纳米管的表面及周围附着大量团状和颗粒状物质。图1（b）为经浓硝酸回流处理及混酸超声处理后的碳纳米管的SEM图片。从图中可以看出，碳纳米管表面的杂质已经被除去，碳纳米管进一步被短切成了几百纳米的短管，这有利于碳纳米管的分散，对下一步碳纳米管表面包覆是非常重要的。

2.2 碳纳米管表面包覆钡铁氧体的SEM图

溶胶凝胶法制备碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料的SEM如图2所示，从SEM图像中看出：钡铁氧体或以均匀的涂层包覆于碳纳米管表面或以团聚的形态缠绕于碳纳米管表面，说明成功地合成了碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料。

2.3XRD分析

图3（a）为包覆前的碳纳米管的X射线衍射谱图，从图3（a）可以看出，包覆前碳纳米管的相组成主要为碳；图3（b）为经过钡铁氧体包覆后的碳纳米管的X射线衍射谱谱图，从谱图中可以看出，谱图中有钡铁氧体及中间产物%＼-Fe2O3的衍射峰，由于涂层较薄，因此谱图中出现了基体碳纳米管的碳衍射峰。

2.4 静磁性能测试

图4为碳纳米管表面包覆钡铁氧体后粉末的VSM磁滞回线图，从图中可以看出，粉末的矫顽力Hc为0.225kOe（17.9kA/m），饱和磁化强度Ms为48.6emu/g（48.6Am2/kg），该复合粉末的饱和磁化强度小于理论上的极限值72 Am2/kg，说明样品中钡铁氧体的纯度不是很高，可能是含有%＼-Fe2O3等反铁磁性物相的缘故。

2.5 电磁参数及电磁特性分析

图5为原始碳纳米管与碳纳米管/钡铁氧体复合材料在2-18GHz的测试频率范围内反射率的比较。

由图5可知，原始碳纳米管在测试频率范围内出现两个吸收峰，吸收峰位置分别出现在8.17GHz和16.70GHz，对应的吸收峰值分别为-22.53dB和-16.50dB，最大反射损耗值R = -22.53dB，R<-10dB频宽为8.52GHz；碳纳米管/钡铁氧体复合材料在测试频率范围内出现多个吸收峰，最大反射损耗值R=-14.40dB，R<-10dB頻宽为2.92GHz。相对于原始碳纳米管，虽然表面包覆钡铁氧体的碳纳米管复合材料的吸收峰值变小，但在所测试频率范围内出现多个吸收峰，在多个频段内都有较强的吸收峰，特别在f>12 GHz的高频区出现四个吸收峰，表现出较好的反射特性。

3结论

本实验运用溶胶凝胶法在经过纯化处理过的碳纳米管表面包覆了磁性材料钡铁氧体，根据实验得到如下结论：

（1）通过观察所制备的碳纳米管/钡铁氧体复合粉末的SEM图像和XRD分析可知：碳纳米管表面上较均匀地包覆了一层钡铁氧体。（2）通过对实验所制备的碳纳米管/钡铁氧体复合粉末的磁滞回线分析可知：粉末的矫顽力Hc为0.225kOe（17.9kA/m），饱和磁化强度Ms为48.6emu/g（48.6Am2/kg），具有较好的磁性。（3）碳纳米管/钡铁氧体复合材料的磁损耗比原始碳纳米管要大，相对于原始碳纳米管，虽然表面包覆钡铁氧体的碳纳米管复合材料的吸收峰值变小，但在所测试频率范围内出现多个吸收峰，在多个频段内都有较强的吸收峰，特别在f>12GHz的高频区出现四个吸收峰，表现出较好的吸波特性。

参考文献

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