磁性纳米Fe3O4掺杂电磁波吸收板*

布和巴特尔，梁　岩，莫淑华，王春艳，齐海群

（黑龙江工程学院 材料与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

磁性纳米Fe3O4掺杂电磁波吸收板*

布和巴特尔，梁岩，莫淑华，王春艳，齐海群

（黑龙江工程学院 材料与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

随着社会的发展和进步，电子产品的功能越来越多，使用范围也越来越广泛。与此同时，电磁辐射对环境及人体的影响也越来越大。如何采用有效的办法屏蔽外来辐射、防止电磁辐射对人的伤害，以及减少电磁辐射污染、保护生态环境，已成为亟待解决的问题。本文主要应用复合材料的手糊成型与模压成型工艺，利用Fe3O4粉末增强碳纤维，制得复合电磁波吸收材料。对该材料的吸波性能测试结果表明，用Fe3O4粉末增强的碳纤维具有很好的电磁波吸收功能。而且，其铺层越多，吸收效果越好，亦即吸收效果随着吸收板厚度的增加而增加。

吸收材料；碳纤维；纳米Fe3O4；复合材料

随着科技的发展，电子技术被广泛应用到人们生活中。电视广播、通讯技术的不断普及使射频设备的功率成倍提高，地面上的电磁辐射也随之大幅增加。从而使电磁波污染日益严重，已经严重影响到人类的健康［1，2］。因此，需要研制电磁波吸收材料来解决电磁波污染问题。

Fe3O4是最早被人们发现可以吸收电磁波的材料之一，到目前为止，已广泛应用在各种电磁波吸收领域。Fe3O4虽然具有制备简单、成本低等优点，但由于其电损耗性能差而影响了在更高要求的电磁波吸收领域的应用。因此，近年来对Fe3O4与其它介电损耗型材料复合的研究成为热点。碳纤维是常见的电损耗型吸波材料，应用十分广泛，但是由于其磁损耗性能较差，一定程度上限制了其应用［3，4］。如果以碳纤维为基体，通过掺杂Fe3O4制成复合材料并将其用于吸收电磁波，可以发挥两种材料的优势，从而得到电磁波吸收性能更好的复合材料，以拓宽其在电磁波吸收应用领域［5，6］。

1　实验部分

1.1原材料

碳纤维（carbon fiber，简称CF），六水合氯化铁（FeCl3·6H2O），七水合硫酸亚铁（FeSO4·7H2O），氨水（NH3·H2O），盐酸（HCl），油酸（OA），以上均为分析纯，购自天津科密欧化学试剂开发中心。

1.2材料的制备

1.2.1Fe3O4纳米颗粒的制备以NH3·H2O作沉淀剂，采用化学共沉淀法制备Fe3O4，其反应原理可用下列方程表示：

将摩尔比为2∶1的 FeCl3·6H2O和FeSO4· 7H2O的溶于烧杯中混合，在强力搅拌下将过量50%的NH4OH快速加入烧杯中，并升温到80℃，再加入10%的油酸，继续搅拌100min。以6000r·min-1的速度过滤离心分离，得到油酸包覆的纳米Fe3O4粉。其工艺见图1。

图1　Fe3O4的制备工艺Fig.1　Systhetic process of Fe3O4

1.2.2磁性纳米Fe3O4掺杂电磁波吸收板的制备将模具清洗干净，后在表面涂脱模剂，用吹风机吹干后涂第二层，直至4～6层即可。将剪好的95×95mm碳纤维沾满研磨成粉末的Fe3O4铺在模具中，18～22层。将模具用螺母拧紧后，放在室温下2～4h。将装有材料的模具放在加热器材中，70℃下预热30min，取出模具，重新紧固模具上的螺母。在100℃下加热1h。再加热至125℃，保持2h。取出模具，冷却4h以上。将模具上的螺母小心拧出，取出材料即可。模压成型工艺流程图见图2。

图2　模压成型工艺流程图Fig.2　Compression moulding process of electromagnetic wave absorption plate

利用日本电子公司JEOL JEM-2100透射电镜分析样品的形貌和尺寸。利用Bruker D8型X射线衍射仪测试样品的晶型。用LakeShore 7403振动样品磁强计（VSM）测试样品的磁性。矢量网络分析仪（Agilent N5244A）测试材料的电磁波吸收性能。

2　结果分析

2.1Fe3O4纳米颗粒的表征

首先，用XRD分析了油酸包覆的Fe3O4纳米颗粒，结果见图3。

图3　纳米Fe3O4的XRD图Fig.3　X-ray diffraction of nano Fe3O4

由图3可见，最高峰为311晶面，说明纳米颗粒表面主要以311晶面为主。而且其XRD衍射峰的位置均与标准XRD谱图（JCPDS，No.74-0748）一致。利用谢乐公式计算其粒径的结果是11nm，这和高分辨TEM测试结得到的结果非常吻合的。

2.2Fe3O4纳米颗粒的磁性分析

Fe3O4块体的是典型的亚铁磁性体，但粒径不同时其磁饱和强度、矫顽力、剩磁等磁学指标都产生变化。特别是粒径达到纳米级时其矫顽力和剩磁接近零而表现出超顺磁性。

图4　纳米Fe3O4的磁滞回线图Fig.4　Magnetic hysteresis curves of nano Fe3O4

从图4可以看出，Fe3O4纳米颗粒比饱和磁化强度比较大，为62emu·g-1，Fe3O4纳米颗粒的矫顽力和剩磁均为零，表现出很好的超顺磁性。

2.3Fe3O4纳米颗粒的TEM分析

为了分析Fe3O4磁粉的粒径以及表面晶型我们测试了其TEM，发现Fe3O4磁粉呈现出类球形，其粒径分布为7～15nm，大部分Fe3O4磁粉的粒径都在12nm左右（图5）。

为了更准确分析Fe3O4磁粉表面晶型，测试了高分辨透射电镜图（图5）。发现Fe3O4磁粉表面主要是311晶面，其晶面间距为311晶面的0.24nm。

图5　Fe3O4磁粉的高分辨透射电镜（HTEM）图Fig 5　TEM images and HTEM of Fe3O4

2.4磁性纳米Fe3O4掺杂电磁波吸收板性能分析

目前，常用的吸波材料主要分为磁损耗型和电损耗型两种。Fe3O4磁性纳米颗粒是磁损耗型吸波材料［7］。碳类材料属于电损耗型吸波材料，由于其密度低、稳定性好等优点被广泛应用在吸波领域［8，9］。两种材料的复合有效地优化其电磁波吸收性能。

为了分析Fe3O4掺杂电磁波吸收板复合材料的电磁波吸收性能，测试了其2～18GHz的反射率（见图6）。

图6　纳米Fe3O4掺杂电磁波吸收板的反射率谱图。Fig.6　Reflection loss curves of Fe3O4magnetic nanoparticles panels at different thickness

发现该复合材料在4～10GHz处有很好的电磁波吸收性能，在2～3.5mm厚度范围，随着复合材料的厚度增加，其电磁波吸收效果会有提升，并且其吸收率最高值会向低频段移动，但是到4mm厚度时吸收率反而下降，这就证明了吸收率只与复合材料某一段范围内厚度有关。电磁波最高值是复合材料厚度3.5mm时的4.8GHz频率处，可以达到-19dB。这也证明了Fe3O4材料与碳纤维材料复合会提高其低频段吸收率［10，11］。这种复合板材可能在防护电磁波的很多领域有产业化前景。

3　结论

通过碳纤维与常见的吸波材料Fe3O4的复合，改善了碳纤维的吸波性能，但两种材料的复合比例对吸波性能影响很大，当Fe3O4加入量为30%时吸收性能最好。

（1）利用简单的共沉淀法制备Fe3O4纳米磁粉。TEM照片可以看出，Fe3O4粒径比较小在11μm左右，呈现超顺磁性。

（2）磁性纳米Fe3O4掺杂碳纤维电磁波吸收板厚度在3.5mm时吸收性能最好。这也说明了材料的复介电常数与复磁导率的匹配在材料整体吸收性能提高中起到了非常重要的作用。

［1］ 宣爱国，蒋争光，朱自军，等.纳米尖晶石型涂复材料吸波性能的研究［J］.化学世界，2004.

［2］ 邱琴，张晏清，张雄.尖晶石型纳米铁氧体的制备与吸波性能［J］.材料科学与工程学报，2009.

［3］ 陈宁，王海滨，霍冀川，等，铁氧体吸波材料的制备研究进展［J］.化工新型材料，2009.

［4］ NiS B，Wang X H，Zhou G，et al.Designed synthesis ofwide range microwave absorption Fe3O4-carbon sphere composite［J］.J.Alloy. Compd.，2010.

［5］ 李国显，王涛，薛海荣，等.石墨烯/Fe3O4复合材料的制备及电磁波吸收性能［J］.航空学报，2011.

［6］ 张家杰.国内外碳纤维发展趋势［J］.护工技术经济，2005，（4）.

［7］ 碳纤维在航空航天领域应用进展分析.中国商务部官网，2010-07-12.

［8］ 碳纤维物理性质分析.深圳新闻网，2013-04-1.

［9］ 碳纤维在汽车构件领域应用的最新进展.中国玻璃钢网，2010-07-3.

［10］ S.L.Kadam；K.K.Patankar；V.L.Mathe Dielectric Behavior and Magneto-electricEffect Ni0.75Co0.25Fe2O4of Ba0.8Pb0.2TiO3ME Composites［J］.J.Electroceram.，2002.

［11］ 贾宝富，刘述章，林为干.反雷达涂敷材料中吸收粒子的最佳外形［J］.电子科技大学学报，1990.

Fe3O4magnetic nanoparticles doped with electromagnetic wave absorption panels*

BUHE Bateer，LIANG Yan，MO Shu-hua，WANG Chun-yan，QI Hai-qun
（College of Materials and Chemical Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

With the social development and progress，more and more powerful electronic was producted，and the use was more and more widespread.At the same time，the effects of electromagnetic radiation on the environment and the human body is also growing.How to adopt effective way to shield the external electromagnetic radiation，prevent its injury to persons，reduce its pollution and protectthe environment has become a serious problem. The main subject of the article is the use of hand lay-up and compression molding to prepare an Fe3O4powders reinforced carbon fiber composite electromagnetic wave shielding material The results of wave-absorbing property messurement proved that the Fe3O4powders reinforced carbon fiber has good electromagnetic shielding property. Especially，more coating layers means better shielding effect，that is，the shielding effect is determined by the thickness of the absorbing layers.

absorbing material；carbon fiber；Fe3O4nanoparticles；composite material

TS722

A

2016-07-18

黑龙江工程学院博士科研基金项目（2014BJ12）

布和巴特尔（1976-），男，博士，2013年毕业于黑龙江大学无机化学专业，高级工程师，主要研究方向：磁性纳米材料制备及应用。