静电纺丝制备镁铝尖晶石纤维及其电磁波特性研究

尹增辉 许凯政 崔燚 王梦波 周士杰 张晓轩 骆壮 宋梓豪 魏恒勇

摘  要  本文采用静电纺丝技术制备镁铝尖晶石前驱体纤维，经干燥、煅烧后得到镁铝尖晶石纤维。采用XRD和SEM研究纤维相组成、显微结构，使用网络分析仪测定其电磁参数，研究其电磁损耗性能。结果表明，经900 ℃煅烧时制备出镁铝尖晶石纤维，其介电损耗因子和磁损耗因子无明显波动，数值较小，说明其没有微波损耗，具有透波特性。

关键词  静电纺丝法;镁铝尖晶石纤维;耐高温特性;电磁波特性

0  引  言

镁铝尖晶石（MgAl2O4）纤维因其自身具有高熔点、低密度、较低的热膨胀系数和热导率，以及良好的微波透过性和化学稳定性等优点，有望成为微波加热腔的理想材料。目前，关于制备镁铝尖晶石纤维的研究仍相对较少，其生产方法主要包括干法纺丝法、提拉法和气相沉积法等。采用提拉法、干法纺丝法制备的镁铝尖晶石纤维长径比小、不连续且易断裂，其直径较粗，多为微米级。虽然气相沉积法能够制备纳米级镁铝尖晶石纤维，但该方法合成温度较高且制备工艺过程较难控制。因此，具有制备工艺简单、合成温度低等优点的静电纺丝技术逐渐应用于陶瓷纤维制备，除此之外，电纺纤维还具有长径比大，直径为纳米级和良好的柔性。目前，采用静电纺丝法已经成功制备出氧化钛、氧化铝、氧化硅和莫来石等纤维。

然而，目前通过电纺制备镁铝尖晶石纤维的相关研究仍相对较少，例如，Dong等以Mg（NO3）2·6H2O、Al（NO3）3·9H2O为原料，Cr（NO3）3·9H2O为掺杂相，采用静电纺丝技术成功制备出MgAl2O4：xCr3+纤维，但其合成温度相对较高，达到1 100 ℃，所得纤维直径约1 μm，相对较粗。我们采用静电纺丝技术成功制备出镁铝尖晶石纤维，纤维直径较小，耐高温性能优异。因此，本实验采用静电纺丝法制备前驱体纤维，经高温煅烧得到镁铝尖晶石纤维，并研究其电磁波特性，探讨其作为微波加热腔的可行性。

1  实验部分

1.1实验原料

无水乙醇（EtOH）、N-N二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mn=1300 000）、Al（NO3）3·9H2O及Mg（NO3）2·6H2O，均購买于上海阿拉丁试剂网，纯度为分析纯。

1.2镁铝尖晶石纤维的制备

按镁铝尖晶石摩尔计量比Mg：Al=1：2，称取1.3 52 3 g的Al（NO3）3·9H2O、0.455 6 g的Mg（NO3）2·6H2O将其溶解在20 ml的EtOH溶液中，同时加入1.336 0 g的PVP及3 g的DMF，搅拌2 h后得到均匀的前驱体溶液，然后将其转移到静电纺丝装置上，按以下纺丝参数进行前驱体纤维的制备：纺丝电压为15 kV，纺丝流速为1.0 ml/h，接收距离为15 cm，经一段时间后得到前驱体纤维，将前驱体纤维于80 ℃下干燥24 h，在900 ℃下保温1 h后得到样品。

1.3测试与表征

采用X射线衍射仪（日本理学株式会社D/MAX2500PC型）分析所得产物的物相组成，扫描速度为10 °/min，扫描角度为10～80 °，靶材为Cu靶Kα。利用扫描电子显微镜（日本理学株式会社S-4800型）进行形貌表征。将合成的纤维与石蜡按照纤维质量分数为20 wt%混合均匀，利用模具在一定压力下制成外径7 mm、内径3.4 mm、厚度约4 mm的同轴环，使用矢量网络分析仪（中电41所AV3656D型）在2-18GHz频段进行电磁参数测试。

2  结果与讨论

2.1纤维组成与结构表征

对所制备的样品进行XRD测试，结果如图1所示。可以看出，当煅烧温度为900 ℃时，纤维中物相发育良好，其特征衍射峰较为尖锐，与标准PDF卡片比对后发现，在2θ值为65.52°、44.98°和36.82°处出现的三个强衍射峰，为镁铝尖晶石的三强峰，这些峰与面心立方镁铝尖晶石晶体的（440）、（400）和（311）晶面所对应，衍射峰中未出现其他物相的衍射峰，因此表明制备的材料为MgAl2O4晶型，且物相较纯。

镁铝尖晶石纤维的微观形貌表征如图2所示，样品形貌呈现出纤维状，且连续性较好，长径比较大，但纤维的直径粗细较为均匀，纤维直径分布在200～500 nm之间。

2.2电磁损耗性能

使用网络分析仪测定的镁铝尖晶石纤维电磁参数，得到其在2～18 GHz范围内的复介电常数和复磁导率随频率变化的曲线，见图3。

从图中得到的数据分析可知，镁铝尖晶石纤维的复介电常数实部及虚部、复磁导率实部及虚部几乎不随频率变化，且数值很小。为此，进一步分析其介电损耗因子和磁损耗因子如图4所示。

结果发现，镁铝尖晶石纤维的介电损耗因子和磁损耗因子无明显波动，且数值较小，基本上可以认为没有损耗。对制备出的镁铝尖晶石纤维进行电磁参数的测试后，对不同厚度下的RL进行计算，其计算结果如图5所示。

可以看出，不同厚度下多孔镁铝尖晶石纤维微波损耗效果很差，RL最低值仅为-2dB，这说明镁铝尖晶石纤维不具备吸波性能，预测其具有透波性能，为此其有望用作为微波加热腔的腔体保温与透波材料。

3  结  论

使用静电纺丝法可以制备出物相纯度较高、长径比大、直径较为均匀的镁铝尖晶石纤维，其介电损耗因子和磁损耗因子数值较小，基本上可以认为没有损耗，推测其具有一定的透波特性。

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