CoFe2O4/石墨烯复合材料的吸波性能研究

2022-04-16刘畅王乐聪贾滢滢马小航魏义永訾振发

当代化工研究 2022年6期

＊刘畅王乐聪贾滢滢马小航魏义永訾振发

（合肥师范学院物理与材料工程学院安徽 230601）

1.引言

随着人们对电磁屏蔽技术、隐身技术研究的日益重视[1]，尤其对吸波材料性能要求的提高，新型吸波材料已成为人们研制和开发的重点之一。随着科技对吸波材料的尺寸、密度、吸波性能及吸波带宽等的要求越来越高，传统的吸波材料已不能达到要求，所以必须研制新的吸波材料[2]。根据目前吸波材料的研究进展，如何利用不同组分复合吸波材料的优异性能，使其既具有磁损耗又具有电损耗的材料将会成为吸波材料未来的要求和发展方向。

兰徐东[3]等分别采用了共沉淀法和水热法制备了石墨烯/Fe3O4复合粉体，实验表明水热法制备得到的复合粉体的性能较共沉淀法制备得到的复合粉体的性能好。张媛媛[4]通过实验制备了石墨烯和NiFe2O4的复合材料,她称取了不同质量的氧化石墨烯，通过调整复合材料石墨烯的复合比例，吸波材料的性能将会发生哪些变化，实验结果表明，当石墨烯的含量增加时，复合材料[5]和纯的铁酸镍材料相比较而言，复合材料的吸波性能明显提高了，尤其是当加入的氧化石墨烯的质量为0.15g时，复合材料的吸波性能与其他的样品相比较是最好的，从而展现出了最优异的吸波性能。龚璇[6]等利用溶胶-凝胶法合成了以碳纳米管为基的钡铁氧体复合材料，研究结果表明钡铁氧体均匀地包覆在碳纳米管表面，碳纳米管/钡铁氧体在多个频段内都具有较强的吸收峰，尤其在大于12GHz的高频区内出现了四个吸收峰，吸波性能良好。本文所制备的复合材料中的钴元素来自于Co(NO3)2•6H2O，铁元素它是来自于Fe(NO3)3•9H2O，实验过程中使用的方法是水热法，制备出了我们所需要的复合材料并分析了复合材料吸收电磁波的能力。

2.实验

(1)材料制备

首先要称取适量的Co(NO3)2•6H2O和Fe(NO3)3•9H2O，并且预先规定好CoFe2O4和氧化石墨烯的比例分别为10:0、10:1、10:2、10:3、10:4以及10:5，于是我们便得出所要称取的氧化石墨烯的含量分别为0g、0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g，准确地称取0g、0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g氧化石墨烯，再把它们分别倒进6个烧杯中，之后再向每只烧杯中倒入约60mL的去离子水，再将烧杯放到仪器中超声1h后得到溶液备用。接着分别称取0.1164g六水硝酸钴和0.3232g九水硝酸铁，将其缓慢倒入上述6个烧杯中，再将烧杯继续放入超声波清洗器中超声30min使原材料充分溶解，分散均匀。紧接着将上述6个烧杯转移至通风橱内，打开通风橱的开关，吸取适量的氨水，逐滴地向上述烧杯中滴加氨水，之后将烧杯内的固液混合物混合均匀，缓慢地将溶液滴在试纸上，之后仔细地观察pH试纸的颜色，直到pH值在9附近，此时便停止滴加氨水，然后将6只烧杯继续超声30min。紧接着便向上述烧杯中滴加水合肼，分别滴加0滴、1滴、2滴、3滴、4滴、5滴水合肼于上述依次编好号的烧杯中，小心地将烧杯内的固液混合物搅拌均匀。取6只聚四氟乙烯内胆，清洗并吹干，然后将溶液倒进去，放入干燥箱内，在180℃的环境下持续20h，待反应釜被我们取出后，则将里面的混合物全部转移到干净的烧杯中，接下来便需要洗涤溶液，需要将固液混合物进行干燥。将上述6个烧杯放入干燥箱内，干燥箱中温度为60℃，进行干燥，过了20h后取出来，再倒入研钵内进行接下来的研磨工序，研磨完成之后，将样品收集装好。如此，我们便得到了质量比分别为10:0、10:1、10:2、10:3、10:4和10:5的CoFe2O4/石墨烯复合材料。

(2)性能表征

利用日本理学D/max-ra型X射线衍射仪对所得样品进行物相分析将样品置于X射线衍射光谱仪中，由于电磁波会与样品物质发生衍射作用，便会产生各自的衍射花样，这样就形成了衍射峰[7]。根据衍射峰所处的位置，以及衍射峰的方向和强度，便可以进行数据的处理，得到我们所需要的信息。用红外光谱分析其中的官能团得到我们需要的信息，测试磁滞回线，测试的同时需要记录所称取样品的质量，根据磁滞回线，我们可以分析出样品的一些参数。最后用矢量网络分析仪进行吸波性能[8]的测定。

3.结果与讨论

(1)物相分析

图1为我们所测得的XRD谱图，经过软件分析，我们发现复合材料中存在5个特征衍射峰，从图中我们可以看出，复合材料的特征衍射峰与纯的铁酸钴纳米材料的特征衍射峰是一样的的，材料复合以后并没有改变峰的位置，这便表明氧化石墨烯的加入并没有改变CoFe2O4的晶体结构，在石墨烯/CoFe2O4复合材料中[9-15]，随着氧化石墨烯含量的增加，复合材料的衍射峰的强度也随之增强，这表明复合材料的结晶能力较纯CoFe2O4材料变强了。

图1 复合材料的XRD谱图

(2)形貌分析

图2（a）从直观上看，它就像一个个小的米粒状结构，粒子近似椭圆形，图2（b）为加入了0.02g的氧化石墨烯的样品的形貌图像，外形呈米粒状。与图2（a）相比较，我们发现当加入了氧化石墨烯后，紧密聚集的现象减弱了，石墨烯使铁氧体颗粒均匀地分布，有效抑制复合材料中可能出现的团聚现象。

图2 样品形貌图片

(3)红外分析

下图是实验中测得的各个样品的红外谱图，图3(a)表示的是纯的铁酸钴，图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)表示的是铁酸钴与加入的石墨烯的比例分别为10:1，10:2，10:3，10:4和10:5，图3(g)表示的是氧化石墨烯。从图3中可以看出，这7条曲线在波数为3420cm-1附近都有一个峰，这对应的是（-OH）的吸收峰。

图3 样品的红外吸收光谱图

对于氧化石墨烯来说，它在波数为1623cm-1处是羧酸离子（-COOH）的吸收峰，1405cm-1附近是羧基的C-O键的吸收峰，在波数为1033cm-1时的吸收峰是（C-O）的吸收峰。这也就反映了实验过程中使用的氧化石墨烯质量很好，有很多含有元素O的官能团，石墨烯被充分的氧化。

另外可以发现，纯的铁酸钴材料在波数为583cm-1和403cm-1附近时，有两个吸收峰，这两个吸收峰和尖晶石型铁氧体的吸收峰是对应的，这也就从侧面表明我们所制备的铁酸钴样品是立方尖晶石型结构的。同时，我们将所制备的复合材料与纯的铁酸钴材料相对比，发现复合材料在波数为583cm-1和391cm-1附近都是有明显的吸收峰的，这就说明我们所制备的复合材料中是存在铁氧体颗粒的。

将复合材料与纯的铁酸钴相比较，发现各个峰所在的位置都是很统一的，没有发生偏离现象，这就说明氧化石墨烯和铁酸钴材料复合得很好；而且在波数为583cm-1和391cm-1附近时，复合材料也是有吸收峰的，这就表明加入氧化石墨烯并没有改变铁酸钴的结构。

图4 系列样品的磁滞回线图

(4)磁性能分析

通过对各个样品的磁滞回线进行测试。

根据磁滞回线可以分析出样品的磁性，本次实验过程中制备的样品相关的磁性表征数据如下所示：

由表1我们可以发现，纯的铁酸钴材料的磁性是最强的，这表现为Hc，Ms，Mr的数值都较大，当加入氧化石墨烯后，复合材料的磁性有所降低，所加入的GO的量越多，磁性越弱，这是因为GO是没有磁性的。

表1 样品的磁性

续表

(5)吸波性能分析

通过测试样品的吸波性能，我们得到了一系列数据，当频率在0～18GHz内，设定吸波层的厚度为2.0mm时，我们得到了样品的反射损耗与频率之间的关系图像，如下所示：

从图5中我们可以发现，纯的铁酸钴材料总体变化的趋势较为平缓，吸收频带较宽，吸收电磁波的能力较弱，最大衰减值为-3.29dB。当加入了氧化石墨烯后，我们发现其他样品的反射损耗比铁酸钴材料低，这也就表明加入了氧化石墨烯后，材料的吸波性能较铁酸钴材料有了明显的提升。当CoFe2O4与石墨烯的比例为10:1时，材料在3.2GHz，反射损耗最大，为-4.43dB。当CoFe2O4与石墨烯复合材料的比例为10:2、10:3、10:4时，它们在7.0GHz附近都有明显的峰，吸收电磁波的能力在增强，最大反射损耗分别为-7.16dB、-10.25dB、-12.24dB。当CoFe2O4与石墨烯的比例为10:5时，样品在14.8GHz时，最大反射损耗为-10.40dB。通过对比发现，铁酸钴与石墨烯复合材料的比例为10:4时，吸波性能最佳。