正八面体状Fe3O4纳米晶的制备及微波吸收性能研究

庞增德，杨会静



正八面体状Fe3O4纳米晶的制备及微波吸收性能研究

庞增德，杨会静

（唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）

利用溶剂热法，以FeCl3·6H2O为铁源，通过控制矿化剂NaOH的浓度，制备了正八面体形貌的Fe3O4纳米颗粒，并测试了产物的电磁性能和微波吸收能力。结果表明，在厚度为2.0 mm，频率为13.12 GHz时，电磁波的吸收峰可达-33.54 dB，最大有效吸收带宽为3.84 GHz。

Fe3O4；吸波材料；电磁性能；水热法

电子对抗是当今军事界的热点问题，其胜负的关键是微波吸收屏蔽材料的性能[1]。具有多重损耗机制的材料对电磁波有更强的吸收能力，受到人们的关注。具有铁磁性的Fe3O4纳米颗粒就是其中之一，它不仅具有介电损耗机制，还具有磁损耗机制[2]，性能优于单一机制的微波吸收材料，但是存在吸收频带窄的缺点[3-4]。因此，需要通过调控纳米Fe3O4的微观形貌，调节电磁参数，制备出微波吸收能力强、吸收频带宽的材料。本文利用溶剂热法制备了正八面体形貌的Fe3O4纳米晶，对其电磁性能进行研究，测试纳米晶在室温下的介电性能和磁导率，分析材料参数的变化规律。对Fe3O4纳米晶的微波吸收特性进行分析，研究了吸波材料的厚度与吸波效果的关系，为其作为微波吸收材料提供理论依据。

1 实验过程及测试方法

1.1 实验所用原料

乙二醇、三氯化铁、聚乙二醇（PEG6000）、酒精、氢氧化钠，所有试剂均为分析纯。

去离子水。

1.2 溶剂热法制备纳米Fe3O4

量取150 ml乙二醇置于烧杯中，加入4.86 g氯化铁（FeCl3·6H2O），磁力搅拌15 min后超声5 min，重复5次。然后，称量一定量的氢氧化钠加入溶液，搅拌至完全溶解。再称量3.6 g聚乙二醇（PEG6000）加入溶液中，超声处理3 min后在40 ℃环境下磁力搅拌使固体完全溶解。将搅拌后溶液移入反应釜中，200 ℃恒温环境中反应8 h。用酒精冲洗反应釜，将冲洗液连同沉淀一起倒入烧杯中，超声处理15 min后再离心5 min。然后，使用酒精冲洗下层沉淀离心，反复三次。最后，用去离子水离心冲洗三次。对离心后样品进行冻干处理后研磨成粉末，得到纳米Fe3O4颗粒[5-6]。

1.3 产物的表征

材料的形貌测试使用高分辨透射电子显微镜（HRTEM，JEM-2010F）和场发射扫描电子显微镜（SEM，HITACHI S-4800），材料的晶体结构表征测试使用Cu靶的K辐射X射线衍射仪（XRD，Rigaku，D/max-RB，λ=0.154 05 nm），样品磁性能使用振动样品磁强计（VSM, LakeShore 7407）测试[7]。

采用矢量网络分析仪（VNA，Anritsu 3726D）测试磁导率以及介电常数[8]。采用同轴法，将样品与石蜡9:1混合均匀，在20 MPa压力下冷压成外径为7.00 mm，内径为3.00 mm的圆环形测试样，测试频率为2-18 GHz范围的介电性能。采用单层均匀吸波体在金属基板上的情况，根据微波传输线原理，计算反射率损耗，评价材料的微波吸收性能。反射率损耗R由以下公式计算得出：

式中，0为自由空间阻抗，其表达式为[8]：

式中，0是自由空间的介电常数，0是自由空间的磁导率[9]。电磁波从自由空间入射到材料界面的归一化输入阻抗in为[10]：

式中，是光在真空中的传播速度，是电磁波的频率，是吸波材料的厚度，ε和μ分别是材料的相对介电常数和磁导率[11]。

2 Fe3O4纳米晶结构表征及性能研究

2.1 Fe3O4纳米晶形貌分析

对产物进行形貌测试，结果见图1。

（A）SEM；（B）TEM图像

从图中SEM和TEM图像可以看到产物呈现比较规则的正八面体形状，粒径在150 nm左右。

2.2 Fe3O4的XRD及磁性分析

图2所示是纳米Fe3O4颗粒的XRD谱。与Fe3O4的标准衍射峰进行对比，可以确定产物为立方晶系的Fe3O4。不存在杂质晶向衍射峰，说明产物为高纯度Fe3O4[12]。

图2 正八面体Fe3O4纳米晶的XRD图像

图3 正八面体Fe3O4纳米晶的磁滞回线

由图3可见，正八面体Fe3O4表现出铁磁性，所能达到的最大磁化强度为78.24 memu·g-1[13]。

2.3 Fe3O4纳米颗粒的电磁参数

从图4(C)可以看出，八面体状Fe3O4纳米颗粒介电损耗最大值为1.51，磁损耗最大范围为0.05~0.64内。

（A）介电常数；（B）磁导率；（C）正切损耗与频率之间的关系

2.4 Fe3O4的吸波性能

为了评价Fe3O4的吸波性能，根据传输线原理计算了材料的反射率损耗R。通过计算得到Fe3O4颗粒微波吸收性能（反射率损耗R）随频率（2-18 GHz）和厚度的变化关系，选取的厚度为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm，计算结果如图5所示。

图5 Fe3O4纳米晶微波吸收性能随频率变化关系

随着厚度的增加，最强微波吸收峰峰值向低频移动，从16.72 GHz到5.44 GHz。从吸波层厚度来看，除厚度为1.0 mm时外，其他吸收层厚度，在整个频率范围内，都存在超过-10 dB的吸收峰。并且，在2.0-3.0 mm的范围内出现了双峰吸收。尤其是，厚度为2.5 mm和3.0 mm时出现两个吸收峰的强度超过-10 dB[14]。2.5 mm吸收层的吸收峰分别位于6.32 GHz和11.92 GHz，其吸收峰值为-10.90 dB和-16.18 dB；3.0 mm吸收层的两个吸收峰分别位于5.44 GHz和11.12 GHz，其吸收峰值为-12.73 dB和-11.07 dB。正是由于双吸收峰的存在，使其有效吸收宽度（R<-10 dB）分别扩充到3.28 GHz和2.64 GHz。吸收性能达到最强时，厚度为2.0 mm。从13.12 GHz频率出现吸收峰开始，直至峰值达到-33.54 dB，有效吸收带宽为3.84 GHz。而不规则的纳米粉体吸收峰为-22.5 dB，有效吸收带宽为0.75 GHz[15]。八面体状Fe3O4纳米粒子与之相比，吸收峰值提高了49.1%，有效吸收带宽拓展了416%。微波吸收能力提高，可能源于材料特殊的形貌结构和多重电磁弛豫引起的能量消耗。

3 结论

用溶剂热法合成了具有正八面体状的Fe3O4纳米晶，该纳米晶在厚度为2.0 mm时，对电磁波的吸收峰值达到-33.54 dB，其吸收能力超过-10 dB的有效吸收带宽为3.84 GHz。Fe3O4纳米晶在厚度为2.0~3.0 mm时出现了双峰吸收，这有利于拓展吸收材料的吸收频带，从而获得更好的微波吸收性能。

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Preparation of Octahedral Fe3O4Nanocrystals and Their Microwave Absorption Properties

PANG Zeng-de, YANG Hui-jing

(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

In this paper, regular octahedral Fe3O4nanocrystals was successfully prepared using solvothermal method by changing the concentration of mineralizer NaOH, in which FeCl3·6H2O was used as the iron source. The electromagnetic properties and microwave absorption of the product were tested. Theoretical calculations show that the peak value of the absorption peak is -33.54 dB and the maximum effective absorption bandwidth is 3.84 GHz at a thickness of 2.0 mm and a frequency of 13.12 GHz.

ferroferric oxide; absorbing material; electromagnetic property; hydrothermal method

O441.6

A

1009-9115(2019)03-0053-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.03.015

河北省自然科学基金项目（E2015105079），唐山师范学院基金项目（2015A05，2015B03）

2019-03-22

2019-04-15

庞增德（1998-），男，河北沧州人，本科生，研究方向为材料物理学。

（责任编辑、校对：侯 宇）