王佩沛，施劉健，晉傳貴，王 坤

（安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243000）

Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的制備與性能研究

王佩沛，施劉健，晉傳貴，王 坤

（安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243000）

采用水熱法制備不同質量比的Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物，采用X射線衍射分析儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、振動樣品磁強計(VSM)、網(wǎng)絡分析儀對該復合物的成分、形貌、磁性能與電磁性能進行表征與分析。結果表明：部分Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子鑲嵌在石墨的片層之間，其他則覆蓋在石墨表層；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的飽和磁化強度隨著石墨含量的增加而降低；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的復介電常數(shù)虛部大于Mg0.5Co0.5Fe2O4的復介電常數(shù)虛部；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物在15.5～17.0 GHz頻率范圍，其反射損耗低于-15 dB，反射損耗峰值達到-31 dB。

Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨；水熱法；復合物；電磁性能

電氣、通訊設備工作時產生的電磁波輻射致使電磁污染日益嚴重，對此，吸收電磁波的材料應運而生，其中鐵氧體得到眾多學者關注。鐵氧體雖然具有高磁導率與高磁損耗，但是單獨使用時，密度大、匹配厚度大和阻抗匹配差等缺點限制了其廣泛應用。研究表明[1-2]，在鐵氧體中加入介電材料組成復合吸收劑，可增加介電損耗，另可改善阻抗匹配，進而增強材料的吸波效能。Du等[1]在Fe3O4表面進行原位聚合及高溫碳化，合成以Fe3O4為核的核-殼結構Fe3O4@C復合材料，發(fā)現(xiàn)復合材料的吸波性能比Fe3O4更好。Yang等[2]用沉淀法制備出鐵氧體/納米石墨微片（BaFe12O19/NanoG）復合材料，且測試其各項性能，結果表明，與單一BaFe12O19及NanoG相比，BaFe12O19/NanoG復合材料的吸波性能最好。目前鐵氧體的制備方法有溶膠-凝膠法[3]、共沉淀法[4]、水熱法[5]、微乳液法[6]、超聲活化-熔鹽法[7]等，其中采用水熱法制備的粉體一般無需燒結，且在制備過程中難以混入雜質，粒子純度更高，粒徑細小、均勻，晶形好且可控制[8-9]。因此，本文采用水熱法制備尖晶石型Mg0.5Co0.5Fe2O4與石墨的復合物，并對其結構、磁性能及電磁性能進行研究。

1 實 驗

1.1 樣品制備

按Mg0.5Co0.5Fe2O4化學式的金屬元素化學計量比，稱量0.256 g Mg(NO3)2·6H2O(AR級，國藥集團化學試劑有限公司)，1.368 g Fe(NO3)3·9H2O(AR級，國藥集團化學試劑有限公司)，0.292 g Co(NO3)2·6H2O(AR級，國藥集團化學試劑有限公司)等原料，然后將原料放入燒杯中。以上步驟操作3次。再按照Mg0.5Co0.5Fe2O4與石墨的質量比5∶0(1#樣品)、5∶2(2#樣品)和5∶4(3#樣品)分別向3個燒杯中加入0，0.174 4，0.348 8 g石墨粉(CP級，國藥集團化學試劑有限公司)，且分別加入0.68 g固體NaOH(AR級，國藥集團化學試劑有限公司)和70 mL蒸餾水，攪拌并超聲使原料充分溶解、分散均勻，倒入反應釜中。在220℃反應15 h后依次用蒸餾水和無水乙醇(AR級，國藥集團化學試劑有限公司)離心洗滌數(shù)次，至上清液澄清，在60℃下干燥12 h，研磨得到產物。

1.2 樣品表征

采用X射線衍射儀(XRD，Bruker AXS公司)測試產物的相組成；采用掃描電子顯微鏡(SEM，日本JEOL電子公司)觀察產物的形貌；采用振動樣品磁強計(VSM，美國Quantum Design公司)測試產物的磁性能；采用矢量網(wǎng)絡分析儀(N5244A型，安捷倫公司)測試產物的電磁性能。

2 結果與討論

2.1 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的XRD分析

圖1是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的XRD圖。從圖1可以看出：1#樣品在2θ為30°，35°，43°，57°，62°處出現(xiàn)Mg0.5Co0.5Fe2O4的特征衍射峰(JCPDS卡號：36-0398，22-1086)，依次對應(220)，(311)，(400），(511)，(440)晶面，沒有出現(xiàn)雜相衍射峰；2#，3#樣品在2θ為27°，55°處出現(xiàn)石墨晶體的特征衍射峰(JCPDS卡號：26-1076)，對應(002)，(422)晶面。物相的衍射強度與該物相在復合物中的含量有關，所以隨著Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物中石墨含量的增加，其Mg0.5Co0.5Fe2O4特征衍射峰的強度逐漸減弱，而石墨特征衍射峰的強度逐漸增強。

圖1 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的XRD圖Fig.1 XRD patterns of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.2 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的SEM分析

石墨，Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的SEM圖如圖2，其中4#樣品是石墨。從圖2可以看出：1#樣品Mg0.5Co0.5Fe2O4是顆粒狀，分散較均勻；4#樣品石墨具有典型的片層結構，層間距較大，這為Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子進入石墨片層間提供了充足的空間；2#和3#樣品Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物中片層結構消失，顆粒覆蓋和填充了石墨片的表層和層間空隙，說明Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子和石墨片較好地復合在一起。

圖2 石墨，Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的SEM圖Fig.2 SEM images of graphite,Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.3 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的VSM分析

圖3是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的VSM圖。從圖3可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的飽和磁化強度Ms隨其石墨含量的增加而降低，這是由于非磁性的石墨對母體Mg0.5Co0.5Fe2O4的磁性起到了稀釋作用[10]；但是矯頑力Hc隨著石墨含量的增加變化不明顯，這是因為矯頑力的影響因素較復雜，包括化學成分、晶體結構、平均晶粒尺寸、晶格缺陷、形貌和壓力等[11]。

圖3 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的磁滯回線Fig.3 Magnetic hysteresis loops of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.4 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的電磁參數(shù)分析

圖4是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物復介電常數(shù)及復磁導率與頻率的關系曲線。從圖4(a)可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4復介電常數(shù)的實部ε′隨頻率的變化波動不大，而隨著石墨的加入，3#樣品的ε′在16.5 GHz附近出現(xiàn)最小值。從圖4(b)可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4復介電常數(shù)的虛部ε″隨頻率的變化波動不大，而隨著石墨的加入，3#樣品的ε″在16.5 GHz附近出現(xiàn)最大值。由公式[12]

知ε″和ρ成反比例關系。式中：ε0表示自由空間的介電常數(shù)；ρ表示電阻率；f表示頻率。石墨具有良好的導電性，電阻率比Mg0.5Co0.5Fe2O4小，導致Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的電阻率相應比純Mg0.5Co0.5Fe2O4小，所以Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的ε″比Mg0.5Co0.5Fe2O的ε″大。

圖4 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物復介電常數(shù)及復磁導率與頻率的關系曲線Fig.4 Curves of complex permittivity and complex permeability versus frequency of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

從圖4(c)，(d)可以看出，Mg0.5Co0.5Fe2O4復磁導率的實部μ′和虛部μ″都隨頻率的增大而減小，但隨著石墨的加入，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的μ′和 μ″均變小且隨頻率的增大而變化很小。這是石墨為非磁性物質所致。

圖5是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的反射損耗R隨頻率變化曲線。從圖5可以看出 ：與Mg0.5Co0.5Fe2O4的 反 射 損 耗 相 比 ，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物在15.5～17 GHz頻率范圍，其反射損耗低于-15 dB，吸波性能增強，且向著高頻方向移動，3#樣品在16.5 GHz處出現(xiàn)最大反射損耗峰，峰值為-31 dB。這是由于石墨良好的導電性以及Mg0.5Co0.5Fe2O4與石墨之間的相互作用一方面改善了Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的阻抗匹配，另一方面增加了介電損耗，且增加量大于磁損耗減少量。

圖5 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的反射損耗隨頻率變化曲線Fig.5 Curves of reflection loss of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites as a function of frequency

3 結 論

1)采用水熱法成功制備Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物，由SEM結果看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子部分鑲嵌在石墨的片層之間，部分粒子覆蓋在石墨表層，且隨石墨含量的增加變化不大。

2)由VSM分析得出，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的飽和磁化強度隨石墨含量的增加而降低。

3)由電磁參數(shù)分析得出，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物的ε″隨石墨含量的增加，在16.5 GHz處明顯增大，出現(xiàn)最大值；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨復合物在15.5～17.0 GHz頻率范圍的吸波性能良好，反射損耗峰值為-31 dB。

[1]DU Y C,LIU W W,QIANG R,et al.Shell thickness-dependent microwave absorption of core-shell Fe3O4@C composites[J].Applied Materials&Interfaces,2014,6(15)∶12997-13006.

[2]YANG Y Q,WANG J N.Synthesis and characterization of a microwave absorbing material based on magnetoplumbite ferrite and graphite nanosheet[J].Materials Letters,2014,124∶151-154.

[3]張小川，王德平，姚愛華，等.溶膠-凝膠法制備錳鋅鐵氧體粉體的工藝優(yōu)化與分析[J].硅酸鹽通報，2008,27(5)∶937-941.

[4]古映瑩，譚小平，桑商斌，等.用共沉淀法制備尖晶石型錳鋅鐵氧體粉體[J].中南工業(yè)大學學報，2002,33(4)∶364-366.

[5]陳明潔，莊琳，沈輝.水熱法制備稀土摻雜Mn-Zn鐵氧體的研究現(xiàn)狀[J].磁性材料及器件，2012,43(5)∶72-76.

[6]張凌云，管航敏，黎漢生，等.微乳液法制備幾種納米軟磁鐵氧體粉體及磁性能研究[J].人工晶體學報，2011,40(2)∶501-504.

[7]陳洪亮，王樹林，邱迎新.超聲活化-熔鹽法制備BaFe12O19及其磁性能的研究[J].電子元件與材料，2013,32(11)∶31-34.

[8]左從華，晉傳貴，夏愛林，等.鎂鋅鐵氧體粉末的水熱法合成及其矯頑力機理[J].安徽工業(yè)大學學報(自然科學版)，2014, 31(2)∶136-139.

[9]LI X,WANG G S.Low-temperature synthesis and growth of super paramagnetic Zn0.5Ni0.5Fe2O4nanosized particles[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2009,321∶1276-1279.

[10]KWON H J,SHIM J Y,OH J H.The microwave absorbing and resonance phenomena of Y-type hexagonal ferrite microwave absorbers[J].Journal ofApplied Physics,1994,75(10)∶6109-6111.

[11]XIAA L,HU X Z,LI D K,et al.Hydrothermal hexagonal SrFe12O19ferrite powders∶phase composition,microstructure and acid washing[J].Electronic Materials Letters,2014,10(2)∶423-426.

[12]潘樂，晉傳貴，陳以傳.Co0.5Zn0.5Fe2O4/C復合物的制備及電磁性能研究[J].安徽工業(yè)大學學報(自然科學版)，2015,32(2)∶118-122.

責任編輯：何莉

Preparation and Properties of Mg0.5Co0.5Fe2O4/Graphit Composites

WANG Peipei,SHI Liujian,JIN Chuangui,WANG Kun
(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)

Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites of different mass ratios were prepared by hydrothermal method.The composition,morphology,magnetic properties and electromagnetic properties of the composites were analyzed with X-ray diffractionmeter(XRD),scanning electron microscope(SEM),vibrating sample magnetometer (VSM)and network analyzer.The results show that part of Mg0.5Co0.5Fe2O4particles are enchased between graphite layers,others are covered on the surface of graphite layers;the saturation magnetization of Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites decreases with the increase of graphite content;the imaginary part of permittivity of Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites is greater than that of Mg0.5Co0.5Fe2O4;the reflection loss of Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites is below-15 dB at the frequency range of 15.5-17.0 GHz,and the reflection loss peak reaches -31 dB.

Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite;hydrothermal method;composite;electromagnetic property

TB 34

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.004

2016-04-27

國家自然科學基金項目(21071003)；安徽省大學生創(chuàng)新基金項目(AH201410360146)

王佩沛(1990-)，女，安徽安慶人，碩士生，主要研究方向為復合吸波材料制備及性能。

晉傳貴(1966-)，男，安徽無為人，博士，教授，研究方向為功能材料制備與性能。

1671-7872(2016)03-0220-04