侯來廣 任雪潭

摘 要：尖晶石型鎂鐵氧體由于其具有較好頻率特性和良好的光譜選擇吸收性能使其成為重要的吸波材料。其磁各向異性比其它帶有磁矩的金屬陽離子尖晶石型鐵酸鹽類要低，被廣泛用做防止電磁波輻射設備、隱身材料以及紅外輻射材料的吸波劑，具有價格低廉、吸波性能優(yōu)良等特點。本文以氧化鎂和氧化鐵為主要基本原料，采用固相法進行MgFe2O4粉體材料的制備研究。運用X 射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）對粉體形貌和結(jié)構進行測試。探索配比、燒成溫度、保溫時間、燒成方式等工藝條件的最佳值。并在最佳制備條件下成功制備了純度較高、質(zhì)量較好的鎂鐵氧體。

關鍵詞：固相法；鎂鐵氧體；吸波材料；紅外輻射材料

1 前言

紅外輻射材料通常的使用形式包括：紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等。紅外輻射涂料涂覆在熱物體表面構成紅外輻射體。紅外輻射涂料一般都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材料。常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等[1]。鐵系尖晶石型鐵氧體具有很高的紅外輻射率，有“黑陶瓷”之稱[2]。

目前具有應用價值的鐵氧體有三種基本類型：尖晶石型鐵氧體、磁鉛石型鐵氧體、石榴石型鐵氧體[3]。由一種金屬離子替代而成的鐵氧體稱為單組分鐵氧體。由兩種或兩種以上的金屬離子替代可以合成出雙組分鐵氧體和多組分鐵氧體。鎂鐵氧體（MgFe2O4）就是單組分鐵氧體。鐵氧體具有較高的電阻率，在高頻不易產(chǎn)生趨膚電流，因而在高頻具有較高的磁導率；此外，鐵氧體的介電常數(shù)較小，可與其它吸波材料混合使用來調(diào)節(jié)吸波涂層的電磁參數(shù)[4]。鐵氧體吸波材料是較為成熟的吸波材料，具有價格低廉、吸收效率高、頻帶寬等優(yōu)異特性，可用于制造高溫型紅外輻射涂料。本實驗采用固相法進行鎂鐵氧體的制備研究，進而為紅外輻射粉體的應用提供實驗支持。

2 實驗部分

2.1化學試劑

2.2 儀器與設備

2.3實驗設計

為了確定制備高純度鎂鐵氧體的最佳工藝條件，采用單因素實驗法進行鎂鐵氧體粉末制備的研究。同時考慮氧化鎂與氧化鐵摩爾比、燒成溫度、保溫時間和加熱方式等對合成的影響，具體實驗方案如表3、表4所示。

2.4 實驗過程

（1）根據(jù)設計的配比，稱取一定量的氧化鎂和氧化鐵粉末。

（2）用瑪瑙研缽研磨1h使兩種粉體充分混合均勻。

（3）根據(jù)實驗設計的溫度及保溫時間在高溫電阻爐中進行煅燒。

（4）制得的粉體進行X射線衍射、掃描電鏡分析表征以確定它的成分、純度及形貌等。

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)實驗設計得到對應的樣品，樣品純度、顏色見表4所示。

3.1 氧化鎂與氧化鐵配比影響

對比分析實驗1、2、3、4、5，在燒成溫度為1250℃，保溫時間為3 h的相同條件下，分別煅燒配比不同的原料，得到的產(chǎn)物在顏色純度方面存在明顯差異。因氧化鎂、氧化鐵原料中本身含有雜質(zhì)，考慮原料的實際純度，配置氧化鎂、氧化鐵摩爾比分別為1：0.84、1：0.92、1：1.00、1：1.08、1：1.16進行試驗。通過對產(chǎn)物進行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，實驗1、2的產(chǎn)物中含有剩余的氧化鎂和少量氧化鐵及少量雜質(zhì)；實驗4、5的產(chǎn)物含中氧化鐵剩余；故只有當氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1時，生成產(chǎn)物的純度最佳。

3.2燒成溫度的影響

對比分析實驗3、6、7、8，在氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，保溫時間為3 h的相同條件下，燒成溫度分別為1250℃、1200℃、1150℃、1100℃。實驗3中燒成溫度為1250℃，已經(jīng)在合成鎂鐵氧體的溫度區(qū)間內(nèi)，生成純度較高的目標產(chǎn)物。實驗6、7中燒成溫度分別為1200℃、1150℃，分析產(chǎn)物可知，固相反應已經(jīng)發(fā)生有鎂鐵氧體生成，同時也含有中間鐵氧體及少量雜質(zhì)。在實驗8中，燒成溫度為1100℃，通過物相分析可知樣品中幾乎沒有鎂鐵氧體生成。對比實驗9、11、13，當物料摩爾比為1：1，保溫時間為4 h的同等條件下，燒成溫度分別為1100℃、1150℃、1200℃時，實驗9中幾乎不含目標產(chǎn)物，固相反應未發(fā)生。實驗11中含有目標產(chǎn)物同時也含有其他的中間鐵氧體及雜質(zhì)。實驗13制得的樣品通過分析發(fā)現(xiàn)純度較高，雜質(zhì)含量最少。綜上，合成鎂鐵氧體的最佳工藝條件為：燒成溫度1200℃，保溫時間4 h。

3.3保溫時間的影響

對比實驗8、9、10，在氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，燒成溫度為1100℃的相同條件下，保溫時間分別為3 h、4 h、5 h。最終得到的產(chǎn)物其顏色為褐色，與生料的顏色接近。通過X射線衍射分析可知：產(chǎn)物中主要含有未反應的氧化鎂和氧化鐵及很少量的中間鐵氧體。對比實驗7、11、12，在氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，燒成溫度為1150℃的相同條件下，保溫時間分別為3 h、4 h、5 h。得到的產(chǎn)物顏色為紫褐色且顏色由淺變深。通過X射線衍射儀分析，紫褐色微細粉體中均含有目標產(chǎn)物鎂鐵氧體，同時還含有未反應的氧化鎂、氧化鐵和少量的其他雜質(zhì)。說明固相反應在1150℃時已經(jīng)發(fā)生，延長保溫時間可以為反應提供更多的能量。所以保溫5 h比保溫3 h制得的樣品純度更高，未反應的原料及雜質(zhì)含量更少。綜上：當燒成溫度未達反應溫度時，延長保溫時間對反應的進行幫助甚微，當燒成溫度達到反應溫度時，延長保溫時間可以使反應進行得更徹底。

3.4合成產(chǎn)物的物相和顯微結(jié)構分析

圖2是氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，燒成溫度為1200℃，保溫時間為4 h的條件下制得的鎂鐵氧體的X射線衍射圖，在圖中2θ為30.0°、35.4°、43.0°、53.0°、56.8°處出現(xiàn)了較強的特征衍射峰，與鎂鐵氧體的標準衍射峰一致，說明所制得的主要物質(zhì)為MgFe2O4。而在2θ為33.15°、35.611°處出現(xiàn)Fe2O3的特征衍射峰，但相對強度極弱，說明樣品中所含的Fe2O3雜質(zhì)極少。在此工藝條件下制得的MgFe2O4固體顆粒純度最高。

圖3為氧化鎂與氧化鐵摩爾比1：1，燒成溫度1200℃，保溫4 h的條件下制備的鎂鐵氧體的SEM照片，從圖中可以看出粒徑比較均勻，顆粒形狀不規(guī)則。

4 結(jié)論

（1）通過實驗發(fā)現(xiàn)對產(chǎn)物純度的影響因素從大到小依次為原料配比、燒成溫度、保溫時間。

（2）在實驗范圍內(nèi)合成鎂鐵氧體的較佳條件為：考慮氧化鎂和氧化鐵原料的實際純度，其物質(zhì)的量之比為1：1，合成溫度為1200℃，保溫時間為4 h的條件下可以合成出粒徑均勻，純度最高的MgFe2O4粉體。

參考文獻

[1] 任曉輝， 張旭東， 何文等. 紅外輻射材料的研究進展及應用[J]. 現(xiàn)代技術陶瓷， 2007， 28（2）： 26-31.

[2] 閆國進. 尖晶石型鐵氧體紅外輻射陶瓷的結(jié)構與性能研究[J]. 河南科學， 2006， 24（4）： 493-495.

[3] 周必雄. 論鐵氧體涂料的輻射特性[J]. 紅外技術， 1985， 2： 16-20.

[4] Sivakumar N， Narayanasamy A， Greneche J M， et al. Electrical and magnetic behaviour of nanostructured MgFe2O4 spinel ferrite[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2010， 504（2）： 395-402.