摘要本文采用水熱法合成了金屬元素Co摻雜的Mn0.5Co0.5Fe2O4復(fù)合陶瓷材料顆粒，采用X射線衍射儀對(duì)Co摻雜錳鐵氧體納米粒子材料進(jìn)行物相檢測(cè)，透射電子顯微鏡進(jìn)行形貌分析。結(jié)果表明，經(jīng)過175 ℃、10 h熱處理后所得到的復(fù)合陶瓷顆粒晶體化程度較高，特征峰更加尖銳，結(jié)晶度更高。復(fù)合陶瓷材料的形貌主要以不規(guī)則的四邊形、橢圓形、球形為主，沒有產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒直徑尺寸在25 nm左右。

關(guān)鍵詞水熱法；錳鐵氧體；納米材料；結(jié)晶度

0引言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步而快速發(fā)展，其在人們的生活和工作中造成的電磁波污染愈發(fā)嚴(yán)重，并且電磁波污染已經(jīng)被世衛(wèi)組織列為第四大環(huán)境污染源。為了提高軍事力量和維護(hù)國(guó)家安全，人們開始著眼于制造躲避外部雷達(dá)探測(cè)的隱身無人機(jī)等，所以吸波材料的制備引起了科研人員的巨大關(guān)注，納米鐵氧體材料由于吸波強(qiáng)度高、吸收頻帶寬、材料厚度薄、物體重量輕等優(yōu)點(diǎn)被人們進(jìn)行研究，并且納米鐵氧體材料還在生物醫(yī)療、光催化、電容器儲(chǔ)能等領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)。但是，單一組分的納米鐵氧體材料由于易團(tuán)聚、電磁波損耗機(jī)制單一，從而推動(dòng)研究人員采用金屬離子摻雜、改變材料微觀形貌和自身結(jié)構(gòu)，以及制備具有核殼結(jié)構(gòu)的納米鐵氧體材料等方法提升其吸波性能。金屬離子摻雜往往增大其晶格常數(shù)，使晶格發(fā)生畸變，顆粒細(xì)化，在電磁波的作用下，一種或一種以上元素?fù)诫s的納米鐵氧體發(fā)生磁損耗，從而提高吸波性能。核殼包覆鐵氧體不僅可以保留核殼材料自身特點(diǎn)，還可以降低其密度，不易團(tuán)聚，還能有效地拓寬吸波頻帶以應(yīng)對(duì)不同情況的電磁污染。納米鐵氧體吸波性能與材料本身的合成方法、合成工藝等也有著重要關(guān)系，不同的工藝方法和參數(shù)直接影響材料本身的顆粒直徑、微觀形貌等。本文通過水熱法探究金屬元素鈷摻雜的Mn0.5Co0.5Fe2O4制備工藝，并對(duì)樣品進(jìn)行物相和形貌表征。

1實(shí)驗(yàn)

本文采用水熱法制備鈷摻雜錳鐵氧體納米復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)中所用試劑皆為分析純，以氫氧化鈉為沉淀劑，無水乙酸鈉為分散劑，溶劑為去離子水，溶質(zhì)為MnCl2·4H2O、Co（NO3）3·6H2O、FeCl3·6H2O。制備過程中主要設(shè)備有精密電子天平、真空干燥箱、超聲波清洗儀、100 ml聚四氟乙烯反應(yīng)釜、可控磁力加熱攪拌器、瑪瑙研缽等。首先以Mn2+、Co2+、Fe3+的摩爾比為1∶1∶4的比例稱取MnCl2·4H2O、Co（NO3）3·6H2O、FeCl3·6H2O溶質(zhì)放入準(zhǔn)備好的燒杯中，加入30 ml的去離子水進(jìn)行充分溶解靜置，隨后配制30 ml的1.5 mol/L的氫氧化鈉溶液，稱量無水乙酸鈉備用。用一次性膠頭滴管吸取氫氧化鈉溶液，逐滴加入金屬鹽溶液進(jìn)行均勻混合，直至pH值約為11，之后將無水乙酸鈉緩慢倒入溶液，將溶液放在可控磁力加熱攪拌器上勻速攪拌30 min，攪拌完成后將溶液倒入提前用去離子水清洗好的反應(yīng)釜中，檢查氣密性，放入真空干燥箱進(jìn)行不同溫度下10 h的熱處理和200 ℃下不同加熱時(shí)間的熱處理，熱處理之后的樣品用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵進(jìn)行磁分離，并使用無水乙醇和去離子水對(duì)黑色產(chǎn)物反復(fù)進(jìn)行五次洗滌，確認(rèn)上清液清澈后放入設(shè)置溫度為80 ℃的真空干燥箱干燥6 h，用瑪瑙研缽研磨后制得樣品。

本文采用日本理學(xué)UltimaⅣ型號(hào)X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試，其為CuKα靶輻射，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，掃描角度為10 °～90 °，掃描速率為10 °/min。采用加速電壓為200 kV的FEI TALOS 200X型號(hào)透射電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行晶體形貌表征。

2鈷摻雜納米錳鐵氧體的物相分析

2.1不同熱處理時(shí)間對(duì)錳鈷鐵氧體的影響

本實(shí)驗(yàn)采用水熱法是為了所得樣品不易團(tuán)聚，為了研究熱處理時(shí)間對(duì)納米錳鈷鐵氧體復(fù)合材料的影響，將所配置的溶液放置在溫度均為200 ℃，恒溫?zé)崽幚頃r(shí)間分別為6 h、8 h、10 h的真空干燥箱中，并將所得黑色產(chǎn)物分別用X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，所得XRD結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以得出，三次不同熱處理時(shí)間下均成功制備出了結(jié)構(gòu)為面心立方的尖晶石相鐵氧體，其特征衍射峰分別為（220）（311）（222）（400）（422）（511）（440）和（533），彌散峰強(qiáng)度較低，說明基本無雜峰出現(xiàn)。經(jīng)過比較，Mn0.5Co0.5Fe2O4的XRD的特征衍射峰在熱處理時(shí)間為10 h時(shí)峰值強(qiáng)度最高，說明產(chǎn)物晶體化程度高，在此熱處理溫度下更有利于結(jié)晶。

2.2不同熱處理溫度對(duì)錳鈷鐵氧體的影響

采用水熱法制備前驅(qū)體Mn0.5Co0.5Fe2O4溶液，將其分別放在150 ℃、175 ℃和200 ℃三種不同的熱處理溫度，恒溫?zé)崽幚頃r(shí)間均為10 h的真空干燥箱中，然后利用X射線衍射儀對(duì)得到的三個(gè)產(chǎn)物進(jìn)行表征分析，所得XRD結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)過圖2分析得出，三個(gè)產(chǎn)物的物相均與其標(biāo)準(zhǔn)卡片相吻合，彌散峰的強(qiáng)度較低，說明基本沒有伴隨產(chǎn)生其他雜質(zhì)，且均為尖晶石相鐵氧體。隨著熱處理溫度從150 ℃升高到175 ℃，Mn0.5Co0.5Fe2O4的特征衍射峰強(qiáng)度最高，繼續(xù)隨著溫度升高到200 ℃，特征衍射峰強(qiáng)度略微降低，所以相對(duì)比較來看，Mn0.5Co0.5Fe2O4在175 ℃的熱處理溫度下的晶體化程度高，特征衍射峰尖銳，晶粒成型更完善。

3鈷摻雜納米錳鐵氧體的形貌分析

圖3為黑色固體粉末Mn0.5Co0.5Fe2O4在175 ℃溫度下經(jīng)過10 h熱處理后，經(jīng)過透射電子顯微鏡檢測(cè)得出的微觀形貌圖。從圖中可以看到，Mn0.5Co0.5Fe2O4的最大粒徑?jīng)]有超過100 nm，基本都低于50 nm，顆粒的直徑尺寸在25 nm左右，形狀主要以不規(guī)則的四邊形、橢圓形、球形為主，說明其屬于納米材料。采用水熱法后，樣品沒有產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，說明其分散性得到了提升，這是因?yàn)樵诟邷?、高壓環(huán)境下，反應(yīng)物的擴(kuò)散性更強(qiáng)，分子間的相互作用減弱，而且水作為極性溶劑具有良好的溶解性和擴(kuò)散性，可以促進(jìn)反應(yīng)物的快速反應(yīng)和擴(kuò)散，有利于產(chǎn)物的分散，并且加入了無水乙酸鈉用來調(diào)控反應(yīng)物的形態(tài)和尺寸，幫助穩(wěn)定產(chǎn)物分散狀態(tài)，從而有利于產(chǎn)生更小尺寸和更均勻分布的顆?；蚪Y(jié)構(gòu)。

4結(jié)論

綜上所述，本文采用水熱法制備鈷摻雜的納米錳鈷鐵氧體復(fù)合陶瓷顆粒，XRD結(jié)果可以看出鈷摻雜后形成了立方尖晶石結(jié)構(gòu)。分析TEM結(jié)果得出，晶體形態(tài)主要以不規(guī)則的四邊形、橢圓形、球形為主，顆粒直徑基本都低于50 nm，大部分直徑在25 nm左右。本文所制備的納米鐵氧體材料在組分上摻雜了鈷元素，可以彌補(bǔ)單一組分錳鐵氧體的不足，有利于復(fù)合陶瓷材料下一步在電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)以及機(jī)械性能等方面的研究和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202010430072）。