微波辅助制备Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物及其吸波性能

摘 要： 以锈蚀废弃的纳米铁粉作为原材料，利用简单经济、没有惰性气体和催化剂使用的微波辅助法首次制备新型Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物。采用X射线衍射仪（XRD），扫描电镜（SEM），透射电镜（TEM）和振动样品磁强计（VSM）等设备对制备样品的成分、形貌、结构、磁学特性进行测试表征。结果表明制备的纳米复合粒子呈现立方晶相，平均粒径约为55 nm，并且分布均匀，具备超顺磁性。当制备的Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物吸收层厚度为2 mm时，在11.5 GHz达到了最佳的反射损耗-27.2 dB，并且在1.5～3.0 mm的吸收层范围内超过-10 dB有效反射损耗带宽是3 GHz。因此，新型Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物可以作为一种很好的吸波材料。

关键词： 纳米复合物； 磁性材料； Fe/Fe3O4/ZnO； 微波方法

中图分类号： TN205⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）09⁃0143⁃04

Abstract： Fe/Fe3O4/ZnO nanocomposites are firstly prepared by the method of microwave⁃assisted， which is economic and without inert gas and catalyst， with waste rusty iron nanoparticles as the materials. The component， morphology， structure， magnetic property of the prepared samplies are tested by X⁃ray diffractometer （XRD）， scanning electron microscopy （SEM）， transmission electron microscopy （TEM） and vibrating sample magnetometer （VSM）. Experiment results indicate that the prepared nanoparticles with the character of cube⁃like crystalline phase， the average diameter size are 55 nm， and superparamagnetism. When the absorption thickness is 2 mm of the prepared Fe/Fe3O4/ZnO nanocomposites， the optimal reflection loss of -27.2 dB at 11.5 GHz is achieved， when the reflection loss exceeds -10 dB the effective absorption bandwidth is 3 GHz in the thickness range 1.5～3.0 mm. So the Fe/Fe3O4/ZnO nanocomposites are good microwave absorbing materials.

Keywords： nanocomposite； magnetic material； Fe/Fe3O4/ZnO； microwave method

0 引 言

近几十年来，随着科技的高速发展，人们对材料的特性要求越来越苛刻，单一特性的材料难以满足需求。因此，制备具有多种特性的纳米复合材料已成为近几年的研究热点[1⁃2]。含有磁性特性的纳米复合材料，以其优异特性，在微波吸收[3]，电磁屏蔽[4]，磁记录[5]，医疗[6]等领域引起了广泛的关注。在大量制备纳米复合材料的过程中，应用最多的磁性材料是铁纳米粒子。铁纳米粒子由于其较大的饱和磁强度[7]和更高的Snoek′s限制[8]，已被作为传统的微波吸收材料广泛地应用于吸波领域。然而，由于较高的易氧化性，涡电流效应引起高频磁导率下降的缺陷，严重影响其实际应用。为解决上述问题，科研工作者采用对铁纳米粒子表面修饰的方法来抑制涡电流效应和增加铁纳米粒子的稳定性。Liu等采用电弧放电法制备了ZnO@Fe纳米胶囊[1]，并且发现制备的样品表现出良好的吸波性能。Ni等使用催化剂可控的化学还原法制备了Fe@SiO2[9]，通过在铁纳米粒子覆盖二氧化硅，使铁纳米粒子更加稳定，同时也改善了铁纳米粒子的吸波性能。Harun Bayrakdar采用催化剂辅助的水热法制备了CoxMn1⁃xFe2O4纳米复合物[10]，通过多种材料特性的结合使得吸波性能有了明显的提高。虽然上述方法实现了铁纳米粒子表面的修饰，同时也制备了一种新型复合材料，但是繁琐的实验过程、苛刻的实验条件、特定和难分解催化剂的使用，昂贵的原材料等限制了纳米复合材料的进一步应用，同时造成了环境的污染。为此开发一种更为简便、经济、环境友好的方法制备新型铁基复合纳米材料是必要的。

本文利用锈蚀废弃的纳米铁粉为原料，采用微波辅助的方法首次制备了纳米复合材料Fe/Fe3O4/ZnO。此方法简单，易于操作，不需要使用惰性气体和催化剂，对环境无害并且有效地解决废旧铁粉污染的问题，同时对制备Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物吸波性能进行详细的研究，结果表明此种新型纳米复合材料具有很好地衰减电磁波的效果，拥有广阔的应用前景。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

无水乙醇、氢氧化钠（NaOH）、乙酸锌（Zn（CH3COO）2·2H2O）：均为分析级，成都科隆化工厂；自然锈蚀的纳米级铁粉；去离子水。

家用微波炉（MM721NH1⁃PW型美的微波炉，广东）；超声波清洗机（KQ2200B型超声波清洗器，江苏）。

1.2 Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合材料的制备

首先称取自然锈蚀的纳米级铁粉0.5 g于500 ml的烧杯中，加入500 ml的去离子水，放入微波炉中，在700 W功率下反应20 min，将烧杯取出。然后，取10 g乙酸锌（Zn（CH3COO）2·2H2O）加入到上述烧杯中，搅拌直至乙酸锌全部溶解。随后，在持续搅拌下，将400 ml，0.5 mol/L的氢氧化钠（NaOH）溶液缓慢地加入上述混合溶液中。将得到的混合溶液超声10 min，再次放入微波炉中，在500 W功率下加热15 min。将烧杯取出自然冷却到室温，用磁铁将产物收集，分离出上层多余的溶液，用去离子水和无水乙醇反复洗涤最终产物。最后将制备的样品置于烘箱中，在50 ℃温度下干燥2 h，即得Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物。

1.3 产物表征与测试

采用X′Pert Pro MPD X射线衍射仪（阴极采用Cu靶的Kα线，X射线的管电压为40 kV，管电流为40 mA）对产物的化学成分和物相进行分析；采用扫描电镜（SEM，S⁃4800）和透射电镜（TEM，JEM⁃1200EX）对样品的形貌、结构和粒径大小等微观结构进行详细的分析；用振动样品磁强计（VSM，BHV⁃55）对制备样品的磁学特性进行分析；采用安捷伦PNA5244A矢量网络分析仪研究材料的吸波性能，测试的频率范围为2～18 GHz；吸波性能待测样品，采用制备产物与石蜡质量比为7[∶]3均匀混合，在专用压片机中压制成同轴试样（外径7.00 mm，内径3.04 mm，厚度2 mm）。

2 结果与讨论

图4（d）的结果表明，当匹配厚度为2 mm时，在11.5 GHz的频点出现最大的回波损耗峰-27.2 dB；随着厚度的增加，最大的吸收峰逐步的向低频方向移动，峰的吸收强度有适当的减弱。当吸收层的厚度在1.5～3.0 mm范围内，回波损耗反射率小于⁃10 dB的频宽范围达到了3 GHz。优异的吸波性能和吸波带宽，以及简单的制备方法使得纳米复合物Fe/Fe3O4/ZnO成为了吸波领域一个很好的选择。

3 结 论

本文以锈蚀纳米级铁粉作为原材料，采用微波辅助方法制备新型Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物。该方法工艺简单，对环境无害，有利于环保，并且这种方法为制备其他以锈蚀纳米铁粉为前提的铁基复合物打下了良好的基础。所制备的Fe/Fe3O4/ZnO纳米复合物产物粒径大小均匀，具有优异的吸波特性，易于回收利用，未来在吸波、环境保护等领域都有巨大的应用前景。

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