吸收高频电磁波的多孔FESUB3/SUBOSUB4/SUB/FE/SIOSUB2/SUB核壳纳米棒及制备方法.pdf

本发明提供的是吸收高频电磁波的多孔Fe3O4/Fe/SiO2核壳纳米棒及制备方法。将0.25-1.0mol/L的FeCl3溶液置于不锈钢密封的高压釜内，在烘箱内于100-120℃保持12小时，待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗，80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；将β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO2核壳纳米棒，β-FeOOH/SiO2核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe2O3/SiO2核壳纳米棒；将α-Fe2O3/SiO2核壳纳米棒在H2体积占8％的N2/H2气氛下，在400℃退火7小时最后得到多孔Fe3O4/Fe/SiO2核壳纳米棒。本发明的方法具有操作简单、适合于工业化生产，所得到的产品对高频电磁波具有强吸收特性等优点。

1、  一种吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒，其特征是：它是(1)将0.25-1.0mol/L的FeCl₃溶液置于不锈钢密封的高压釜内，在烘箱内于100-120℃保持12小时，待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗，80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；(2)将β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒，β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒；(3)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在H₂体积占8％的N₂/H₂气氛下，在400℃退火7小时最后得到的直径为5-30纳米的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒。

2、  一种吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒的制备方法，其特征是：
(1)将0.25-1.0mol/L的FeCl₃溶液置于不锈钢密封的高压釜内，在烘箱内于100-120℃保持12小时，待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗，80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；
(2)将上述得到的β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒，β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒；
(3)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在H₂体积占8％的N₂/H₂气氛下，于400℃退火7小时，最后得到多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒。

吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒及制备方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种对高频电磁波具有强吸收特性的纳米材料，本发明也涉及一种对高频电磁波具有强吸收特性的纳米材料的制备方法。
(二)背景技术
随着信息技术及电子仪器的发展，电磁波在通讯等领域中的应用越来越广泛，特别是在高频范围内的电磁波。例如，1-75GHz频率的电磁波被广泛应用于移动通讯、雷达系统、地面微波通讯中继站、电子自旋共振仪器以及其它智能传输系统等。由于这些系统和仪器均采用高频电磁波，一方面它们极易受到外场的干扰，不能正常工作；另一方面在工作时会产生强电磁辐射，产生电磁污染。因而发展先进和有效的电磁波吸收技术一直是国内外科学家研究的热点之一。其中，寻找发现具有强电磁响应特性的材料是突破该技术的关键。目前，对吸波材料的要求非常苛刻，一方面要实现宽频和多频吸收，同时还要求材料的质量轻、热稳定高和抗氧化性能强。传统的吸波材料大多数以铁氧体为基础，这些材料要实现有效的吸波性能必须有足够的厚度。这就限制了它们在某些重要领域中的应用，例如飞机、舰船对雷达波的隐身方面。因此，研发新型高效电磁吸收材料是本学科领域的发展趋势。
近年来，纳米材料和纳米技术的发展为新型吸波材料的研究提供了新的机遇。由于纳米材料尺寸小，比表面积大，表面有较多的化学悬挂键，除了本身具有新奇物理特性外，在外场的作用下还可能产生界面极化等新的物理现象。因此，科学家对纳米材料在电磁波吸收方面的应用进行了初步研究和探索，并取得了一定的研究进展。但是，实现大量、可控制备、高效率电磁吸收材料目前还存在诸多问题需要解决。例如，2004年我们利用热蒸发技术合成了ZnO纳米材料。该纳米材料可以吸收电磁波，但是当ZnO浓度为7wt％，薄膜厚度为1mm时，对电磁波的吸收只有-12.28dB。同时该吸收频率的宽度较低，大于-10dB吸收的频率范围小于2GHz。这项工作2004年发表在《Appl.Phys.Lett.》84期上，论文题目为“Microwave  absorption properties  of the  ZnO  nanowire-polyestercomposites”。因此，如何实现对高频电磁波具有吸收特性的纳米材料的大量制备以及如何提高其吸收频率的宽度与强度是当前的主要技术难题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种对高频电磁波具有强吸收特性的吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒。本发明的目的还在于提供一种操作简单、适合于工业化生产的吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒是：(1)将0.25-1.0mol/L的FeCl₃溶液置于不锈钢密封的高压釜内，在烘箱内于100-120℃保持12小时，待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗，80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；(2)将β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒，β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒；(3)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在H₂体积占8％的N₂/H₂气氛下，于400℃退火7小时最后得到的直径为5-30纳米的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒。
本发明的吸收高频电磁波的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒是采用这样的方法来制备的：
(1)将0.25-1.0mol/L的FeCl₃溶液置于不锈钢密封的高压釜内，在烘箱内于100-120℃保持12小时，待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗，80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；
(2)将上述得到的β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒，β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒；
(3)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在H₂体积占8％的N₂/H₂气氛下，于400℃退火7小时，最后得到多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒。
利用本发明的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒制备65wt％多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒-石蜡复合薄膜材料，利用T/R同轴传输线测试其电磁参数。最后利用电磁传输线理论计算不同薄膜厚度的电磁波反射率。
本发明提供了一种对高频电磁波具有强吸收特性的多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒的制备方法。利用多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒制备的薄膜，厚度为2mm时，对电磁波吸收达到-10dB以下的频率范围较宽，达到了6.96GHz。
本发明的方法具有操作简单、适合于工业化生产，所得到的产品对高频电磁波具有强吸收特性等优点。
(四)附图说明
图1为α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒的形貌与结构。a)透射电镜图，b)放大的透射电镜图，c)高分辨透射电镜图。
图2为多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒的形貌与结构。a)透射电镜图，b)单个孔的高分辨透射电镜图，c)内部的高分辨透射电镜图，插图为电子选区电子衍射。
图3为多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒-石蜡复合物的电磁参数。其中图3(a)复介电常数，图3(b)复磁导率。
图4为多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒-石蜡复合物在不同浓度下的电磁波反射率。
(五)具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述：
实施例1：
(1)将40毫升的0.5mol/L的FeCl₃溶液置于50ml不锈钢密封的高压釜内。在烘箱内于120℃保持12小时；
(2)待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗数次。80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；
(3)将上述得到的β-FeOOH纳米棒在60毫升正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒。其中，正硅酸乙酯/异丙醇的体积比为60∶1；
(4)β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒。α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒为多孔结构，其形貌与微结构用透射电镜表征，如图1所示；
(5)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在N₂/H₂(8％/H₂)气氛下，于400℃退火7小时，最后得到多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒。Fe₃O₄/Fe/SiO₂核壳纳米棒为多孔结构，其形貌与微结构用透射电镜表征，如图2所示。其中孔的直径为5-30纳米；
(6)制备65wt％多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒-石蜡复合薄膜材料，利用T/R同轴传输线测试其电磁参数。测量结果见图3。利用电磁传输线理论计算不同薄膜厚度的电磁波反射率，见图4。
实施例2：
(1)将40毫升的1.0mol/L的FeCl₃溶液置于50ml不锈钢密封的高压釜内。在烘箱内于100℃保持12小时；
(2)待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗数次。80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；
(3)将上述得到的β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒。其中，正硅酸乙酯/异丙醇的体积比为60∶1；
(4)β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒；
(5)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在N₂/H₂(8％/H₂)气氛下，于400℃退火7小时，最后得到多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒。
实施例3：
(1)将40毫升的0.25mol/L的FeCl₃溶液置于50ml不锈钢密封的高压釜内。在烘箱内于110℃保持12小时；
(2)待高压釜自然冷却到室温后，将釜内的沉淀用水和乙醇清洗数次。80℃下干燥后得到β-FeOOH纳米棒；
(3)将上述得到的β-FeOOH纳米棒在正硅酸乙酯/异丙醇溶液中水解，得到β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒。其中，正硅酸乙酯/异丙醇的体积比为60∶1；
(4)β-FeOOH/SiO₂核壳纳米棒在空气中于500℃退火2.5小时，得到α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒；
(5)将α-Fe₂O₃/SiO₂核壳纳米棒在N₂/H₂(8％/H₂)气氛下，于400℃退火7小时，最后得到多孔Fe₃O₄/Fe/SiO₂纳米棒。