Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的制备与性能研究

王佩沛，施刘健，晋传贵，王 坤

（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243000）

Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的制备与性能研究

王佩沛，施刘健，晋传贵，王 坤

（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243000）

采用水热法制备不同质量比的Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物，采用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、网络分析仪对该复合物的成分、形貌、磁性能与电磁性能进行表征与分析。结果表明：部分Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子镶嵌在石墨的片层之间，其他则覆盖在石墨表层；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的饱和磁化强度随着石墨含量的增加而降低；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的复介电常数虚部大于Mg0.5Co0.5Fe2O4的复介电常数虚部；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物在15.5～17.0 GHz频率范围，其反射损耗低于-15 dB，反射损耗峰值达到-31 dB。

Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨；水热法；复合物；电磁性能

电气、通讯设备工作时产生的电磁波辐射致使电磁污染日益严重，对此，吸收电磁波的材料应运而生，其中铁氧体得到众多学者关注。铁氧体虽然具有高磁导率与高磁损耗，但是单独使用时，密度大、匹配厚度大和阻抗匹配差等缺点限制了其广泛应用。研究表明[1-2]，在铁氧体中加入介电材料组成复合吸收剂，可增加介电损耗，另可改善阻抗匹配，进而增强材料的吸波效能。Du等[1]在Fe3O4表面进行原位聚合及高温碳化，合成以Fe3O4为核的核-壳结构Fe3O4@C复合材料，发现复合材料的吸波性能比Fe3O4更好。Yang等[2]用沉淀法制备出铁氧体/纳米石墨微片（BaFe12O19/NanoG）复合材料，且测试其各项性能，结果表明，与单一BaFe12O19及NanoG相比，BaFe12O19/NanoG复合材料的吸波性能最好。目前铁氧体的制备方法有溶胶-凝胶法[3]、共沉淀法[4]、水热法[5]、微乳液法[6]、超声活化-熔盐法[7]等，其中采用水热法制备的粉体一般无需烧结，且在制备过程中难以混入杂质，粒子纯度更高，粒径细小、均匀，晶形好且可控制[8-9]。因此，本文采用水热法制备尖晶石型Mg0.5Co0.5Fe2O4与石墨的复合物，并对其结构、磁性能及电磁性能进行研究。

1 实 验

1.1 样品制备

按Mg0.5Co0.5Fe2O4化学式的金属元素化学计量比，称量0.256 g Mg(NO3)2·6H2O(AR级，国药集团化学试剂有限公司)，1.368 g Fe(NO3)3·9H2O(AR级，国药集团化学试剂有限公司)，0.292 g Co(NO3)2·6H2O(AR级，国药集团化学试剂有限公司)等原料，然后将原料放入烧杯中。以上步骤操作3次。再按照Mg0.5Co0.5Fe2O4与石墨的质量比5∶0(1#样品)、5∶2(2#样品)和5∶4(3#样品)分别向3个烧杯中加入0，0.174 4，0.348 8 g石墨粉(CP级，国药集团化学试剂有限公司)，且分别加入0.68 g固体NaOH(AR级，国药集团化学试剂有限公司)和70 mL蒸馏水，搅拌并超声使原料充分溶解、分散均匀，倒入反应釜中。在220℃反应15 h后依次用蒸馏水和无水乙醇(AR级，国药集团化学试剂有限公司)离心洗涤数次，至上清液澄清，在60℃下干燥12 h，研磨得到产物。

1.2 样品表征

采用X射线衍射仪(XRD，Bruker AXS公司)测试产物的相组成；采用扫描电子显微镜(SEM，日本JEOL电子公司)观察产物的形貌；采用振动样品磁强计(VSM，美国Quantum Design公司)测试产物的磁性能；采用矢量网络分析仪(N5244A型，安捷伦公司)测试产物的电磁性能。

2 结果与讨论

2.1 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的XRD分析

图1是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的XRD图。从图1可以看出：1#样品在2θ为30°，35°，43°，57°，62°处出现Mg0.5Co0.5Fe2O4的特征衍射峰(JCPDS卡号：36-0398，22-1086)，依次对应(220)，(311)，(400），(511)，(440)晶面，没有出现杂相衍射峰；2#，3#样品在2θ为27°，55°处出现石墨晶体的特征衍射峰(JCPDS卡号：26-1076)，对应(002)，(422)晶面。物相的衍射强度与该物相在复合物中的含量有关，所以随着Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物中石墨含量的增加，其Mg0.5Co0.5Fe2O4特征衍射峰的强度逐渐减弱，而石墨特征衍射峰的强度逐渐增强。

图1 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的XRD图Fig.1 XRD patterns of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.2 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的SEM分析

石墨，Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的SEM图如图2，其中4#样品是石墨。从图2可以看出：1#样品Mg0.5Co0.5Fe2O4是颗粒状，分散较均匀；4#样品石墨具有典型的片层结构，层间距较大，这为Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子进入石墨片层间提供了充足的空间；2#和3#样品Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物中片层结构消失，颗粒覆盖和填充了石墨片的表层和层间空隙，说明Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子和石墨片较好地复合在一起。

图2 石墨，Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的SEM图Fig.2 SEM images of graphite,Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.3 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的VSM分析

图3是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的VSM图。从图3可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的饱和磁化强度Ms随其石墨含量的增加而降低，这是由于非磁性的石墨对母体Mg0.5Co0.5Fe2O4的磁性起到了稀释作用[10]；但是矫顽力Hc随着石墨含量的增加变化不明显，这是因为矫顽力的影响因素较复杂，包括化学成分、晶体结构、平均晶粒尺寸、晶格缺陷、形貌和压力等[11]。

图3 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的磁滞回线Fig.3 Magnetic hysteresis loops of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

2.4 Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的电磁参数分析

图4是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物复介电常数及复磁导率与频率的关系曲线。从图4(a)可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4复介电常数的实部ε′随频率的变化波动不大，而随着石墨的加入，3#样品的ε′在16.5 GHz附近出现最小值。从图4(b)可以看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4复介电常数的虚部ε″随频率的变化波动不大，而随着石墨的加入，3#样品的ε″在16.5 GHz附近出现最大值。由公式[12]

知ε″和ρ成反比例关系。式中：ε0表示自由空间的介电常数；ρ表示电阻率；f表示频率。石墨具有良好的导电性，电阻率比Mg0.5Co0.5Fe2O4小，导致Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的电阻率相应比纯Mg0.5Co0.5Fe2O4小，所以Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的ε″比Mg0.5Co0.5Fe2O的ε″大。

图4 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物复介电常数及复磁导率与频率的关系曲线Fig.4 Curves of complex permittivity and complex permeability versus frequency of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites

从图4(c)，(d)可以看出，Mg0.5Co0.5Fe2O4复磁导率的实部μ′和虚部μ″都随频率的增大而减小，但随着石墨的加入，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的μ′和 μ″均变小且随频率的增大而变化很小。这是石墨为非磁性物质所致。

图5是Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的反射损耗R随频率变化曲线。从图5可以看出 ：与Mg0.5Co0.5Fe2O4的 反 射 损 耗 相 比 ，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物在15.5～17 GHz频率范围，其反射损耗低于-15 dB，吸波性能增强，且向着高频方向移动，3#样品在16.5 GHz处出现最大反射损耗峰，峰值为-31 dB。这是由于石墨良好的导电性以及Mg0.5Co0.5Fe2O4与石墨之间的相互作用一方面改善了Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的阻抗匹配，另一方面增加了介电损耗，且增加量大于磁损耗减少量。

图5 Mg0.5Co0.5Fe2O4及Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的反射损耗随频率变化曲线Fig.5 Curves of reflection loss of Mg0.5Co0.5Fe2O4and Mg0.5Co0.5Fe2O4/graphite composites as a function of frequency

3 结 论

1)采用水热法成功制备Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物，由SEM结果看出：Mg0.5Co0.5Fe2O4粒子部分镶嵌在石墨的片层之间，部分粒子覆盖在石墨表层，且随石墨含量的增加变化不大。

2)由VSM分析得出，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的饱和磁化强度随石墨含量的增加而降低。

3)由电磁参数分析得出，Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物的ε″随石墨含量的增加，在16.5 GHz处明显增大，出现最大值；Mg0.5Co0.5Fe2O4/石墨复合物在15.5～17.0 GHz频率范围的吸波性能良好，反射损耗峰值为-31 dB。

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责任编辑：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

国家自然科学基金项目(21071003)；安徽省大学生创新基金项目(AH201410360146)

王佩沛(1990-)，女，安徽安庆人，硕士生，主要研究方向为复合吸波材料制备及性能。

晋传贵(1966-)，男，安徽无为人，博士，教授，研究方向为功能材料制备与性能。

1671-7872(2016)03-0220-04