負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，包括以下步驟：1】制備含有鐵鹽的前驅(qū)體溶液；2】將多孔碳球置于所述前驅(qū)體溶液中攪拌浸漬；3】將多孔碳球?yàn)V出后洗滌干燥；4】將干燥后的多孔碳球在惰性氣氛下煅燒；5】在惰性氣氛下冷卻至室溫后得到負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料。本發(fā)明利用多孔碳球的高比表面積及強(qiáng)吸附作用將鐵鹽前驅(qū)體溶液通過(guò)毛細(xì)作用引入到碳球的孔道內(nèi)部并與親水性含氧官能團(tuán)結(jié)合，最后經(jīng)過(guò)干燥、惰性氣氛下燒結(jié)處理獲得負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合材料。整個(gè)制備過(guò)程工藝簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求不高。
【專利說(shuō)明】
負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合吸波材料的制備方法，具體涉及一種負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合雷達(dá)吸波材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)電子對(duì)抗的加劇和信息化進(jìn)程的加快，吸波材料的發(fā)展正朝著高性能化的方向發(fā)展。從目前對(duì)吸波材料的研究結(jié)果來(lái)看，復(fù)合技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)新型雷達(dá)吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”設(shè)計(jì)理念的首選方法，具體涉及到將以電損耗為主的材料(如碳化硅纖維、碳納米管、炭黑、導(dǎo)電高聚物及碳纖維等)與以磁損耗為主的傳統(tǒng)磁性材料(如磁性金屬微粉及鐵氧體等)進(jìn)行復(fù)合。一方面，上述電損耗吸波材料密度小，作為載體可實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)；另一方面，將電損耗和磁損耗材料進(jìn)行結(jié)合可以達(dá)到多波段、寬頻帶的吸收效果。有關(guān)吸波材料的研究已經(jīng)比較成熟，對(duì)于電損耗、磁損耗復(fù)合技術(shù)的專利和文獻(xiàn)也有不少，例如:
[0003]Wang等以螺旋碳纖維為載體，采用ALD(原子層沉積)技術(shù)將磁性成分Fe304/Ni顆粒“平鋪”于碳納米管管壁上，通過(guò)調(diào)控磁性組分的厚度可以調(diào)整材料整體的電磁損耗達(dá)到最佳匹配值，而且所制備的復(fù)合粉體具有優(yōu)異的微波反射損耗。(參見(jiàn)文獻(xiàn):ACS Nan0.2012，6,11009-11017.)
[0004]Wen等通過(guò)化學(xué)浸漬將鐵鹽、硝酸鈷以及硝酸鎳水溶液分別進(jìn)入處理后的多壁碳納米管內(nèi)，經(jīng)干燥處理后于H2氣氛下900°C還原分別得到負(fù)載金屬Fe、Co以及Ni的復(fù)合吸波材料，該材料在S波段(2-4GHZ)具有優(yōu)異的微波吸收效果，最大反射損耗依次可達(dá)-39、-37和-37dBο(參見(jiàn)文獻(xiàn):J.Phys.Chem.C 2011,115,14025-14030.)
[0005]Su等采用傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積(CVD)法，以二茂鐵-乙醇溶液作為前驅(qū)體在1000°C下合成Fe/Fe3C功能化的碳納米管，通過(guò)調(diào)節(jié)前驅(qū)體濃度可以控制磁性成分的含量，結(jié)果證實(shí)磁性組分含量的增加有助于改善吸波效果，當(dāng)磁性成分的含量在30-32wt%，匹配層厚度為2mm時(shí)，復(fù)合材料的最大微波反射損耗可達(dá)-25dB。(參考文獻(xiàn):Appl Phys A.(2012), 106:59-65.)
[0006]Sun等首先以水熱法制備樹(shù)枝狀γ -Fe2O3,再經(jīng)過(guò)不同的還原工藝處理得到形貌一致的Fe3O4和單質(zhì)Fe。當(dāng)吸波匹配層厚度為2mm時(shí)，三者的最大反射損耗值分別為-8.7,-15.2以及-25dB。(參見(jiàn)文獻(xiàn):Chem.Mater.2011，23，1587-1593.)
[0007]Tian等利用高純Fe粉和Si粉經(jīng)濕法球磨得到Fe-Si合金，通過(guò)添加石墨、ZnO以及T12來(lái)改變合金的電磁參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，助劑的加入(形貌占主導(dǎo)因素)主要對(duì)介電常數(shù)有影響，而且T12對(duì)微波反射損耗的貢獻(xiàn)最大，當(dāng)匹配層厚為2.4mm時(shí)的最大反射率為-35.3dB。(參考文獻(xiàn):Journal of Magnetism and Magnetic Materials.339(2013) 114-118.)
[0008]在現(xiàn)有的用于制備復(fù)合吸波材料的方法中，大多對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求很高，工藝過(guò)程復(fù)雜，而且普遍存在產(chǎn)量低、成本高的問(wèn)題，只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決現(xiàn)有的復(fù)合吸波材料制備方法產(chǎn)量低、成本高、工藝復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種工藝簡(jiǎn)單、操作方便、對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求不高的負(fù)載鐵和碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:所提供的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法包括以下步驟:
[0011]I】制備含有鐵鹽的前驅(qū)體溶液；
[0012]2】將多孔碳球置于所述前驅(qū)體溶液中攪拌浸漬；
[0013]3】將多孔碳球?yàn)V出后洗滌干燥；
[0014]4】將干燥后的多孔碳球在惰性氣氛下煅燒；
[0015]5】在惰性氣氛下冷卻至室溫后得到負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料。
[0016]上述步驟I】中的前驅(qū)體溶液是將鐵鹽溶解于去離子水中制備得到的，鐵鹽的質(zhì)量與去離子水的體積的比例為4-16g: 10-40ml。
[0017]上述步驟2】還包括以下步驟:
[0018]2.1】將多孔碳球置于硝酸中，多孔碳球的質(zhì)量與硝酸的體積的比例為lg: 15-30ml ；
[0019]2.2】在水浴條件下攪拌浸漬10_12h;
[0020]2.3】將洗滌干燥后的多孔碳球置于所述前驅(qū)體溶液中攪拌浸漬12-24小時(shí)，多孔碳球的質(zhì)量與前驅(qū)體溶液的體積的比例為I _3g: 9-20ml。
[0021 ]上述步驟2.1】中的硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40-60%。
[0022]上述步驟2.2】中的水浴的溫度為40_60°C。
[0023]上述步驟2.3】中的洗滌干燥的條件是用去離子水反復(fù)清洗至中性，然后置于烘箱中 100-110°(:干燥12-2411。
[0024]上述步驟3】中的洗滌干燥的條件是用去離子水反復(fù)清洗，然后置于烘箱中60-80°C 干燥 12-20h。
[0025]上述步驟4】中的煅燒條件為800-1000°C恒溫煅燒2-3小時(shí)。
[0026]上述惰性氣氛為氮?dú)鈿夥栈蛘邭鍤鈿夥铡?br>[0027]上述步驟2】中的多孔碳球的直徑范圍為0.5-2mm，BET比表面積為800-1300m2/g，總孔容積為0.4-0.9cm3/go
[0028]本發(fā)明的有益效果在于:
[0029](I)本發(fā)明利用多孔碳球的高比表面積及強(qiáng)吸附作用將鐵鹽前驅(qū)體溶液通過(guò)毛細(xì)作用引入到碳球的孔道內(nèi)部并與親水性含氧官能團(tuán)結(jié)合，最后經(jīng)過(guò)干燥、惰性氣氛下燒結(jié)處理獲得負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合材料。整個(gè)制備過(guò)程工藝簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求不高。
[0030](2)本發(fā)明所得到的金屬單質(zhì)鐵純度高，粒徑小而且粒度分布均勻。金屬單質(zhì)鐵負(fù)載于多孔碳球上起催化作用，促進(jìn)碳球的石墨化程度并提高材料整體的介電性能。
[0031](3)本發(fā)明所使用的主要原料為多孔碳球、硝酸和鐵鹽，均為成本低廉、容易獲得的普通化學(xué)試劑，適合于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一制備得到的負(fù)載金屬鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的X射線衍射圖譜；
[0033]圖2為本發(fā)明實(shí)施例二制備得到的負(fù)載金屬鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的Raman圖譜；
[0034]圖3為本發(fā)明實(shí)施例三制備得到的負(fù)載金屬鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料在不同匹配層厚度的電磁吸波曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0035]本發(fā)明涉及一種負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合雷達(dá)吸波材料的制備方法。主要原料是多孔碳球、硝酸和鐵鹽。該方法利用多孔碳球的高比表面積及強(qiáng)吸附作用將鐵鹽前驅(qū)體溶液通過(guò)毛細(xì)作用引入到碳球的孔道內(nèi)部并與親水性含氧官能團(tuán)結(jié)合，最后經(jīng)過(guò)干燥、惰性氣氛下燒結(jié)處理獲得負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合材料。多孔碳球上負(fù)載金屬鐵和碳化鐵以及部分石墨化的無(wú)定形碳，磁性成分與載體碳球的質(zhì)量比為
I: 10?2:5，多孔碳球復(fù)合材料的BET比表面積為300-600m2/g，粒徑分布在0.1-2.1mm。負(fù)載于多孔碳球上的金屬鐵呈單質(zhì)狀態(tài)，與碳化鐵共存于多孔碳球內(nèi)部及表面，起催化作用，促進(jìn)碳球的石墨化程度并提高材料整體的介電性能，該復(fù)合吸波材料的最大微波反射損耗可達(dá)-37dB。本發(fā)明方法同時(shí)可用于制備其它磁性復(fù)合材料，且該類吸波材料具有高效、質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)，在電磁屏蔽及輕質(zhì)雷達(dá)吸波材料中有廣闊的應(yīng)用前景。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的制備方法以及使用該方法制備得到的吸波材料的性能做進(jìn)一步解釋。
[0036]實(shí)施例一
[0037](I)將粒徑分布在0.5-lmm的多孔碳球置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40-50%的硝酸溶液中，碳球的質(zhì)量與硝酸體積比為lg:15-20ml，然后在40-50°C水浴條件下攪拌浸漬10-12h，用去離子水反復(fù)清洗至中性，接著于烘箱中100-11 (TC干燥12-24h;
[0038](2)取鐵鹽溶于去離子水中，制得前驅(qū)體溶液，鐵鹽的質(zhì)量與去離子水的體積比為4_16g:10_40ml；
[0039](3)將多孔碳球浸入上述前驅(qū)體溶液中，攪拌浸漬12-24小時(shí)，碳球質(zhì)量與前驅(qū)體溶液的體積比為l_3g:9-20ml;
[0040](4)將多孔碳球從溶液中濾出，用10-40ml去離子水洗滌，過(guò)濾；
[0041 ] (5)將(4)所得多孔碳球放入烘箱中60-80 V干燥12_20h;
[0042](6)將干燥后的多孔碳球置于管式爐中，在氬氣氣氛下于1000°C恒溫煅燒2-3小時(shí)，繼續(xù)在該氣氛下冷卻至室溫，得到負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合材料。
[0043]參見(jiàn)圖1，該實(shí)施例下得到產(chǎn)物的物相組成為Fe3C和單質(zhì)Fe，復(fù)合物的比表面積為300m Vg，相對(duì)復(fù)介電常數(shù)高。
[0044]實(shí)施例二
[0045](I)將粒徑分布在l-2mm的多孔碳球置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40-60%的硝酸溶液中，碳球的質(zhì)量與硝酸體積比為lg:15-30ml，然后在40-60°C水浴條件下攪拌浸漬10-12h，用去離子水反復(fù)清洗至中性，接著于烘箱中100-110 0C干燥12-24h;
[0046](2)取鐵鹽溶于去離子水中，制得前驅(qū)體溶液，鐵鹽的質(zhì)量與去離子水的體積比為4_16g:10_40ml；
[0047](3)將多孔碳球浸入上述前驅(qū)體溶液中，攪拌浸漬12-24小時(shí)，碳球質(zhì)量與前驅(qū)體溶液的體積比為l_3g:9-20ml;
[0048](4)將多孔碳球從溶液中濾出，用10_40ml去離子水洗滌，過(guò)濾；
[0049](5)將(4)所得多孔碳球放復(fù)清洗至中性，接著于烘箱中10-1lOtC干燥12_24h;
[0050](2)取鐵鹽溶于去離子水中，制得前驅(qū)體溶液，鐵鹽的質(zhì)量與去離子水的體積比為4_16g:10_40ml；
[0051](3)將多孔碳球浸入上述前驅(qū)體溶液中，攪拌浸漬12-24小時(shí)，碳球質(zhì)量與前驅(qū)體溶液的體積比為I _3g: 9入烘箱中60-80 °C干燥12-20h;
[0052](6)將干燥后的多孔碳球置于管式爐中，在氮?dú)鈿夥障掠?00°C恒溫煅燒2-3小時(shí)，繼續(xù)在該氣氛下冷卻至室溫，得到負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合材料。
[0053]該實(shí)施例下得到產(chǎn)物的物相組成為Fe3C和單質(zhì)Fe，復(fù)合物的石墨化程度為1.09，比表面積為360m2/g，在反射損耗曲線上(2-18GHZ)出現(xiàn)雙吸收峰，而且高頻區(qū)(14-18GHZ)的最低反射損耗值低于-10dB。
[0054]實(shí)施例三
[0055](I)將粒徑分布在0.5-2mm的多孔碳球置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40-60%的硝酸溶液中，碳球的質(zhì)量與硝酸體積比為lg:15-30ml，然后在40-60°C水浴條件下攪拌浸漬10-12h，用去離子水反復(fù)清洗至中性，接著于烘箱中100-11 (TC干燥12-24h;
[0056](2)取鐵鹽溶于去離子水中，制得前驅(qū)體溶液，鐵鹽的質(zhì)量與去離子水的體積比為4_16g:10_40ml；
[0057](3)將多孔碳球浸入上述前驅(qū)體溶液中，攪拌浸漬12-24小時(shí)，碳球質(zhì)量與前驅(qū)體溶液的體積比為l_3g:9-20ml;
[0058](4)將多孔碳球從溶液中濾出，用10_40ml去離子水洗滌，過(guò)濾；
[0059 ] (5)將(4)所得多孔碳球放入烘箱中60-80 V干燥12_20h;
[0060](6)將干燥后的多孔碳球置于管式爐中，在氬氣氣氣氛下于800°C恒溫煅燒2-3小時(shí)，繼續(xù)在該氣氛下冷卻至室溫，得到負(fù)載金屬單質(zhì)鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合材料。
[0061]參見(jiàn)圖3，該實(shí)施例下得到產(chǎn)物的物相組成以單質(zhì)Fe為主，復(fù)合物的比表面積為410m2/g，當(dāng)模擬吸波涂層厚度大于4mm時(shí)，在反射損耗曲線上(2-18GHZ)出現(xiàn)雙吸收峰，涂層厚度為5.5mm時(shí)的最低反射損耗值為_(kāi)37dB。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: I】制備含有鐵鹽的肖U驅(qū)體溶液； 2】將多孔碳球置于所述前驅(qū)體溶液中攪拌浸漬； 3】將多孔碳球?yàn)V出后洗滌干燥； 4】將干燥后的多孔碳球在惰性氣氛下煅燒； 5】在惰性氣氛下冷卻至室溫后得到負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟I】中的前驅(qū)體溶液是將鐵鹽溶解于去離子水中制備得到的，鐵鹽的質(zhì)量與去離子水的體積的比例為4-16g: 10-40ml。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟2】還包括以下步驟: 2.1】將多孔碳球置于硝酸中，多孔碳球的質(zhì)量與硝酸的體積的比例為lg: 15-30ml; 2.2】在水浴條件下攪拌浸漬10-12h; 2.3】將洗滌干燥后的多孔碳球置于所述前驅(qū)體溶液中攪拌浸漬12-24小時(shí)，多孔碳球的質(zhì)量與前驅(qū)體溶液的體積的比例為I _3g: 9-20ml。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟2.1】中的硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40-60%。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟2.2】中的水浴的溫度為40-60°C。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟2.3】中的洗滌干燥的條件是用去離子水反復(fù)清洗至中性，然后置于烘箱中 100-110°(:干燥12-2411。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟3】中的洗滌干燥的條件是用去離子水反復(fù)清洗，然后置于烘箱中60-80°C 干燥 12-20h。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟4】中的煅燒條件為800-1000°C恒溫煅燒2-3小時(shí)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述惰性氣氛為氮?dú)鈿夥栈蛘邭鍤鈿夥铡?0.根據(jù)權(quán)利要求9所述的負(fù)載鐵及碳化鐵的多孔碳球復(fù)合吸波材料的制備方法，其特征在于:所述步驟2】中的多孔碳球的直徑范圍為0.5-2mm，BET比表面積為800-1300m2/g，總孔容積為 0.4-0.9Cm3/go
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK105838324SQ201610260099
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】徐耀, 王浩靜, 王紅飛
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所