一種Fe@C@g-C₃N₄納米復(fù)合物及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種Fe@C@g?C3N4納米復(fù)合物及其制備方法和應(yīng)用，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該納米復(fù)合物材料微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g?C3N4納米片中。本發(fā)明采用等離子電弧放電法，將鐵粉和三聚氰胺粉按一定原子百分比壓制成塊體作為陽(yáng)極靶材材料，采用石墨作為陰極材料，引用氬氣和甲烷作為工作氣體，陰極石墨電極與陽(yáng)極鐵?三聚氰胺粉末塊體之間保持一定距離，陽(yáng)極與陰極之間起電弧放電，即得Fe@C@g?C3N4納米復(fù)合物。用該納米復(fù)合物制得的吸波材料在2?18GHz范圍內(nèi)具有良好的微波吸收性能。本發(fā)明制備過(guò)程簡(jiǎn)單、無(wú)后處理工序及成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[00〇1]本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物微波吸收材料及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)尤其是電子工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，電磁波輻射對(duì)環(huán)境的影響日益增大，在繼噪音污染、空氣污染、水污染之后，電磁波污染成了威脅生態(tài)環(huán)境和人體健康的第四大公害。電磁場(chǎng)以電磁波的形式傳遞能量，通常只有使用電磁波吸收材料，使電磁波能轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能，才能有效清除電磁污染。另外吸波材料在軍事技術(shù)，諸如電子對(duì)抗技術(shù)及隱身技術(shù)方面也有著廣泛的用途。因此對(duì)吸波材料的研究具有非常重要的意義。理想的吸波材料應(yīng)該具有強(qiáng)吸收、寬頻段、厚度薄和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，為了更好地滿足這些要求，制備新型納米復(fù)合吸波材料成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
[0003]從目前的吸波材料的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，一種類型的材料很難滿足日益提高的隱身技術(shù)所提出的“薄、輕、寬、強(qiáng)”的綜合要求，介電型吸波材料與磁性吸波材料主要覆蓋范圍分別在厘米波段的低端和高端，因此需要將多種吸波材料進(jìn)行多種形式的復(fù)合來(lái)獲得最佳吸波效果。鐵磁/介電復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在著大量的異質(zhì)界面，能夠產(chǎn)生多重折射、多重吸收和界面極化等電池?fù)p耗機(jī)制，所以鐵磁/介電納米復(fù)合材料具有巨大的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用前景。鐵磁/介電納米復(fù)合材料在一定程度上提高了吸波能力。如:專利200910011350.7公開(kāi)了一種碳包裹鐵鈷納米吸波材料的制備方法。它利用等離子體電弧法制備了碳?xì)幼魍鈿?，鐵鈷合金作為內(nèi)核的納米膠囊。專利200910010232.4公開(kāi)了一種氧化鋅包裹鎳納米吸波材料的方法，它利用等離子體電弧法制備了氧化鋅層作外殼層，鎳納米粒子作為內(nèi)核的納米膠囊。發(fā)明專利201310261578.8公開(kāi)了一種使用多孔性鎳酸鑭粉末制備介電/鐵磁吸收微波復(fù)合材料的方法。發(fā)明專利201210456057.3公開(kāi)了一種核殼型微波吸收材料的制備方法，將鐵磁金屬氧化物制成氧化物漿料，再將空心玻璃微珠粉投入到漿料中，攪拌均勻后取出，即得核殼型微波吸收材料。
[0004]g_C3N4是一類似石墨結(jié)構(gòu)的新型半導(dǎo)體，具有合適的半導(dǎo)體寬度(約2.7eV)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐酸堿、無(wú)毒且生物兼容性好、成本低及易于化學(xué)改性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被用于光催化合成反應(yīng)、光催化降價(jià)污染物、光解水產(chǎn)氫和產(chǎn)氧以及氧化還原反應(yīng)中。經(jīng)檢索，F(xiàn)e@C@g-C3N4 納米復(fù)合物微波吸收材料未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物微波吸收材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物，該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片中。
[0007]本發(fā)明還提供了上述Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物的制備方法，該材料是利用等離子體電弧放電技術(shù)，在工作氣體下原位制備得到;其中:
[0008]采用石墨電極為陰極，鐵-三聚氰胺粉末塊體為陽(yáng)極靶材，陰極與陽(yáng)極靶材之間保持2?30mm的距離;電弧放電的電壓為10?40V;工作氣體為氬氣和甲燒氣體。
[0009]所述陽(yáng)極靶材為鐵-三聚氰胺粉末塊體，將鐵粉和三聚氰胺粉在壓強(qiáng)IMPa?lGpa 下壓制成塊體作為等離子電弧爐的陽(yáng)極材料，所述陽(yáng)極靶材中鐵所占的質(zhì)量百分比為70? 90% 〇
[0010]所述工作氣體氬氣的分壓為0.01?0.5MPa，甲烷氣體的分壓為0.01?0.3MPa。 [〇〇11]本發(fā)明還提供了 Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物作為微波吸收材料的應(yīng)用。該納米復(fù)合物以40 %?50 %質(zhì)量百分比的添加量加入到基體物質(zhì)中制成吸波涂層，該吸波涂層對(duì)2? 18GHz頻率范圍內(nèi)的電磁波具有吸收作用。
[0012]作為一種優(yōu)化，上述基體物質(zhì)為石蠟。
[0013]相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)在于[〇〇14]1)本發(fā)明首次制備出了 Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物；[〇〇15]2)本發(fā)明制備過(guò)程條件簡(jiǎn)單，易于控制，為Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物的實(shí)際應(yīng)用提供了條件；
[0016]3)本發(fā)明制備納米復(fù)合物材料，由于g-C3N4納米片、C殼和Fe納米顆粒內(nèi)核構(gòu)成了良好的電磁匹配，在2?18GHz頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)秀的微波吸收能力，使Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物成為2?18GHz范圍內(nèi)微波吸收強(qiáng)有力的候選材料?！靖綀D說(shuō)明】[〇〇17]圖1為本發(fā)明制備Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物的裝置示意圖；
[0018]圖中標(biāo)號(hào):1、上蓋;2、陰極;3、閥；4、陽(yáng)極靶材;5、觀察窗;6、擋板;7、銅陽(yáng)極;8、夾頭;9、石墨i甘禍;10、直流脈動(dòng)電源;a、冷卻水;b、氣氣;c、甲燒氣。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物的X-射線衍射(XRD)圖譜；
[0020]根據(jù)JCPDS PDF卡片(JCPDS卡，如.87-0722)，可以檢索出納米復(fù)合物主相為？6晶相構(gòu)成;20 = 27.5°和13°處的兩個(gè)峰為g-C3N4( JCPDS卡，N0.87-1562)的特征峰，由于C處于外殼，所以XRD無(wú)法檢測(cè)出C相。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；[0〇22]從圖中可以看出Fe@C納米膠囊分布在g-C3N4納米片中，其納米膠囊的粒徑為5? 100nm〇[〇〇23]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物的高分辨透射電子顯微鏡圖像；[0〇24]從圖中可以看出所得Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物為Fe@C核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片中。
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制得材料的吸波性能與頻率的關(guān)系圖。
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2制得材料的吸波性能與頻率的關(guān)系圖。
[0027]圖7為本發(fā)明實(shí)施例3制得材料的吸波性能與頻率的關(guān)系圖。
[0028]圖8為本發(fā)明實(shí)施例4制得材料的吸波性能與頻率的關(guān)系圖。
[0029]圖9為本發(fā)明實(shí)施例5制得材料的吸波性能與頻率的關(guān)系圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明不局限于下述實(shí)施例。
[0031]實(shí)施例1
[0032]將圖1所示的裝置上蓋1打開(kāi)，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽(yáng)極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質(zhì)量比90:10)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽(yáng)極7上，在銅陽(yáng)極7和陽(yáng)極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽(yáng)極靶材4之間保持30mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a(chǎn)，通過(guò)閥3把整個(gè)工作室抽真空后，通入氬氣b和甲烷氣c，氬氣的分壓為 0.5MPa，甲烷氣的分壓為0.3MPa，接通直流脈動(dòng)電源10，電壓為40V，弧光放電過(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，制得Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物。該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C 核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片，其中:Fe@C納米膠囊的粒徑為5?100nm，如圖3、圖4所示。將所制得的Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物與石蠟按照質(zhì)量比50:50混合，加入正己烷做溶劑， 超聲混合直至正己烷揮發(fā)完畢為止，利用磨具壓成內(nèi)徑為3.04mm，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環(huán)試樣在2?18GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電磁性能測(cè)試，利用所得的電磁參數(shù)模擬出厚度為 2.4mm試樣的吸波性能與頻率的關(guān)系，如圖5所示，最大反射損失值出現(xiàn)在9.04GHz，為-24.7dB〇
[0033]實(shí)施例2
[0034]將圖1所示的裝置上蓋1打開(kāi)，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽(yáng)極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質(zhì)量比70:30)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽(yáng)極7上，在銅陽(yáng)極7和陽(yáng)極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽(yáng)極靶材4之間保持30mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a(chǎn)，通過(guò)閥3把整個(gè)工作室抽真空后，通入氬氣b和甲烷氣c，氬氣的分壓為 0.5MPa，甲烷氣的分壓為0.3MPa，接通直流脈動(dòng)電源10，電壓為10V，弧光放電過(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，制得Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物。該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C 核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片，其中:Fe@C納米膠囊的粒徑為5?100nm。將所制得的 Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物與石蠟按照質(zhì)量比40:60混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發(fā)完畢為止，利用磨具壓成內(nèi)徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環(huán)試樣在2? 18GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電磁性能測(cè)試，利用所得的電磁參數(shù)模擬出厚度為2.0mm試樣的吸波性能與頻率的關(guān)系，如圖6所示，最大反射損失值出現(xiàn)在11.6GHz，為-21.7dB。
[0035]實(shí)施例3
[0036]將圖1所示的裝置上蓋1打開(kāi)，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽(yáng)極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質(zhì)量比90:10)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽(yáng)極7上，在銅陽(yáng)極7和陽(yáng)極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽(yáng)極靶材4之間保持2mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a(chǎn)，通過(guò)閥3把整個(gè)工作室抽真空后，通入氬氣b和甲烷氣c，氬氣的分壓為 0.5MPa，甲烷氣的分壓為0.3MPa，接通直流脈動(dòng)電源10，電壓為20V，弧光放電過(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，制得Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物。該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C 核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片，其中:Fe@C納米膠囊的粒徑為5?100nm。將所制得的 Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物與石蠟按照質(zhì)量比50:50混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發(fā)完畢為止，利用磨具壓成內(nèi)徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環(huán)試樣在2?18GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電磁性能測(cè)試，利用所得的電磁參數(shù)模擬出厚度為3.0mm試樣的吸波性能與頻率的關(guān)系，如圖7所示，最大反射損失值出現(xiàn)在8.48GHz，為-40.4dB。
[0037]實(shí)施例4
[0038]將圖1所示的裝置上蓋1打開(kāi)，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽(yáng)極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質(zhì)量比80:20)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽(yáng)極7上，在銅陽(yáng)極7和陽(yáng)極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽(yáng)極靶材4之間保持20mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a(chǎn)，通過(guò)閥3把整個(gè)工作室抽真空后，通入氬氣b和甲烷氣c，氬氣的分壓為 0.2MPa，甲烷氣的分壓為0.2MPa，接通直流脈動(dòng)電源10，電壓為30V，弧光放電過(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，制得Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物。該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C 核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片，其中:Fe@C納米膠囊的粒徑為5?100nm。將所制得的 Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物與石蠟按照質(zhì)量比50:50混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發(fā)完畢為止，利用磨具壓成內(nèi)徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環(huán)試樣在2? 18GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電磁性能測(cè)試，利用所得的電磁參數(shù)模擬出厚度為1.7mm試樣的吸波性能與頻率的關(guān)系，如圖8所示，最大反射損失值出現(xiàn)在17.4GHz，為-29.3dB。[〇〇39] 實(shí)施例5
[0040]將圖1所示的裝置上蓋1打開(kāi)，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽(yáng)極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質(zhì)量比80:20)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽(yáng)極7上，在銅陽(yáng)極7和陽(yáng)極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽(yáng)極靶材4之間保持2mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a(chǎn)，通過(guò)閥3把整個(gè)工作室抽真空后，通入氬氣b和甲烷氣c，氬氣的分壓為 0.0IMPa，甲烷氣的分壓為0.0IMPa，接通直流脈動(dòng)電源10，電壓為40V，弧光放電過(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，制得Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物。該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@ C核殼結(jié)構(gòu)納米膠囊嵌入g-C3N4納米片，其中:Fe@C納米膠囊的粒徑為5?100nm。將所制得的 Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物與石蠟按照質(zhì)量比50:50混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發(fā)完畢為止，利用磨具壓成內(nèi)徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環(huán)試樣在2? 18GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電磁性能測(cè)試，利用所得的電磁參數(shù)模擬出厚度為1.9mm試樣的吸波性能與頻率的關(guān)系，如圖9所示，最大反射損失值出現(xiàn)在14.8GHz，為-28.4dB。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物，其特征在于，該納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)為Fe@C核殼結(jié)構(gòu) 納米膠囊嵌入g_C3N4納米片中；該納米復(fù)合物是利用等離子體電弧放電技術(shù)，在工作氣體下 原位制備得到，其中:采用石墨電極為陰極，鐵-三聚氰胺粉末塊體為陽(yáng)極靶材，陰極與陽(yáng)極靶材之間保持2 ?30mm的距離;所述電弧放電的電壓為10?40V;所述工作氣體為氬氣和甲烷氣體;所述陽(yáng) 極靶材中鐵所占的質(zhì)量百分比為70?90 % ;所述氬氣的分壓為0.01?0.5MPa，甲烷氣體的 分壓為0.01?0.3MPa。2.如權(quán)利要求1所述Fe@C@g-C3N4納米復(fù)合物制成的吸波涂層，其特征在于，所述納米復(fù) 合物以40%?50%質(zhì)量百分比的添加量加入到基體物質(zhì)中制成吸波涂層。3.如權(quán)利要求2所述的吸波涂層，其特征在于:所述的基體物質(zhì)為石蠟。4.如權(quán)利要求2或3所述的吸波涂層在作為2?18GHz范圍電磁波吸收材料方面的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B22F1/02GK105965011SQ201610392771
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】劉先國(guó), 崔彩云, 陳浩, 孫玉萍
【申請(qǐng)人】安徽工業(yè)大學(xué)