一種Fe@C@g-C₃N₄納米復合物及其制備方法和應用

一種Fe@C@g-C₃N₄納米復合物及其制備方法和應用
【專利摘要】本發明公開了一種Fe@C@g?C3N4納米復合物及其制備方法和應用，屬于納米材料制備技術領域。該納米復合物材料微觀結構為Fe@C核殼結構納米膠囊嵌入g?C3N4納米片中。本發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，陰極石墨電極與陽極鐵?三聚氰胺粉末塊體之間保持一定距離，陽極與陰極之間起電弧放電，即得Fe@C@g?C3N4納米復合物。用該納米復合物制得的吸波材料在2?18GHz范圍內具有良好的微波吸收性能。本發明制備過程簡單、無后處理工序及成本低，易于實現工業化生產。
【專利說明】
一種Fe@C@g-C3N4納米復合物及其制備方法和應用
技術領域
[00〇1]本發明屬于材料制備技術領域，具體涉及一種Fe@C@g-C3N4納米復合物微波吸收材料及其制備方法。【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術尤其是電子工業技術的高速發展，電磁波輻射對環境的影響日益增大，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環境和人體健康的第四大公害。電磁場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，諸如電子對抗技術及隱身技術方面也有著廣泛的用途。因此對吸波材料的研究具有非常重要的意義。理想的吸波材料應該具有強吸收、寬頻段、厚度薄和質量輕等特點，為了更好地滿足這些要求，制備新型納米復合吸波材料成為了當前的研究熱點。
[0003]從目前的吸波材料的發展狀況來看，一種類型的材料很難滿足日益提高的隱身技術所提出的“薄、輕、寬、強”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行多種形式的復合來獲得最佳吸波效果。鐵磁/介電復合結構中存在著大量的異質界面，能夠產生多重折射、多重吸收和界面極化等電池損耗機制，所以鐵磁/介電納米復合材料具有巨大的發展空間和良好的應用前景。鐵磁/介電納米復合材料在一定程度上提高了吸波能力。如:專利200910011350.7公開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殼層作外殼層，鐵鈷合金作為內核的納米膠囊。專利200910010232.4公開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，鎳納米粒子作為內核的納米膠囊。發明專利201310261578.8公開了一種使用多孔性鎳酸鑭粉末制備介電/鐵磁吸收微波復合材料的方法。發明專利201210456057.3公開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是一類似石墨結構的新型半導體，具有合適的半導體寬度(約2.7eV)、結構穩定、耐酸堿、無毒且生物兼容性好、成本低及易于化學改性等優點，已經被用于光催化合成反應、光催化降價污染物、光解水產氫和產氧以及氧化還原反應中。經檢索，Fe@C@g-C3N4 納米復合物微波吸收材料未見報導。
【發明內容】

[0005]為克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種Fe@C@g-C3N4納米復合物微波吸收材料及其制備方法。
[0006]本發明提供了一種Fe@C@g-C3N4納米復合物，該納米復合物微觀結構為Fe@C核殼結構納米膠囊嵌入g-C3N4納米片中。
[0007]本發明還提供了上述Fe@C@g-C3N4納米復合物的制備方法，該材料是利用等離子體電弧放電技術，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極靶材，陰極與陽極靶材之間保持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IMPa?lGpa 下壓制成塊體作為等離子電弧爐的陽極材料，所述陽極靶材中鐵所占的質量百分比為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]本發明還提供了 Fe@C@g-C3N4納米復合物作為微波吸收材料的應用。該納米復合物以40 %?50 %質量百分比的添加量加入到基體物質中制成吸波涂層，該吸波涂層對2? 18GHz頻率范圍內的電磁波具有吸收作用。
[0012]作為一種優化，上述基體物質為石蠟。
[0013]相對現有技術，本發明的突出優點在于[〇〇14]1)本發明首次制備出了 Fe@C@g-C3N4納米復合物；[〇〇15]2)本發明制備過程條件簡單，易于控制，為Fe@C@g-C3N4納米復合物的實際應用提供了條件；
[0016]3)本發明制備納米復合物材料，由于g-C3N4納米片、C殼和Fe納米顆粒內核構成了良好的電磁匹配，在2?18GHz頻率范圍內具有優秀的微波吸收能力，使Fe@C@g-C3N4納米復合物成為2?18GHz范圍內微波吸收強有力的候選材料。【附圖說明】[〇〇17]圖1為本發明制備Fe@C@g-C3N4納米復合物的裝置示意圖；
[0018]圖中標號:1、上蓋;2、陰極;3、閥；4、陽極靶材;5、觀察窗;6、擋板;7、銅陽極;8、夾頭;9、石墨i甘禍;10、直流脈動電源;a、冷卻水;b、氣氣;c、甲燒氣。
[0019]圖2為本發明實施例1制備的Fe@C@g-C3N4納米復合物的X-射線衍射(XRD)圖譜；
[0020]根據JCPDS PDF卡片(JCPDS卡，如.87-0722)，可以檢索出納米復合物主相為？6晶相構成;20 = 27.5°和13°處的兩個峰為g-C3N4( JCPDS卡，N0.87-1562)的特征峰，由于C處于外殼，所以XRD無法檢測出C相。
[0021]圖3為本發明實施例1制備的Fe@C@g-C3N4納米復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為本發明實施例1所制備的Fe@C@g-C3N4納米復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納米復合物為Fe@C核殼結構納米膠囊嵌入g-C3N4納米片中。
[0025]圖5為本發明實施例1制得材料的吸波性能與頻率的關系圖。
[0026]圖6為本發明實施例2制得材料的吸波性能與頻率的關系圖。
[0027]圖7為本發明實施例3制得材料的吸波性能與頻率的關系圖。
[0028]圖8為本發明實施例4制得材料的吸波性能與頻率的關系圖。
[0029]圖9為本發明實施例5制得材料的吸波性能與頻率的關系圖。【具體實施方式】
[0030]下面結合實施例對本發明作進一步的描述，但本發明不局限于下述實施例。
[0031]實施例1
[0032]將圖1所示的裝置上蓋1打開，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質量比90:10)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽極7上，在銅陽極7和陽極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽極靶材4之間保持30mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a，通過閥3把整個工作室抽真空后，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，接通直流脈動電源10，電壓為40V，弧光放電過程中調節工作電流與電壓保持相對穩定，制得Fe@C@g-C3N4納米復合物。該納米復合物微觀結構為Fe@C 核殼結構納米膠囊嵌入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納米復合物與石蠟按照質量比50:50混合，加入正己烷做溶劑， 超聲混合直至正己烷揮發完畢為止，利用磨具壓成內徑為3.04mm，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環試樣在2?18GHz頻率范圍內進行電磁性能測試，利用所得的電磁參數模擬出厚度為 2.4mm試樣的吸波性能與頻率的關系，如圖5所示，最大反射損失值出現在9.04GHz，為-24.7dB〇
[0033]實施例2
[0034]將圖1所示的裝置上蓋1打開，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質量比70:30)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽極7上，在銅陽極7和陽極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽極靶材4之間保持30mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a，通過閥3把整個工作室抽真空后，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，接通直流脈動電源10，電壓為10V，弧光放電過程中調節工作電流與電壓保持相對穩定，制得Fe@C@g-C3N4納米復合物。該納米復合物微觀結構為Fe@C 核殼結構納米膠囊嵌入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納米復合物與石蠟按照質量比40:60混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發完畢為止，利用磨具壓成內徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環試樣在2? 18GHz頻率范圍內進行電磁性能測試，利用所得的電磁參數模擬出厚度為2.0mm試樣的吸波性能與頻率的關系，如圖6所示，最大反射損失值出現在11.6GHz，為-21.7dB。
[0035]實施例3
[0036]將圖1所示的裝置上蓋1打開，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質量比90:10)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽極7上，在銅陽極7和陽極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽極靶材4之間保持2mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a，通過閥3把整個工作室抽真空后，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，接通直流脈動電源10，電壓為20V，弧光放電過程中調節工作電流與電壓保持相對穩定，制得Fe@C@g-C3N4納米復合物。該納米復合物微觀結構為Fe@C 核殼結構納米膠囊嵌入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納米復合物與石蠟按照質量比50:50混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發完畢為止，利用磨具壓成內徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環試樣在2?18GHz頻率范圍內進行電磁性能測試，利用所得的電磁參數模擬出厚度為3.0mm試樣的吸波性能與頻率的關系，如圖7所示，最大反射損失值出現在8.48GHz，為-40.4dB。
[0037]實施例4
[0038]將圖1所示的裝置上蓋1打開，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質量比80:20)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽極7上，在銅陽極7和陽極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽極靶材4之間保持20mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a，通過閥3把整個工作室抽真空后，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，接通直流脈動電源10，電壓為30V，弧光放電過程中調節工作電流與電壓保持相對穩定，制得Fe@C@g-C3N4納米復合物。該納米復合物微觀結構為Fe@C 核殼結構納米膠囊嵌入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納米復合物與石蠟按照質量比50:50混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發完畢為止，利用磨具壓成內徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環試樣在2? 18GHz頻率范圍內進行電磁性能測試，利用所得的電磁參數模擬出厚度為1.7mm試樣的吸波性能與頻率的關系，如圖8所示，最大反射損失值出現在17.4GHz，為-29.3dB。[〇〇39] 實施例5
[0040]將圖1所示的裝置上蓋1打開，用石墨作陰極2固定在夾頭8上，所消耗陽極靶材4的成分為純鐵粉與三聚氰胺粉(質量比80:20)壓成的塊體，放在通冷卻水的銅陽極7上，在銅陽極7和陽極靶材4之間是石墨坩堝9。陰極2與陽極靶材4之間保持2mm的距離。蓋上裝置上蓋1，通冷卻水a，通過閥3把整個工作室抽真空后，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，接通直流脈動電源10，電壓為40V，弧光放電過程中調節工作電流與電壓保持相對穩定，制得Fe@C@g-C3N4納米復合物。該納米復合物微觀結構為Fe@ C核殼結構納米膠囊嵌入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納米復合物與石蠟按照質量比50:50混合，加入正己烷做溶劑，超聲混合直至正己烷揮發完畢為止，利用磨具壓成內徑為3.04_，外徑7mm，厚度為2mm的同軸環試樣在2? 18GHz頻率范圍內進行電磁性能測試，利用所得的電磁參數模擬出厚度為1.9mm試樣的吸波性能與頻率的關系，如圖9所示，最大反射損失值出現在14.8GHz，為-28.4dB。
【主權項】
1.一種Fe@C@g-C3N4納米復合物，其特征在于，該納米復合物微觀結構為Fe@C核殼結構 納米膠囊嵌入g_C3N4納米片中；該納米復合物是利用等離子體電弧放電技術，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極靶材，陰極與陽極靶材之間保持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 極靶材中鐵所占的質量百分比為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.如權利要求1所述Fe@C@g-C3N4納米復合物制成的吸波涂層，其特征在于，所述納米復 合物以40%?50%質量百分比的添加量加入到基體物質中制成吸波涂層。3.如權利要求2所述的吸波涂層，其特征在于:所述的基體物質為石蠟。4.如權利要求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用。
【文檔編號】B22F1/02GK105965011SQ201610392771
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】劉先國, 崔彩云, 陳浩, 孫玉萍
【申請人】安徽工業大學