工业废料煤灰与铁电钙钛矿复合材料的磁介电性能研究及其环境应用价值

本研究针对煤灰（CA）工业废料的环境污染问题，创新性地将其与铁电材料BaTiO3（BT）和KNaNbO3（KNN）复合，通过机械混合法成功制备出0.5CA-0.5BT/KNN多铁性复合材料。研究证实复合材料具有S型磁滞回线（磁有序性）和显著磁介电响应（ε'变化达104量级），为工业废料高值化利用及无铅多铁材料开发提供新思路。

　　

随着全球工业化进程加速，燃煤产生的煤灰（CA）等工业废料每年以亿吨级规模堆积，其含有的重金属和碱性物质对生态环境造成持续威胁。传统填埋处理方式不仅占用土地，更可能引发地下水污染和呼吸道疾病。与此同时，电子工业对无铅多铁性材料的迫切需求与环保法规形成尖锐矛盾。如何将煤灰这类"环境负担"转化为"功能材料"，成为材料科学领域的重要命题。

来自国王沙特大学等机构的研究团队独辟蹊径，选择印度旁遮普邦砖窑收集的煤灰（含Fe₂O₃等磁性组分）与实验室自制的BaTiO₃（BT）、KNaNbO₃（KNN）铁电钙钛矿复合，通过简单的机械混合法制备出0.5CA-0.5BT和0.5CA-0.5KNN两种复合材料。这项发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》的研究揭示，工业废料与功能材料的跨界组合竟能产生奇妙的"1+1>2"效应。

研究采用三大关键技术：X射线衍射（XRD）确认煤灰中α-Fe₂O₃等磁性相与BT/KNN晶相共存；场发射扫描电镜（FESEM）显示复合材料致密度提升、孔隙率降低；综合介电谱仪在0-8T磁场下测试磁介电耦合效应。特别设计的实验将煤灰从"环境污染物"转变为功能材料的核心组分，这种变废为宝的策略极具创新性。

【结构分析】
XRD图谱显示煤灰主要含石英（SiO₂）和赤铁矿（α-Fe₂O₃），其Fe含量通过EDS证实为32.7wt%，属于铁硅铝酸盐分类。复合材料中同时存在BT四方相（JCPDS 05-0626）和KNN单斜相（JCPDS 71-2171）特征峰，证实机械混合未破坏各组分的晶体结构。

【微观形貌】
FESEM图像显示原始煤灰呈不规则多孔结构，而复合后材料晶粒尺寸增大至1-2μm，InLens探测器在30KX放大下观察到BT/KNN颗粒均匀嵌入煤灰基质。EDS面扫描证实Fe元素在复合材料中仍保持均匀分布，这是产生磁性的结构基础。

【磁性能】
室温磁滞回线显示，纯煤灰的饱和磁化强度（M_s）为1.2emu/g，而0.5CA-0.5BT复合材料提升至1.8emu/g。特别值得注意的是"捏缩效应"（pinched hysteresis），这源于煤灰中Fe³⁺与BT/KNN界面处的自旋耦合作用。

【介电性能】
在1kHz频率下，0.5CA-0.5KNN复合材料的介电常数（ε'）达6500，比纯煤灰提高两个数量级。Debye模型拟合参数α=0.85（>0.5）表明存在显著非德拜弛豫行为，这归因于界面极化效应。

【磁介电效应】
施加1T磁场使0.5CA-0.5BT的ε'值产生2.3%变化，这种磁控介电特性使其在传感器领域具有应用潜力。研究团队特别指出，煤灰中Fe₂O₃与BT/KNN形成的"磁性-铁电"界面是产生该效应的关键。

这项研究开创性地证明工业废料煤灰可作为功能性组分制备多铁复合材料。通过精确控制煤灰中32.7wt%的Fe含量，研究人员成功实现了三大突破：一是将环境污染物转化为功能材料组分；二是在无铅体系中获得显著磁介电耦合（2.3%）；三是开发出成本仅为传统方法1/5的机械混合工艺。尽管复合材料的矫顽力（~200Oe）和居里温度仍需优化，但该工作为"固废高值化利用"提供了教科书级的范例，对发展绿色电子材料具有里程碑意义。正如通讯作者Satvir Singh强调的："每吨煤灰的增值利用相当于减少2.3吨CO₂排放，这项技术有望在印度旁遮普邦的砖窑产业率先实现产业化"。