纳米结构复合材料——羰基铁/钴铁氧体及羰基镍/钴铁氧体的合成与电物理性质

《Journal of Alloys and Compounds》：Synthesis and electrophysical properties of nanostructured composites carbonyl iron/cobalt ferrite and carbonyl nickel/cobalt ferrite

本研究通过共沉淀法制备了铁基（CIP）和镍基（CNP）纳米颗粒涂覆的钴铁氧体复合材料，发现添加铁氧体可显著提升复合材料的介电损耗和磁损耗，在40GHz微波范围内实现超过14dB的吸收性能。通过介电相分析发现，铁基复合材料因表面铁氧化物层导致电导异常，而镍基材料临界电导指数更低。研究表明，优化铁氧体含量比例可有效增强宽频微波吸收能力，为开发高效薄层吸波材料提供新思路。

　　

作者：奥克萨娜·利索娃（Oksana Lisova）、谢尔盖·普罗科彭科（Sergii Prokopenko）、斯坦尼斯拉夫·马赫诺（Stanislav Makhno）、格奥尔基·胡尼亚（Hunya Grygorii）、P.P. 霍尔比克（P.P. Horbyk）

乌克兰国家科学院丘伊科表面化学研究所，General Naumov街17号，基辅，03164，乌克兰

摘要

基于不同铁氧体含量的羰基铁/钴铁氧体（CIP/CoFe₂O₄）和羰基镍/钴铁氧体（CNP/CoFe₂O₄）复合材料的微粒结合了介电、导电和磁性特性，这使得它们在40 GHz范围内的微波频率下具有高达14 dB以上的高吸收率。

根据电物理研究结果，考虑到钴铁氧体和空气这两种介电相，计算得出CIP/CoFe₂O₄的渗透理论阈值为0.72，CNP/CoFe₂O₄的渗透理论阈值为0.6；所研究复合材料的临界导电率指数t分别为3.2和2.1。CIP/CoFe₂O₄复合材料的临界指数t与理论值的偏差（t=3.2）表明铁微粒表面存在额外的介电相，并形成了隧道接触。元素分析方法显示，未含有钴铁氧体纳米颗粒的羰基铁表面覆盖着一层高电阻的氧化铁层。

引言

电子技术和电子产业的快速发展、无线通信的普及以及电子设备的广泛应用导致了电磁污染问题，这已成为一个严重的问题。微波辐射不仅影响电子设备的性能和寿命，还对人体健康造成危害[1]。因此，在军事和民用领域，研究具有宽频吸收率和薄层特性的材料变得越来越重要[2][3]。

电磁能量的吸收通过介电损耗和磁损耗实现，两者的最佳比例能够确保最大的吸收效率[4]。当电磁波照射到材料表面时，不同介质之间的波阻抗差异会导致反射，介质之间的波阻抗差异越大，反射系数也越大[5]。

然而，使用标准吸波材料时，在单层结构中实现宽带吸收存在困难，通常难以在宽频率范围内获得较大的吸收值。在某研究中，使用羰基铁和炭黑制备的单层吸波涂层仅在7.9至18 GHz频率范围内实现了-4 dB的反射损耗[6]。

各种铁氧体、替代铁氧体、陶瓷材料、双金属、含有导电和磁性成分的纳米复合材料或导电聚合物基体以及核壳复合材料都可以作为吸波材料的活性成分。对于磁性金属或合金而言，高磁导率和强磁损耗是其优势；但磁损耗仅限于狭窄的频率范围，而高导电性则限制了宽带吸收[7][8]。

羰基铁和羰基镍是通过化学分解纯化的五羰基铁和四羰基镍制备的高纯度金属。羰基铁粉末是最广泛使用和研究的吸波材料之一[10]，但其窄共振频率带宽和大质量等缺点限制了其进一步的应用。

环氧树脂被用于将羰基铁粉末（CIP）封装成核壳结构，以制备吸波材料[11]。多层吸波材料的发展变得越来越重要。利用具有不同吸波剂的层的吸收特性，可以在更宽的频率范围内实现最大吸收值[12][13]。

本研究的目的是在羰基铁（CIP）和羰基镍（CNP）表面合成不同铁氧体含量的钴铁氧体纳米颗粒，并确定吸收微波电磁辐射的最佳比例。

材料与方法

通过在水合肼存在下，从铁盐和羰基铁或镍的水悬浮液中共沉淀制备了两系列CIP/CoFe₂O₄和CNP/CoFe₂O₄复合材料。将Fe(NO₃)₃·9H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O的化学计量量溶解在去离子水中，然后加入适量的聚乙烯吡咯烷酮溶液。调节混合物的pH值至8.0后煮沸4小时，最终得到粉末。

结果与讨论

通过XRD分析（图1）研究了合成铁氧体以及改性后的羰基铁（CIP）和羰基镍（CNP）的晶体结构。CIP/CoFe₂O₄（图1a）和CNP/CoFe₂O₄（图1b）的衍射图显示样品中存在立方相的铁（JCPDS 89-7194）、镍（JCPDS 89-7128）和钴铁氧体（JCPDS 03-0064）。

合成过程中，钴铁氧体纳米颗粒与基底颗粒（铁和镍）的质量比经过优化选择。

结论

通过共沉淀法制备了不同铁氧体含量的CIP/CoFe₂O₄和CNP/CoFe₂O₄复合材料。尽管所得体系总体相似，但CIP/CoFe₂O₄和CNP/CoFe₂O₄复合材料的导电率曲线存在显著差异。含有最低铁氧体含量的复合材料表现出4至5个数量级的导电率，表明其中存在额外的介电成分。

作者贡献声明

彼得罗·霍尔比克（Petro Horbyk）：验证、监督、项目管理。 格奥尔基·胡尼亚（Hunya Grygorii）：验证、监督、方法学研究、数据分析。 谢尔盖·普罗科彭科（Sergii Prokopenko）：撰写与编辑、可视化处理、验证、监督、数据分析、概念构建。 斯坦尼斯拉夫·马赫诺（Stanislav Makhno）：监督、方法学研究、数据分析、概念构建。 奥克萨娜·利索娃（Oksana Lisova）：撰写与编辑、初稿撰写、可视化处理、监督、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。