一种四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料及其制备方法与流程

1.本发明属于吸波材料领域，涉及一种四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料及其制备方法。


背景技术：

2.铁氧体材料作为重要的电磁波的吸收剂，是一种双复合介质材料，它兼具磁性和介电性能，因此有很好的吸波特性，并且成本低、体积小，作为一种吸波材料，在阻抗匹配方面，它对电磁波不仅有磁吸收而且有电吸收；在衰减匹配方面，磁损耗和电损耗也是其对电磁波损耗的来源，两者的结合可使电磁波获得最大的吸收和损耗。铁氧体材料也避免不了存在缺点，如密度高、吸收频带窄、耐高温性能差。
3.fe3o4粉体电磁波吸收剂具有原料广泛、易制取、无毒等优点，但易团聚、温度适应差。纳米四氧化三铁是一种性能出众的电磁波吸收材料，但其吸收频带窄，极易团聚严重限制了其应用。
4.fe3o4是目前磁性材料中极具潜力的电磁波吸收剂，fe3o4中同时具有fe
2
和fe
3
，材料中的自由电子很容易在不同离子之间发生跃迁，因而表现出半导体性质，具有一定的导电性，是一种双损介质材料。然而fe3o4作为电磁波吸收材料的研究热点之一，仍难以同时满足电磁波吸收材料厚度薄、质量轻、频带宽、吸收强的性能要求，仅在低频范围具有一定的电磁波吸收效果，因此fe3o4仍然无法直接作为电磁波吸收材料。
5.生物质碳是指以自然界中自然存在的有机化合物如植物等通过高温烧结去除材料本身含有的非碳元素而制备得到的一类材料。其具有原料广泛易获得、低成本、大比表面积，高孔隙率，性能稳定，绿色环保、环境友好等特点，已成为当前吸波材料的研究热点。最近的研究发现，生物质碳材料具有独特的微观结构，其内部众多的微观孔道不仅可以降低材料的密度和导电性，而且有利于提升材料的阻抗匹配性能，使电磁波尽可能多地进入材料内部发生多重散射和反射，从而消耗电磁波。另外，生物质碳表面含有大量的含氧官能团，不仅能产生更多的电子偶极极化，还有利于与其他材料复合。
6.生物质碳材料的损耗机制仅限于单向介质损耗，不足以获得合适的阻抗匹配。在这种情况下，电磁波的大部分很容易从吸收器表面反射，而不是被衰减。因此，应优先考虑阻抗匹配。在碳系统中引入磁性材料是调节吸收器复介电常数和复磁导率的有效方法，可以增强阻抗匹配，提高吸收性能。随着fe的加入，复合材料的磁损耗得到了改善，但过多的fe导致了复合材料的阻抗失配。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种四氧化三铁/生物质多孔碳(fe3o4/bpc)复合吸波材料及其制备方法，解决了现有材料固有的易团聚、温度适应性差、低频吸收性能差的缺陷。本发明制备得到的fe3o4/bpc复合吸波材料密度低，团聚现象减少、吸波性能性能显著提高。
8.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
9.本发明公开了一种四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
10.将生物质碳源经清洗后干燥，将干燥后的生物质碳源浸泡于铁源溶液中吸收铁离子；将浸泡后的生物质碳源清洗后干燥，然后进行煅烧处理，制得四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料。
11.优选地，生物质碳源为木耳。
12.优选地，生物质碳源的清洗操作包括：将生物质碳源在乙醇中超声清洗；生物质碳源的干燥操作包括：60℃条件下干燥2h。
13.优选地，铁源溶液为硝酸铁溶液、硫酸铁溶液、氯化铁溶液或醋酸铁溶液。
14.优选地，铁源溶液的浓度为0.2
‑
2mol/l。
15.优选地，生物质碳源与铁源溶液的投料比为10g：100ml。
16.优选地，浸泡温度为60～80℃，浸泡时间为6～18h。
17.优选地，煅烧处理的操作参数包括：在真空下，在400
‑
800℃温度下煅烧2h。
18.本发明公开了采用上述制备方法制得的一种四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明公开了一种四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料的制备方法，通过以生物质材料作为碳源，能够利用生物质碳中的孔道结构将后续生成的fe3o4掺杂到孔道中，通过将生物质碳源浸泡于铁源溶液中进行吸附处理，能够采用工艺简单的方法制备出将fe3o4掺杂到生物质碳源中的复合材料。因此，本发明所述制备方法，具有工艺操作简单、适用范围广泛的优点，且能够有效解决材料团聚现象的产生。
21.进一步地，通过选择木耳作为生物质碳源，利用木耳具有极强的吸水能力，在本发明的具体实施例中，干木耳吸水后体积可膨胀到原来的二十倍之多，并实现吸水和脱水过程可循环多次，体现木耳结构有很好的稳定性。此外，木耳同样对金属盐溶液有很强的吸附能力，金属盐离子可以均匀的分散在木耳的细胞内和组织间的空隙里。因此能够有效避免团聚现象并实现fe3o4磁性粒子的吸附。
22.本发明公开了采用上述制备方法制得的一种四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料，生物质碳源中具有丰富的孔道结构，fe3o4磁性粒子会嵌入到生物质碳的孔道中，并附着到生物质碳源表面，在生物质碳源材料中掺杂fe3o4纳米颗粒会使介电常数的实部ε'和虚部ε”降低，磁导率的实部μ'和虚部μ”升高，损耗正切值tanδ升高；在生物质碳源材料中掺杂fe3o4纳米颗粒的复合材料会使反射率损耗降低，最大的吸收峰会向低频移动，意味着吸波能力提高。因此，本发明在团聚现象减少的同时，能够显著提高所制备材料的吸波性能。
附图说明
23.图1为本发明实施例5所制备成品的扫描电子显微镜照片；
24.图2为本发明实施例5所制备成品的xrd测试结果图；
25.图3为本发明实施例5所制备成品的吸波性能测试结果图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.本发明采用直接碳化法制备了嵌有fe3o4磁性粒子的生物质碳磁性吸波材料，即得到四氧化三铁/生物质多孔碳(fe3o4/bpc)(bpc，biomass porous carbon)复合吸波材料。所述fe3o4/bpc复合吸波材料的制备方法具体包括以下步骤：
29.(1)将生物质碳源在乙醇中超声清洗，清洗过后放在烘箱中干燥。
30.(2)将干燥后的生物质碳源浸入硝酸铁/硫酸铁/氯化铁/醋酸铁溶液中，并放入烘箱中一段时间使其充分吸收铁离子。
31.(3)将浸泡后的生物质碳源取出，超声清洗，并放入烘箱中干燥。
32.(4)浸泡并干燥后的生物质碳源作为前驱体在真空下，在水平真空管式炉中煅烧，获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料，即得到fe3o4/bpc复合吸波材料。
33.优选的，所述步骤(1)中生物质碳源为木耳，超声清洗时间为1h，烘箱干燥温度为60℃干燥2h。
34.优选的，所述步骤(2)中放入生物质碳源为10g，硝酸铁/硫酸铁/氯化铁/醋酸铁溶液为100ml0.2
‑
2mol/l。
35.优选的，所述步骤(2)中，将干燥后的生物质碳源浸泡在盛有硝酸铁/硫酸铁/氯化铁/醋酸铁溶液的烧杯中，放入烘箱前用保鲜膜密封整个烧杯体系，避免挥发，使木耳更好的吸收铁离子。
36.优选的，所述步骤(2)烘箱干燥温度为60～80℃，放置时间为6～18h。
37.优选的，所述步骤(3)中超声清洗时间为30min，烘箱干燥温度为60℃干燥36h。
38.优选的，所述步骤(4)中的管式炉中在真空下，以升温速率为5℃/min到400
‑
800℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)。
39.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述：
40.实施例1
41.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
42.(2)将10g木耳浸入盛有100ml0.2mol/l的硝酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入60℃的烘箱中6h充分吸收铁离子。
43.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
44.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到400℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
45.实施例2
46.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
47.(2)将10g木耳浸入盛有100ml2mol/l的硝酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入60℃的烘箱中6h充分吸收铁离子。
48.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
49.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到600℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
50.实施例3
51.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
52.(2)将10g木耳浸入盛有100ml0.2mol/l的硝酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入60℃的烘箱中6h充分吸收铁离子。
53.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
54.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到800℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
55.实施例4
56.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
57.(2)将10g木耳浸入盛有100ml1mol/l的硝酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入60℃的烘箱中6h充分吸收铁离子。
58.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
59.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到800℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
60.实施例5
61.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
62.(2)将10g木耳浸入盛有100ml2mol/l的硝酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入60℃的烘箱中6h充分吸收铁离子。
63.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
64.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到800℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
65.实施例6
66.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
67.(2)将10g木耳浸入盛有100ml1.5 mol/l的硫酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入70℃的烘箱中18h充分吸收铁离子。
68.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
69.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到500℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
70.实施例7
71.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
72.(2)将10g木耳浸入盛有100ml0.5 mol/l的氯化铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入80℃的烘箱中18h充分吸收铁离子。
73.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
74.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到700℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
75.实施例8
76.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
77.(2)将10g木耳浸入盛有100ml1.1 mol/l的醋酸铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入65℃的烘箱中18h充分吸收铁离子。
78.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
79.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到550℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
80.实施例9
81.(1)将干木耳在乙醇中超声清洗1h，放在60℃烘箱中干燥2h。
82.(2)将10g木耳浸入盛有100ml1.8 mol/l的氯化铁溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后放入75℃的烘箱中6h充分吸收铁离子。
83.(3)将浸泡后的木耳取出，超声清洗30min，放入60℃的烘箱中干燥36h。
84.(4)浸泡并干燥后的木耳作为前驱体在真空下，以升温速率为5℃/min到680℃煅烧2h获得四氧化三铁和生物质多孔碳的复合材料(fe3o4/bpc)，即为fe3o4/bpc复合吸波材料。
85.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
86.如图1所示碳化得到的生物质碳源具有丰富的孔道结构，fe3o4在生物质碳源上嵌入均匀，可以看出在孔道结构中也嵌入了均匀的fe3o4磁性粒子。
87.如图2所示可知四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料在30.1
°
，35.3
°
，57.07
°
和62.5
°
有衍射峰，这与fe3o4的标准卡片((jcpds card；19
‑
0629)相一致，这说明成功合成了fe3o4磁性粒子。在45
°
和65
°
处的衍射峰说明产生了fe相，且峰比较尖锐说明结晶度较好。
88.如图3所示可知四氧化三铁/生物质多孔碳复合吸波材料最大的吸收峰值为
‑
30.4db，最大吸收带宽为2.45ghz，此时的厚度为2.06mm。
89.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。