CN109054740A - 一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料及其制备方法，碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料软磁内核分子式的化学计量比为质量百分比，Fe为85‑95、Si为4‑12、Cr为1‑3，上述三组分的百分比之和为100。其制备方法是：S1、配料：按质量百分比Fe85‑95、Si4‑12、Cr1‑3进行配料；S2、熔炼：在氩气保护下在高真空中频感应炉中熔炼；S3、均匀化处理：获得铸锭，在真空的条件下退火；S4、纳米粉制备：铸锭在直流电弧等离子体纳米粉制备***中制备纳米粉；S5、钝化处理：纳米粉沉积后，将直流电弧等离子体纳米粉制备***的腔体抽至真空状态，再充入氩气，直至达到一个大气压；钝化一段时间后，收集得到碳包覆FeSiCr核‑壳结构的磁性纳米吸波粉体材料。

Description

一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁性吸波材料技术领域，具体涉及一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料的成分组成及其制备方法。

背景技术

吸波材料在民用和军事上都有着重要的应用价值。飞速发展的电子技术给人类生活带来了极大的同时也引起了人们对于电磁污染的担忧，而吸波材料对于电磁波的吸收特性可以有效地解决电磁污染问题。在军事上，吸波材料又被称为隐身材料，现代高科技战争中，隐身材料在各类兵工产品中将有着广泛的应用，吸波材料的研究为军用方面一个非常重要的课题。从目前各国的战备来看，吸波材料已经取得了非常有价值的成果，并成功的在诸如隐身飞机、隐形舰艇等上得到了重要应用。

从损耗机理来看，吸波材料主要分为磁性吸波材料和介电型吸波材料。相比较而言，有关磁性吸波材料的报道更多。目前，磁性吸波材料主要有铁氧体磁性吸波材料、金属微粉磁性吸波材料、多晶金属纤维磁性吸波材料和纳米磁性吸波材料等。其中纳米材料独特的结构使其具有隧道效应、量子效应、小尺寸效应和界面效应等，因此纳米磁性吸波材料不仅具有较好的电磁波吸收特性，而且具有涂层薄，有效吸收频带宽等优势。

发明内容

本发明目的是提供一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料及其制备方法。采用过饱和碳源制备得到的FeSiC@C磁性纳米吸波材料具备核-壳结构和碳网状结构，该结构提高材料的介电损耗、优化了材料的阻抗匹配，使得材料的吸波性能得到显著提升。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料，所述FeSiCr软磁内核分子式的化学计量比为质量百分比，其中，Fe为85-95、Si为4-12、Cr为1-3，上述三组分的百分比之和为100。

进一步的，上述技术方案中，FeSiCr软磁内核的化学计量比为质量百分比，其中，Fe为90、Si为8、Cr为2。

进一步的，本发明提供了上述碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、配料：以纯度≥99.9％的Fe、Si、Cr单质为原料，按质量百分比Fe85-95、Si4-12、Cr1-3进行配料；

S2、熔炼：将步骤S1中配好的料在氩气保护下在高真空中频感应炉中熔炼；

S3、均匀化处理：将步骤S2中获得铸锭，在真空的条件下，在1000℃～1100℃温度退火24～48小时；

S4、纳米粉制备：将步骤S3所得铸锭在直流电弧等离子体纳米粉制备***中制备纳米粉，采用的气氛为氩气+活性气体(碳源)；

S5、钝化处理：待步骤S4所得的纳米粉沉积后，将直流电弧等离子体纳米粉制备***的腔体抽至真空状态，再充入氩气至气压达到50kPa，然后每隔30分钟充一次空气，每次将气压提升5kPa，直至达到一个大气压；钝化一段时间后，收集得到碳包覆FeSiCr核-壳结构的磁性纳米吸波粉体材料。

进一步的，述技术方案中，步骤S3中均匀化退火的温度为1050℃，保温时间为36小时。

进一步的，上述技术方案中，步骤S4中制备纳米粉时所采用的气氛的配比为氩气50％～70％、甲烷30％～50％。

进一步的，上述技术方案中，步骤S4在直流电弧等离子体纳米粉制备***中制备纳米粉时所采用的稳弧电流为60～100A。

进一步的，上述技术方案中，步骤S5钝化处理的时间为8～10小时。

进一步的，上述制备方法还包括步骤S6，即检测步骤S5所得碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波粉体材料的电磁参数并计算反射率R。

优选地，上述技术方案中，所述步骤S6的检测方法为：将碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm、厚度为3mm左右的同轴试样；利用检测仪器为AgilentPNA-L5230C矢量网络分析仪进行测量，分别测量试样在1-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，单层吸波材料的反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的复介电常数、复磁导率和厚度，f为电磁波的频率，c为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料以具有高磁导率的FeSiCr软磁合金为基体，采用碳包覆的方法，制备得到核-壳结构的FeSiCr@C磁性纳米吸波材料，且因为过饱和碳源的作用，使得材料同时形成了碳网状结构。碳包覆的方法一方面有效地提高了材料的介电损耗；另一方面在保证磁导率变化不大的条件下，通过提高介电常数，优化阻抗匹配，从而提高材料的吸波性能。

在此基础之上，本发明的制备工艺过程将采用过饱和碳源对FeSiCr软磁合金基体进行包覆，在得到核-壳结构的同时形成碳网状结构，进一步增加了材料的介电损耗、优化了材料的阻抗匹配。采用过饱和碳源制备的FeSiC@C磁性纳米吸波材料不仅具有质轻的特点，且因为碳层的包覆对软磁内核起到了保护作用，提高了材料的稳定性，从而更有益于其实际应用及工业化生产要求，因此碳包覆FeSiC@C磁性纳米吸波材料具有可期的发展前景和良好的应用价值。

这样的复合结构提升了材料的介电损耗、优化了材料的阻抗匹配，有效地提高了材料的吸波性能。因为轻质元素碳的增多，使得材料的密度降低，强化了材料质轻的特点；另外，由于碳层对软磁内核的保护作用提高了材料的稳定性，从而更有益于其实际应用，因此通过本发明制备得到的碳包覆FeSiCr核-壳结构的磁性纳米吸波材料具有较好的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的制备方法工艺流程图；

图2是本发明中碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料的X射线衍射图；

图3是本发明中碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料的透射电镜图；

图4是本发明中碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料的高分辨透射电镜图；

图5是本发明中FeSiCr磁性纳米吸波材料经过碳包覆前后的复介电常数对比图；

图6是本发明中FeSiCr磁性纳米吸波材料经过碳包覆前后的吸波性能对比图。

具体实施方式

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。以便于进一步理解本发明。以下实施例中所有使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。

实施例1：如图1所示，本实施例的碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料制备方法，包括如下步骤：

(1)配方：

Fe₉₀Si₈Cr₂(质量百分比)

(2)制备顺序：

步骤1：以纯度≥99.9％的Fe、Si、Cr单质为原料，按质量百分比Fe90、Si8、Cr2进行配料；

步骤2：将配好的料在氩气保护下在高真空中频感应炉中熔炼；

步骤3：将获得铸锭，在真空的条件下，在1050℃温度下均匀化退火36小时；

步骤4：将均匀化热退火后的铸锭，在直流电弧等离子体纳米粉制备***中制备碳包覆核-壳结构的纳米粉。采用的气氛配比为氩气60％、甲烷40％，甲烷为碳源。首先采用38A的小电流起弧，等稳定后再将电流逐渐增大至80A，并观察样品的熔融状态。

步骤5：待所得纳米粉沉积后，将直流电弧等离子体纳米粉制备***的腔体抽至10^-1kPa左右的低真空状态，再充入氩气至腔体的气压达到50kPa，然后每隔30分钟充入一次空气，每次将气压提升5kPa，直至腔体内部的气压达到一个大气压。钝化9个小时后，收集得到碳包覆FeSiCr核-壳结构的磁性纳米吸波粉体材料。

(3)检测表征：

采用PANalytical-Empyrean型X射线衍射仪，对步骤5所得纳米粉的相组成进行表征；

采用TecnaiG2-20型透射电子显微镜对步骤5所得纳米粉的形貌特征和碳层的特征进行表征；

采用AgilentPNA-L5230C矢量网络分析仪测试材料的电磁参数并计算反射率。以步骤5钝化后的纳米粉和石蜡按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm，厚度为2.5mm左右的同轴试样。测量试样在1-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，所述单层吸波材料的反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的复介电常数、复磁导率和厚度，f为电磁波的频率，c为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。

实施例2，如图1所示，本实施例的碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料制备方法，包括如下步骤：

(1)配方：

Fe₈₅Si₁₂Cr₃(质量百分比)

(2)制备顺序：

实施例2与实施例1的不同之处在于将实施例1的步骤4中的气氛配比调整为氩气70％、甲烷30％，其他方案与实施例1相同。

实施例3，如图1所示，本实施例的碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料制备方法，包括如下步骤：

(1)配方：

Fe₉₅Si₄Cr₁(质量百分比)

(2)制备顺序：

实施例3与实施例1的不同之处在于将实施例1的步骤4中的气氛配比调整为为氩气50％、甲烷50％，其他方案与实施例1相同。

实验结果：

采用过饱和碳源制备得到的碳包覆FeSiCr核-壳结构的磁性纳米吸波材料，具有FeSiC@C核-壳结构的同时形成了碳网状结构。这样的复合结构提升了材料的介电损耗，有效地提高了材料的吸波性能。

通过PANalytical-Empyrean型X射线衍射仪，Cu靶收集得到的化合物的X射线衍射数据，如图2所示。图中可见主要相组成为(Fe·Cr)峰和C峰。

通过TecnaiG2-20型透射电子显微镜表征样品的形貌特征和碳层的特征，分别如图3和图4所示。从图3中可见，采用过饱和碳源制备得到的碳包覆FeSiCr纳米粉体吸波材料形成了明显的核-壳结构和碳网状织构；从图4高分辨透射电镜可见，每一层碳原子间距约为0.34nm，表明纳米颗粒的外壳为石墨化碳层。

通过AgilentPNA-L5230C矢量网络分析仪测试材料得到的介电常数如图5所示。从图5中可见，碳包覆FeSiCr核-壳结构的磁性纳米材料的复介电常数得到了显著提高。

通过AgilentPNA-L5230C矢量网络分析仪测试材料得到的复磁导率和复介电常数，所述单层吸波材料的反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的复介电常数、复磁导率和厚度，f为电磁波的频率，c为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。计算得到未包覆碳层以及碳包覆后的FeSiCr纳米材料的反射率对比如图6所示。从图中可见，当吸波涂层厚度d＝2.0mm时，未包覆碳层的FeSiCr纳米材料的反射率最小值为-11.2dB；碳包覆后的FeSiCr纳米材料的反射率最小值达到-23.3dB，吸波性能得到了明显提升。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料，其特征在于：所述FeSiCr软磁内核分子式的化学计量比为质量百分比，其中，Fe为85-95、Si为4-12、Cr为1-3，上述三组分的百分比之和为100。

2.如权利要求1所述碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料，其特征在于：所述FeSiCr软磁内核的化学计量比为质量百分比，其中，Fe为90、Si为8、Cr为2。

3.一种制备如权利要求1或2所述碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、配料：以纯度≥99.9％的Fe、Si、Cr单质为原料，按质量百分比Fe85-95、Si4-12、Cr1-3进行配料；

S2、熔炼：将步骤S1中配好的料在氩气保护下在高真空中频感应炉中熔炼；

S3、均匀化处理：将步骤S2中获得铸锭，在真空的条件下，在1000℃～1100℃温度退火24～48小时；

S4、纳米粉制备：将步骤S3所得铸锭在直流电弧等离子体纳米粉制备***中制备纳米粉，采用的气氛为氩气+活性气体；

S5、钝化处理：待步骤S4所得的纳米粉沉积后，将直流电弧等离子体纳米粉制备***的腔体抽至真空状态，再充入氩气至气压达到50kPa，然后每隔30分钟充一次空气，每次将气压提升5kPa，直至达到一个大气压；钝化一段时间后，收集得到碳包覆FeSiCr核-壳结构的磁性纳米吸波粉体材料。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤S3中均匀化退火的温度为1050℃，保温时间为36小时。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤S4中制备纳米粉时所采用的气氛的配比为氩气50％～70％、甲烷30％～50％。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤S4在直流电弧等离子体纳米粉制备***中制备纳米粉时所采用的稳弧电流为60～100A。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤S5钝化处理的时间为8～10小时。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括步骤S6，即检测步骤S5所得碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波粉体材料的电磁参数并计算反射率R。

9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S6的检测方法为：将碳包覆FeSiCr磁性纳米吸波粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm、厚度为3mm左右的同轴试样；利用检测仪器为AgilentPNA-L5230C矢量网络分析仪进行测量，分别测量试样在1-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，单层吸波材料的反射率R采用下式计算模拟：

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的复介电常数、复磁导率和厚度，f为电磁波的频率，c为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。