铁_镍及其合金纳米粒子的制备及电磁性能研究
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2 大连理工大学 材料系纳米材料科学研究中心 , 辽宁 大连 116023) L I Can2quan1 , ZHAN G Xue2feng2 ,
WAN G Wei2na2 , ZHU Xu2guang2 , DON G Xing2lo ng2 , HU AN G Hao2 (1 School of Science , Shenyang U niversit y of Technology ,
射成为重要的吸波机制 ,使其成为具有广泛应用前景 的新型吸波材料 。目前使用的吸波材料频带都不够 宽 ,为了拓宽频带 ,复合型吸波材料成为研究的热点 。 纳米金属磁性材料是兼有磁损耗和电损耗的双重损 耗吸波材料 ,不同材料的吸波频带不同 。本工作通过 比较 Fe ,Ni 及不同成分 FeNi 合金纳米粒子的吸波特 点 ,试图寻找拓宽 FeNi 复合型材料吸收频带的规律 。
图 1 Fe ,Ni 及 FeNi 合金纳米粒子的 X 射线衍射图 Fig. 1 X2ray diff raction patterns of Fe ,Ni and FeNi alloy nanoparticles
161. 4 127. 7 113. 2 102. 2 44. 50
图 1 为 Fe ,Ni , FeNi 合金纳米粒子的 X 射线衍 射图 。FeNi 合金纳米粒子都由α2( Fe ,Ni) 和γ2( Fe , Ni) 固溶体两相构成 ,没有明显的铁 、镍氧化物的峰出 现 。图 2 为 Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子的 TEM 形貌 照片 ,由图可以看出 ,Fe ,Ni 及 FeNi 合金纳米粒子除 个别粒子粒径较大外 ,大部分粒子粒径在 20～30nm 左右 ,粒径分布比较均匀 ,粒子为圆球状 。由于纳米 粒子表面效应 、磁相互作用等因数影响 ,粒子团聚比 较严重 ,形成了网链状结构 。 将纳米粉体压制成固态圆片状样品 ,在高真空条件 下对其表面进行氩离子轰击 ,以剥离纳米粒子表面的氧 化物层 ,通过 X 光电子衍射谱(XPS) 分析 ,可以了解剥离 前后纳米粒子表面状态及物质种类 ,进一步确定纳米粒
Abstract :The DC arc plasma was used to p repare Fe , Ni and FeNi alloy nanoparticles in a mixt ure of
H2 and Ar gas at mo sp here. The distinct characterizatio n and co ntent of t he Fe , Ni and FeNi allo y nanoparticles were investigated by X2ray diff ractio n ( XRD ) , t ransmissio n elect ro n micro scop y ( T EM) , vibrating sample magneto meter ( V SM) and TC2436 (L ECO L TD. ) N/ O analysis appara2 t us. The elect ro magnetic characteristics of t he Fe , Ni and FeNi alloy nanoparticles were f urt her measure by Agilent 8722 ES microwave net work analyzer in 2～18 GHz range. The experimental re2 sult s show t hat t heε″of t he Fe , Ni , FeNi alloy nanoparticles all appeared t he maximum values at 3 ～4 , 7～10 , 14～16 GHz , respectively. t heε″and μ′of t he FeNi alloy nanoparticles were inversely p roportio nal to t he co ntent of Ni , t he maximum values of μ′p resent at 2～4 GHz , and t he maximum values of μ″move to high f requency wit h t he increasing of Fe’s co ntent . The novel material s co uld be synt hesized for microwave absorptive material s in t he several GHz range wit h t he different co n2 tent of t he Fe and Ni.
表 1 105 Pa( H2 + Ar) 气氛下制备的 Fe , Ni , Fe Ni 合金纳米粒子的成分 、氧含量 、平均粒度及饱和磁化强度 Table 1 Compo sition , mean particle size , co ntent s of oxygen and sat uration magnetizatio n of Fe ,Ni , FeNi alloy nanoparticles
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材料工程/ 2006 年 2 期
铁 、镍及其合金纳米粒子的制备及电磁性能研究
Preparatio n and Microwave Elect ro magnetic Characteristics of Fe , Ni and FeNi Alloy Nanoparticles
李灿权1 , 张雪峰2 , 王威娜2 , 朱旭光2 , 董星龙2 , 黄 昊2 (1 沈阳工业大学 理学院 , 沈阳 110023 ;
Shenyang 110023 , China ; 2 College of Material Science and Engineering , Center for Nano Material s and Science of Dalian U niver sit y of Technology , Dalian 116023 , Liao ning , China)
Oxygen/ %
Oc 5. 20 3. 33 2. 40 1. 58 1. 39
Ot 6. 33 4. 47 3. 26 3. 63 4. 71
Particle size/ nm
28. 8 29. 0 32. 4 29. 5 19. 33
Sat uration magnetization/ ( Am2 ·kg - 1)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
铁 、镍及其合金纳米粒子的制备及电磁性能研究
47
1 实验
轴样品 。
1. 1 实验原料 纯 Fe 棒 ( 99. 9 % , 质 量 分 数 , 下 同) ; 纯 Ni 棒 (991 9 %) ; FeNi 合金棒作为原材料 ; H2 (99. 99 %) 和 Ar (99. 99 %) 作为工作气体 。 1. 2 实验方法 使用超细粒子连续生产设备[5] ,在 105 Pa ( H2 + Ar) 混合气氛下制备 Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子 ,钝化 处理即在纳米粒子表层形成致密氧化物层 ,以防止其 进一步氧化 ,对钝化后的粉体进行结构与性能表征 。 采用 Rigaku D/ MA X2rA X 型 X 射线衍射仪 ( XRD) 进 行纳米粒子晶体结构分析 ;使用 Phillip s EM420 型透 射电子显微镜进行颗粒形貌及粒度分布分析 ; 使用 TC2436 (L ECO L TD. ) N/ O 分析仪进行粉体中氧含 量测定 ,包括吸附态和化合态氧 ;使用 X 光电子衍射 谱 ( XPS) 分析纳米粒子表面氧化物的种类 ;使用振动 样品磁强计 (V SM ,PA R 155 , E G & G ,U SA) 测量粉体 的饱和磁化强度 。电磁参数测量采用同轴法 ,测得样 品 2～18 GHz 范围内微波电磁参数随频率的数值变 化 。同轴样品的制作是将实验所得的粉体与密度为 0. 87g/ cm3 的固体石蜡按一定质量比混合成型为同
Key words :DC arc plasma ; nanoparticle ; absorptio n material
随着通信 、微波及电子技术的发展 ,电磁吸波材 料在很多领域发挥着越来越重要的作用 。从出现吸 波材料以来 ,复合型吸波材料一直都扮演着重要的角 色[1 - 3] 。新一代吸波材料要求频带宽 、吸收强 、质量轻 等特点[4] ,综合考虑这几个因素成为设计吸波材料的 关键 。纳米材料的颗粒尺寸小 、比表面积大 、表面原 子所占比例高 ,悬挂键多 ,从而使界面极化和多重散
2 结果与讨论
2. 1 纳米粒子的表征 表 1 给出 105 Pa ( H2 + Ar) 气氛下制备的 Fe , Ni , FeNi 合金纳米粒子成分 、粉体中的氧含量、平均粒度及 饱和磁化强度。在使用 O/ N 分析仪测定吸附态氧 (Oa ) 和化合态氧 (Oc ) 时 ,升温较慢 ,以便于两者的分离。表 1 中所列总氧量 (Ot ) 是通过快速升温至约 3000 ℃后测 定的值 ,理论上 Oa 与 Oc 之和应与 Ot 相等 ,但由于测 试过程的差异 ,两者测量结果有一定偏差 ,Ot 大于 Oa 与 Oc 之和 ,是由于在缓慢升温时化合态氧不能充分释 放的原因。根据 Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子氧含量的不 同 ,可以判断不同粒子间氧化程度的差异 ,Fe 纳米粒子 的氧化程度大于 Ni 和 FeNi 合金纳米粒子 ,这是由于金 属 Ni 的抗氧化性强于 Fe 的原因。Fe ,Ni 及 FeNi 合金 纳米粒子表面都包覆有较完全的氧化层 ,防止其进一步 氧化 ,使其在空气中可以长期稳定地存在。由于 Fe ,Ni 氧化物的磁化强度低于对应的单质金属 ,因此含有较多 氧化物比重的 Fe ,Ni 及 FeNi 合金纳米粒子的饱和磁化 强度低于对应的块体材料 。
摘要 :利用直流电弧等离子法在 105 Pa H2 + Ar 混合气氛下制备了 Fe , Ni 及 FeNi 合金纳米粒子 ,通过 XRD , TEM , XPS ,VSM 及 TC2436 (L ECO L TD. ) N/ O 分析仪等对纳米粒子结构 、形貌 、成分 、表面状态及静态磁性能进行了表征 , 并通过矢量网络分析仪 ,利用同轴波导的方法对金属纳米粒子进行了电磁参数的测定 。结果发现 :在 2～8 GHz 频率 范围内 ,Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子/ 固体石蜡复合材料的复介电常数虚部ε″在 3～4 ,7～10 ,14～16 GHz 频段均出现 三个峰值 ,随着 Fe 元素含量的增加 ,FeNi 合金纳米粒子的复介电常数ε″损耗值成规律性的增加 ;复磁导率实部μ′也 逐渐增大 ,且在 2～4 GHz 范围出现极大值 ,复磁导率虚部μ″吸收峰值向高频段移动 ,而且当成分 (质量分数/ %) 为 Fe49. 00Ni 和 Fe28. 35Ni 时 ,材料的吸收频带展宽 。 关键词 :直流电弧等离子体法 ;纳米粒子 ;吸波材料 中图分类号 : TM25 文献标识码 :A 文章编号 :100124381 (2006) 0220046205
Sa mple
Fe (a) Fe/ Ni (d) Fe/ Ni (e) Fe/ Ni (f) Ni (c)
Compo sition/ %
Fe 100 80. 40 66. 40 41. 90
0
Ni 0 12. 00 28. 35 49. 00 100
百度文库
Oa 0. 42 0. 41 0. 56 0. 73 0. 79
WAN G Wei2na2 , ZHU Xu2guang2 , DON G Xing2lo ng2 , HU AN G Hao2 (1 School of Science , Shenyang U niversit y of Technology ,
射成为重要的吸波机制 ,使其成为具有广泛应用前景 的新型吸波材料 。目前使用的吸波材料频带都不够 宽 ,为了拓宽频带 ,复合型吸波材料成为研究的热点 。 纳米金属磁性材料是兼有磁损耗和电损耗的双重损 耗吸波材料 ,不同材料的吸波频带不同 。本工作通过 比较 Fe ,Ni 及不同成分 FeNi 合金纳米粒子的吸波特 点 ,试图寻找拓宽 FeNi 复合型材料吸收频带的规律 。
图 1 Fe ,Ni 及 FeNi 合金纳米粒子的 X 射线衍射图 Fig. 1 X2ray diff raction patterns of Fe ,Ni and FeNi alloy nanoparticles
161. 4 127. 7 113. 2 102. 2 44. 50
图 1 为 Fe ,Ni , FeNi 合金纳米粒子的 X 射线衍 射图 。FeNi 合金纳米粒子都由α2( Fe ,Ni) 和γ2( Fe , Ni) 固溶体两相构成 ,没有明显的铁 、镍氧化物的峰出 现 。图 2 为 Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子的 TEM 形貌 照片 ,由图可以看出 ,Fe ,Ni 及 FeNi 合金纳米粒子除 个别粒子粒径较大外 ,大部分粒子粒径在 20～30nm 左右 ,粒径分布比较均匀 ,粒子为圆球状 。由于纳米 粒子表面效应 、磁相互作用等因数影响 ,粒子团聚比 较严重 ,形成了网链状结构 。 将纳米粉体压制成固态圆片状样品 ,在高真空条件 下对其表面进行氩离子轰击 ,以剥离纳米粒子表面的氧 化物层 ,通过 X 光电子衍射谱(XPS) 分析 ,可以了解剥离 前后纳米粒子表面状态及物质种类 ,进一步确定纳米粒
Abstract :The DC arc plasma was used to p repare Fe , Ni and FeNi alloy nanoparticles in a mixt ure of
H2 and Ar gas at mo sp here. The distinct characterizatio n and co ntent of t he Fe , Ni and FeNi allo y nanoparticles were investigated by X2ray diff ractio n ( XRD ) , t ransmissio n elect ro n micro scop y ( T EM) , vibrating sample magneto meter ( V SM) and TC2436 (L ECO L TD. ) N/ O analysis appara2 t us. The elect ro magnetic characteristics of t he Fe , Ni and FeNi alloy nanoparticles were f urt her measure by Agilent 8722 ES microwave net work analyzer in 2～18 GHz range. The experimental re2 sult s show t hat t heε″of t he Fe , Ni , FeNi alloy nanoparticles all appeared t he maximum values at 3 ～4 , 7～10 , 14～16 GHz , respectively. t heε″and μ′of t he FeNi alloy nanoparticles were inversely p roportio nal to t he co ntent of Ni , t he maximum values of μ′p resent at 2～4 GHz , and t he maximum values of μ″move to high f requency wit h t he increasing of Fe’s co ntent . The novel material s co uld be synt hesized for microwave absorptive material s in t he several GHz range wit h t he different co n2 tent of t he Fe and Ni.
表 1 105 Pa( H2 + Ar) 气氛下制备的 Fe , Ni , Fe Ni 合金纳米粒子的成分 、氧含量 、平均粒度及饱和磁化强度 Table 1 Compo sition , mean particle size , co ntent s of oxygen and sat uration magnetizatio n of Fe ,Ni , FeNi alloy nanoparticles
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材料工程/ 2006 年 2 期
铁 、镍及其合金纳米粒子的制备及电磁性能研究
Preparatio n and Microwave Elect ro magnetic Characteristics of Fe , Ni and FeNi Alloy Nanoparticles
李灿权1 , 张雪峰2 , 王威娜2 , 朱旭光2 , 董星龙2 , 黄 昊2 (1 沈阳工业大学 理学院 , 沈阳 110023 ;
Shenyang 110023 , China ; 2 College of Material Science and Engineering , Center for Nano Material s and Science of Dalian U niver sit y of Technology , Dalian 116023 , Liao ning , China)
Oxygen/ %
Oc 5. 20 3. 33 2. 40 1. 58 1. 39
Ot 6. 33 4. 47 3. 26 3. 63 4. 71
Particle size/ nm
28. 8 29. 0 32. 4 29. 5 19. 33
Sat uration magnetization/ ( Am2 ·kg - 1)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
铁 、镍及其合金纳米粒子的制备及电磁性能研究
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1 实验
轴样品 。
1. 1 实验原料 纯 Fe 棒 ( 99. 9 % , 质 量 分 数 , 下 同) ; 纯 Ni 棒 (991 9 %) ; FeNi 合金棒作为原材料 ; H2 (99. 99 %) 和 Ar (99. 99 %) 作为工作气体 。 1. 2 实验方法 使用超细粒子连续生产设备[5] ,在 105 Pa ( H2 + Ar) 混合气氛下制备 Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子 ,钝化 处理即在纳米粒子表层形成致密氧化物层 ,以防止其 进一步氧化 ,对钝化后的粉体进行结构与性能表征 。 采用 Rigaku D/ MA X2rA X 型 X 射线衍射仪 ( XRD) 进 行纳米粒子晶体结构分析 ;使用 Phillip s EM420 型透 射电子显微镜进行颗粒形貌及粒度分布分析 ; 使用 TC2436 (L ECO L TD. ) N/ O 分析仪进行粉体中氧含 量测定 ,包括吸附态和化合态氧 ;使用 X 光电子衍射 谱 ( XPS) 分析纳米粒子表面氧化物的种类 ;使用振动 样品磁强计 (V SM ,PA R 155 , E G & G ,U SA) 测量粉体 的饱和磁化强度 。电磁参数测量采用同轴法 ,测得样 品 2～18 GHz 范围内微波电磁参数随频率的数值变 化 。同轴样品的制作是将实验所得的粉体与密度为 0. 87g/ cm3 的固体石蜡按一定质量比混合成型为同
Key words :DC arc plasma ; nanoparticle ; absorptio n material
随着通信 、微波及电子技术的发展 ,电磁吸波材 料在很多领域发挥着越来越重要的作用 。从出现吸 波材料以来 ,复合型吸波材料一直都扮演着重要的角 色[1 - 3] 。新一代吸波材料要求频带宽 、吸收强 、质量轻 等特点[4] ,综合考虑这几个因素成为设计吸波材料的 关键 。纳米材料的颗粒尺寸小 、比表面积大 、表面原 子所占比例高 ,悬挂键多 ,从而使界面极化和多重散
2 结果与讨论
2. 1 纳米粒子的表征 表 1 给出 105 Pa ( H2 + Ar) 气氛下制备的 Fe , Ni , FeNi 合金纳米粒子成分 、粉体中的氧含量、平均粒度及 饱和磁化强度。在使用 O/ N 分析仪测定吸附态氧 (Oa ) 和化合态氧 (Oc ) 时 ,升温较慢 ,以便于两者的分离。表 1 中所列总氧量 (Ot ) 是通过快速升温至约 3000 ℃后测 定的值 ,理论上 Oa 与 Oc 之和应与 Ot 相等 ,但由于测 试过程的差异 ,两者测量结果有一定偏差 ,Ot 大于 Oa 与 Oc 之和 ,是由于在缓慢升温时化合态氧不能充分释 放的原因。根据 Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子氧含量的不 同 ,可以判断不同粒子间氧化程度的差异 ,Fe 纳米粒子 的氧化程度大于 Ni 和 FeNi 合金纳米粒子 ,这是由于金 属 Ni 的抗氧化性强于 Fe 的原因。Fe ,Ni 及 FeNi 合金 纳米粒子表面都包覆有较完全的氧化层 ,防止其进一步 氧化 ,使其在空气中可以长期稳定地存在。由于 Fe ,Ni 氧化物的磁化强度低于对应的单质金属 ,因此含有较多 氧化物比重的 Fe ,Ni 及 FeNi 合金纳米粒子的饱和磁化 强度低于对应的块体材料 。
摘要 :利用直流电弧等离子法在 105 Pa H2 + Ar 混合气氛下制备了 Fe , Ni 及 FeNi 合金纳米粒子 ,通过 XRD , TEM , XPS ,VSM 及 TC2436 (L ECO L TD. ) N/ O 分析仪等对纳米粒子结构 、形貌 、成分 、表面状态及静态磁性能进行了表征 , 并通过矢量网络分析仪 ,利用同轴波导的方法对金属纳米粒子进行了电磁参数的测定 。结果发现 :在 2～8 GHz 频率 范围内 ,Fe ,Ni ,FeNi 合金纳米粒子/ 固体石蜡复合材料的复介电常数虚部ε″在 3～4 ,7～10 ,14～16 GHz 频段均出现 三个峰值 ,随着 Fe 元素含量的增加 ,FeNi 合金纳米粒子的复介电常数ε″损耗值成规律性的增加 ;复磁导率实部μ′也 逐渐增大 ,且在 2～4 GHz 范围出现极大值 ,复磁导率虚部μ″吸收峰值向高频段移动 ,而且当成分 (质量分数/ %) 为 Fe49. 00Ni 和 Fe28. 35Ni 时 ,材料的吸收频带展宽 。 关键词 :直流电弧等离子体法 ;纳米粒子 ;吸波材料 中图分类号 : TM25 文献标识码 :A 文章编号 :100124381 (2006) 0220046205
Sa mple
Fe (a) Fe/ Ni (d) Fe/ Ni (e) Fe/ Ni (f) Ni (c)
Compo sition/ %
Fe 100 80. 40 66. 40 41. 90
0
Ni 0 12. 00 28. 35 49. 00 100
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Oa 0. 42 0. 41 0. 56 0. 73 0. 79