固相法合成MgFe2O4粉體

侯來(lái)廣 任雪潭

摘 要：尖晶石型鎂鐵氧體由于其具有較好頻率特性和良好的光譜選擇吸收性能使其成為重要的吸波材料。其磁各向異性比其它帶有磁矩的金屬陽(yáng)離子尖晶石型鐵酸鹽類要低，被廣泛用做防止電磁波輻射設(shè)備、隱身材料以及紅外輻射材料的吸波劑，具有價(jià)格低廉、吸波性能優(yōu)良等特點(diǎn)。本文以氧化鎂和氧化鐵為主要基本原料，采用固相法進(jìn)行MgFe2O4粉體材料的制備研究。運(yùn)用X 射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)粉體形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。探索配比、燒成溫度、保溫時(shí)間、燒成方式等工藝條件的最佳值。并在最佳制備條件下成功制備了純度較高、質(zhì)量較好的鎂鐵氧體。

關(guān)鍵詞：固相法；鎂鐵氧體；吸波材料；紅外輻射材料

1 前言

紅外輻射材料通常的使用形式包括：紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等。紅外輻射涂料涂覆在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅外輻射涂料一般都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材料。常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等[1]。鐵系尖晶石型鐵氧體具有很高的紅外輻射率，有“黑陶瓷”之稱[2]。

目前具有應(yīng)用價(jià)值的鐵氧體有三種基本類型：尖晶石型鐵氧體、磁鉛石型鐵氧體、石榴石型鐵氧體[3]。由一種金屬離子替代而成的鐵氧體稱為單組分鐵氧體。由兩種或兩種以上的金屬離子替代可以合成出雙組分鐵氧體和多組分鐵氧體。鎂鐵氧體（MgFe2O4）就是單組分鐵氧體。鐵氧體具有較高的電阻率，在高頻不易產(chǎn)生趨膚電流，因而在高頻具有較高的磁導(dǎo)率；此外，鐵氧體的介電常數(shù)較小，可與其它吸波材料混合使用來(lái)調(diào)節(jié)吸波涂層的電磁參數(shù)[4]。鐵氧體吸波材料是較為成熟的吸波材料，具有價(jià)格低廉、吸收效率高、頻帶寬等優(yōu)異特性，可用于制造高溫型紅外輻射涂料。本實(shí)驗(yàn)采用固相法進(jìn)行鎂鐵氧體的制備研究，進(jìn)而為紅外輻射粉體的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支持。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1化學(xué)試劑

2.2 儀器與設(shè)備

2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確定制備高純度鎂鐵氧體的最佳工藝條件，采用單因素實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行鎂鐵氧體粉末制備的研究。同時(shí)考慮氧化鎂與氧化鐵摩爾比、燒成溫度、保溫時(shí)間和加熱方式等對(duì)合成的影響，具體實(shí)驗(yàn)方案如表3、表4所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)的配比，稱取一定量的氧化鎂和氧化鐵粉末。

（2）用瑪瑙研缽研磨1h使兩種粉體充分混合均勻。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫度及保溫時(shí)間在高溫電阻爐中進(jìn)行煅燒。

（4）制得的粉體進(jìn)行X射線衍射、掃描電鏡分析表征以確定它的成分、純度及形貌等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到對(duì)應(yīng)的樣品，樣品純度、顏色見(jiàn)表4所示。

3.1 氧化鎂與氧化鐵配比影響

對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)1、2、3、4、5，在燒成溫度為1250℃，保溫時(shí)間為3 h的相同條件下，分別煅燒配比不同的原料，得到的產(chǎn)物在顏色純度方面存在明顯差異。因氧化鎂、氧化鐵原料中本身含有雜質(zhì)，考慮原料的實(shí)際純度，配置氧化鎂、氧化鐵摩爾比分別為1：0.84、1：0.92、1：1.00、1：1.08、1：1.16進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)1、2的產(chǎn)物中含有剩余的氧化鎂和少量氧化鐵及少量雜質(zhì)；實(shí)驗(yàn)4、5的產(chǎn)物含中氧化鐵剩余；故只有當(dāng)氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1時(shí)，生成產(chǎn)物的純度最佳。

3.2燒成溫度的影響

對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)3、6、7、8，在氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，保溫時(shí)間為3 h的相同條件下，燒成溫度分別為1250℃、1200℃、1150℃、1100℃。實(shí)驗(yàn)3中燒成溫度為1250℃，已經(jīng)在合成鎂鐵氧體的溫度區(qū)間內(nèi)，生成純度較高的目標(biāo)產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)6、7中燒成溫度分別為1200℃、1150℃，分析產(chǎn)物可知，固相反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生有鎂鐵氧體生成，同時(shí)也含有中間鐵氧體及少量雜質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)8中，燒成溫度為1100℃，通過(guò)物相分析可知樣品中幾乎沒(méi)有鎂鐵氧體生成。對(duì)比實(shí)驗(yàn)9、11、13，當(dāng)物料摩爾比為1：1，保溫時(shí)間為4 h的同等條件下，燒成溫度分別為1100℃、1150℃、1200℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)9中幾乎不含目標(biāo)產(chǎn)物，固相反應(yīng)未發(fā)生。實(shí)驗(yàn)11中含有目標(biāo)產(chǎn)物同時(shí)也含有其他的中間鐵氧體及雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)13制得的樣品通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)純度較高，雜質(zhì)含量最少。綜上，合成鎂鐵氧體的最佳工藝條件為：燒成溫度1200℃，保溫時(shí)間4 h。

3.3保溫時(shí)間的影響

對(duì)比實(shí)驗(yàn)8、9、10，在氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，燒成溫度為1100℃的相同條件下，保溫時(shí)間分別為3 h、4 h、5 h。最終得到的產(chǎn)物其顏色為褐色，與生料的顏色接近。通過(guò)X射線衍射分析可知：產(chǎn)物中主要含有未反應(yīng)的氧化鎂和氧化鐵及很少量的中間鐵氧體。對(duì)比實(shí)驗(yàn)7、11、12，在氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，燒成溫度為1150℃的相同條件下，保溫時(shí)間分別為3 h、4 h、5 h。得到的產(chǎn)物顏色為紫褐色且顏色由淺變深。通過(guò)X射線衍射儀分析，紫褐色微細(xì)粉體中均含有目標(biāo)產(chǎn)物鎂鐵氧體，同時(shí)還含有未反應(yīng)的氧化鎂、氧化鐵和少量的其他雜質(zhì)。說(shuō)明固相反應(yīng)在1150℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生，延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以為反應(yīng)提供更多的能量。所以保溫5 h比保溫3 h制得的樣品純度更高，未反應(yīng)的原料及雜質(zhì)含量更少。綜上：當(dāng)燒成溫度未達(dá)反應(yīng)溫度時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行幫助甚微，當(dāng)燒成溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以使反應(yīng)進(jìn)行得更徹底。

3.4合成產(chǎn)物的物相和顯微結(jié)構(gòu)分析

圖2是氧化鎂與氧化鐵摩爾比為1：1，燒成溫度為1200℃，保溫時(shí)間為4 h的條件下制得的鎂鐵氧體的X射線衍射圖，在圖中2θ為30.0°、35.4°、43.0°、53.0°、56.8°處出現(xiàn)了較強(qiáng)的特征衍射峰，與鎂鐵氧體的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰一致，說(shuō)明所制得的主要物質(zhì)為MgFe2O4。而在2θ為33.15°、35.611°處出現(xiàn)Fe2O3的特征衍射峰，但相對(duì)強(qiáng)度極弱，說(shuō)明樣品中所含的Fe2O3雜質(zhì)極少。在此工藝條件下制得的MgFe2O4固體顆粒純度最高。

圖3為氧化鎂與氧化鐵摩爾比1：1，燒成溫度1200℃，保溫4 h的條件下制備的鎂鐵氧體的SEM照片，從圖中可以看出粒徑比較均勻，顆粒形狀不規(guī)則。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物純度的影響因素從大到小依次為原料配比、燒成溫度、保溫時(shí)間。

（2）在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)合成鎂鐵氧體的較佳條件為：考慮氧化鎂和氧化鐵原料的實(shí)際純度，其物質(zhì)的量之比為1：1，合成溫度為1200℃，保溫時(shí)間為4 h的條件下可以合成出粒徑均勻，純度最高的MgFe2O4粉體。

參考文獻(xiàn)

[1] 任曉輝， 張旭東， 何文等. 紅外輻射材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷， 2007， 28（2）： 26-31.

[2] 閆國(guó)進(jìn). 尖晶石型鐵氧體紅外輻射陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能研究[J]. 河南科學(xué)， 2006， 24（4）： 493-495.

[3] 周必雄. 論鐵氧體涂料的輻射特性[J]. 紅外技術(shù)， 1985， 2： 16-20.

[4] Sivakumar N， Narayanasamy A， Greneche J M， et al. Electrical and magnetic behaviour of nanostructured MgFe2O4 spinel ferrite[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2010， 504（2）： 395-402.