[发明专利]一维磁性Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低维磁性纳米复合材料领域，具体指一种Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维及其制备方法。

背景技术

磁性过渡金属或合金有较高的饱和磁化强度和初始磁导率，但缺点是在空气中不稳定易被氧化，同时由于电阻率较低在高频范围内将产生涡流损耗，从而导致高频电磁性能显著下降；铁氧体具有较高的电阻率、力学强度和化学稳定性，拥有较好的高频电磁性能，但不足之处就是饱和磁化强度相对较低。磁性过渡金属或合金与铁氧体的复合纳米结构不仅可以保持各组元的功能及特点，而且还可能通过磁性相间的磁相互作用产生一些新的特性，拥有更为优良的物理和化学性能，在磁记录、磁阻器件、磁传感器、电磁波吸收、抗电磁干扰、催化和生物医学等方面有着广阔的应用前景，由其构成的材料和器件有望克服金属磁性材料的高频损耗大和铁氧体材料饱和磁化强度以及Snoek极限低的缺点，从而受到人们广泛的关注。但迄今人们对磁性过渡金属或合金/铁氧体复合纳米材料的研究主要还是集中在复合纳米颗粒和薄膜上，目前制备此类复合纳米材料的方法主要有热还原法、水(溶剂)热法、球磨法、液相包覆法、氧化还原-金属转移过程、软溶液法、化学气相沉积和溅射等。

近十多年来，一维磁性纳米结构材料如纳米纤维、纳米线、纳米管和纳米带等由于在电、光、磁等方面表现出不同于相应体材和其他形态纳米结构材料的新颖特征以及它们在基础研究和高技术应用方面的重要价值而备受关注，被认为是构筑未来新型电、磁等功能材料与器件的重要组元。如在隐身技术和抗电磁干扰领域，  一维磁性纳米结构吸收剂由于其高的形状各向异性和磁各向异性场，在长轴方向可获得很高的磁导率，能够摆脱各向同性纳米颗粒对有效磁导率的限制，因此可以在占空比较小的情况下获得较高的吸收效率，从而有利于减轻吸波涂层的重量并加宽对电磁波的有效吸收频带，被认为是一种有望能够满足现代隐身材料发展需求(即涂层薄、重量轻、频带宽、吸收强)的新型高性能电磁波吸收剂。

至今有许多方法如模板辅助生长、溶剂热合成以及基于气液固机制的高温催化生长等被发展用于设计和合成一维磁性纳米结构材料，但这些制备技术或多或少都具有一些不足之处，不是工艺复杂、流程较长，就是需要模板或催化剂，不利于转化为工业化生产。静电纺丝是利用聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得微纳米级纤维的一种纺丝技术，近些年作为一种简单而高效的方法被广泛开发应用于制备直径从数十纳米至几微米的各种无机物如金属、氧化物、碳化物、氮化物等微纳米纤维。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一维Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维及其制备方法，该方法工艺简单，所用原料及设备廉价，易于转化为工业化生产。本发明所制得的Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维由面心立方尖晶石结构钴铁氧体和体心立方结构Fe-Co合金构成，形貌可控，其直径基本上控制在100nm以下，室温下具有优良的磁性，饱和磁化强度为74～248emu/g，矫顽力为49～110kA/m。

本发明的技术方案为：一种一维磁性Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维，纤维直径为50～100nm，Fe-Co合金相为体心立方结构，通过改变钴铁氧体纳米的制备温度及其在氢气气氛中的还原温度和时间能够调控复合纳米纤维中合金相的含量由约10wt％到接近100wt％之间变化。

制备所述的一维磁性Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维的方法是：先通过溶液静电纺丝获得聚合物/无机盐复合前驱体纳米纤维，然后在空气气氛中焙烧制备出单相尖晶石结构钴铁氧体(CoFe₂O₄)纳米纤维，最后再在氢气气氛中通过调控还原温度和还原时间进行不同程度的还原处理，所述的还原温度为290～400℃，还原时间为15～240min，得到的Fe-Co合金/钴铁氧体复合纳米纤维中合金相含量从约10wt％到接近100wt％变化；其中所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯腈(PAN)的任意一种，溶剂为水、乙醇或二甲基甲酰胺(DMF)中的任一或任几种的任意比例混合物，所述的无机盐为Co和Fe的硝酸盐或乙酸盐，按物质的量之比Co：Fe=1：2投料。

所述的静电纺丝时的工艺参数为：电压10～25kV，溶液供给速率0.3～1.0mL/h，固化距离10～25cm，温度15～30℃，湿度35～60％。

所述的钴铁氧体纳米纤维的焙烧温度为400～800℃，保温时间1～3小时，升温速率为1～5℃/min。

所述的静电纺丝用纺丝溶液中聚合物的质量分数为4～15％，无机盐的质量分数为5～20％。