钡铁氧体基纳米纤维材料的电纺制备及性能研究

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近年来,电子、信息和通信等行业飞速发展,磁性材料作为这些行业的重要组元而被广泛应用,如作为高密度磁记录材料、敏感元器件、永磁材料和电磁波吸收材料。最近,人们发现纳米材料具有独特的物理和化学性能,从而对其进行了广泛的研究。同样,磁性纳米材料已经被深入的研究并广泛的应用。尤其最近研究发现一维磁性纳米材料不仅具有普通纳米粒子的各种特殊效应,而且具有独特的形状各向异性和磁各向异性,因此,人们正对其进行深入的研究。钡铁氧体作为一种硬磁材料,具有较高的饱和磁化强度和矫顽力、高的居里温度、化学稳定性和耐腐蚀等优点,使其成为近来磁性材料的研究重点之一。众所周知,静电纺丝技术是目前制备纳米纤维材料最简单、有效的方法。但是,通过直接静电纺丝制备的纳米纤维为无序排列的结构,制备的磁性纳米纤维也同样如此,从而使得其形状各向异性和磁各向异性很难表现出来,因此,研究磁性纳米纤维的定向排布,揭示磁性纳米纤维的结构和性能的关系,进一步开发磁性纳米纤维材料的应用具有重要的科学和商业价值。除此之外,钡铁氧体纳米纤维材料的磁性能还受其结晶状态、物相组成、颗粒形貌和尺寸大小等影响。本论文首先通过静电纺丝技术制备了取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯/柠檬酸(PET/CA)复合纤维,再以硝酸钡(Ba(N03)2).硝酸铁(Fe(N03)3·9H20)和柠檬酸(C6H807.H20)为基本原料,采用溶胶-凝胶法制备了前躯体溶液,然后以PET/CA复合纤维为模板,利用前躯体溶液对其进行涂覆,最后经干燥和煅烧制备了取向的钡铁氧体(BaFe12O19)纳米纤维。研究表明:取向的BaFe12O19纤维的平均直径为900nm,纤维由大量的晶体无序的沿着纤维长轴方向堆砌而成,晶体呈六角片状结构,晶粒的尺寸为120~400nm,晶体的厚度大约20nm。取向的BaFe12O19纤维具有明显的磁各向异性,平行纤维取向方向的Ms=68.468A m2/kg,垂直方向的Ms=55.712A m2/kg,可见沿着纤维轴方向为样品的易磁化方向。为了调节钡铁氧体纳米纤维的磁性能,我们采用Al和Al-Sr对其进行掺杂,制备了BaFe12-xAlxO19和Ba1-xSrxFe11AlO19纳米纤维。研究表明:未掺杂Al的钡铁氧体晶体呈六角片状,随Al的掺杂,晶体出现棒状;同时,随Al掺杂量的增加,平均晶粒尺寸减小。随着Al掺杂量的增加,样品的Ms逐渐减小,由x=0时的Ms=63.92A m2kg-1减小到x=2.0时的Ms=29.71A m2kg-1;Hc大幅增加,由x=0时的Hc=288.2kA m-1增加到x=2.0时的Hc=740.7kAm-1。对于Al-Sr共掺杂体系,随着Al的掺杂,晶体呈现棒状,并且使得晶粒的尺寸减小,而Sr离子的掺杂对晶体形貌和尺寸影响较小。随着金属元素Al的掺杂量不变,而改变Sr的加入量,样品的Ms先逐渐减小,由x=0时的Ms=54.42A m2kg-1减小到x=0.4时的Ms=42.60A m2kg-1,后来基本保持不变;Hc随Sr的加入量的增加而出现一定的波动,主要由于形成了钡铁氧体和锶铁氧体两种晶体,同时Sr掺杂到了钡铁氧体晶体中所致。
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