钡铁氧体包覆的碳纳米管：合成、性能与应用

1. 引言

钡铁氧体（BaFe₁₂O₁₉）是一种六角铁氧体，因其高饱和磁化强度、高矫顽力、优异的化学稳定性和良好的微波吸收性能，被广泛用于磁性存储介质、电磁波吸收器以及微波器件。碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）则具有高的比表面积、优异的导电性和力学强度，可作为理想的导电骨架与功能材料载体。

将钡铁氧体包覆在碳纳米管表面（BaFe₁₂O₁₉@CNTs）不仅能结合磁性与导电性优势，还能通过界面耦合效应显著提升电磁波吸收性能，实现轻质化与宽频化的吸波材料设计。这种复合材料在电磁屏蔽、微波吸收、信息安全等领域具有重要应用潜力。

2. 材料设计与复合原理

钡铁氧体包覆碳纳米管的设计理念主要基于以下几点：

磁损耗与介电损耗协同

BaFe₁₂O₁₉ 提供磁损耗，CNTs 提供介电损耗，通过双机制吸收电磁波。

界面化效应

CNTs 与 BaFe₁₂O₁₉ 的界面差异产生界面化，增强复合材料的介电常数与损耗因子。

导磁导电网络

CNTs 形成导电网络，提高复合材料的电导率，同时 BaFe₁₂O₁₉ 确保磁性能稳定。

纳米尺度均匀包覆

包覆结构避免 CNTs 团聚，同时保持 BaFe₁₂O₁₉ 的纳米晶粒均匀分散，保证性能均一性。

3. 合成方法

3.1 常用合成策略

钡铁氧体包覆碳纳米管的合成通常采用溶胶–凝胶法、水热法或共沉淀法。下面以溶胶–凝胶法为例进行说明。

Ba(NO₃)₂（硝酸钡）

Fe(NO₃)₃·9H₂O（九水硝酸铁）

柠檬酸（络合剂）

氨水（pH 调节）

预处理碳纳米管（酸化处理以引入羧基）

碳纳米管表面功能化

将 CNTs 置于 HNO₃/H₂SO₄ 混酸中回流处理，引入羧基与羟基，改善亲水性并增强与 BaFe₁₂O₁₉ 的结合。

金属盐溶液配制

按 Ba²⁺ : Fe³⁺ = 1 : 12 摩尔比，将硝酸钡与硝酸铁溶于去离子水中，加入柠檬酸络合。

CNTs 分散与溶胶形成

将功能化 CNTs 超声分散于金属盐溶液中，通过络合作用和静电作用使金属离子均匀吸附在 CNTs 表面。

pH 调节与凝胶形成

缓慢滴加氨水至 pH 7–8，使溶液形成均匀溶胶。

干燥与热处理

将凝胶在 80 ℃ 下干燥，随后在 800–1000 ℃ 氧气气氛中煅烧，促进 BaFe₁₂O₁₉ 晶体形成并牢固包覆在 CNTs 表面。

4. 结构与形貌表征

X 射线衍射（XRD）

检测到 BaFe₁₂O₁₉ 六方结构特征峰，同时观察到 CNTs 的（002）石墨峰。

扫描电子显微镜（SEM）

CNTs 表面被均匀的纳米级颗粒包覆，形成连续磁性壳层。

透射电子显微镜（TEM）

可见 BaFe₁₂O₁₉ 纳米晶紧密附着在 CNTs 外壁，包覆层厚度可控。

振动样品磁强计（VSM）

测得较高的饱和磁化强度（Ms）与适中的矫顽力（Hc），反映良好的磁性能。

比表面积测试（BET）

复合材料保留了较高的比表面积，有利于界面化效应的产生。

5. 性能特点

5.1 电磁波吸收性能

复合材料的复介电常数（ε' 和 ε"）与复磁导率（μ' 和 μ"）均表现出良好频率响应。

在 2–18 GHz 范围内可实现宽频吸收，反射损耗（RL）低可达 -40 dB，吸收带宽（RL < -10 dB）可超过 5 GHz。

5.2 电磁屏蔽性能

由于 CNTs 的高导电性与 BaFe₁₂O₁₉ 的磁损耗作用，屏蔽效能（SE）可达 30–60 dB，满足电子器件防护要求。

5.3 结构稳定性

BaFe₁₂O₁₉ 包覆层具有优异的化学稳定性和耐高温性能，使复合材料在高湿、高温条件下仍能保持性能。

6. 应用领域

微波吸收器

用于雷达隐身、航天器防护、通信设备*干扰。

电磁屏蔽材料

适用于 5G 基站外壳、密电子仪器外壳、防泄漏检测环境。

高频器件

制备高频微波滤波器、隔离器等器件的功能涂层。

智能防护涂层

可与聚合物基体复合制成轻质、柔性吸波涂层，应用于军工与民用领域。

7. 优势与挑战

优势

磁损耗与介电损耗协同作用，吸收效果显著

轻质量（密度低于纯 BaFe₁₂O₁₉）

纳米包覆结构避免团聚，性能稳定

合成方法可控，可实现厚度与成分调节

挑战

高温煅烧可能导致 CNTs 部分碳化或结构损伤

规模化生产时包覆均匀性控制难度较大

成本与批次稳定性需进一步优化

8. 总结与展望

钡铁氧体包覆的碳纳米管是一种兼具磁性与导电性的多功能纳米复合材料，通过界面工程与微结构调控实现优异的电磁波吸收与屏蔽性能。未来的研究方向包括：

低温结晶技术，减少对 CNTs 结构的破坏；

确调控包覆层厚度与晶粒尺寸，实现可设计化吸波性能；

开发柔性、轻质的聚合物基 BaFe₁₂O₁₉@CNTs 薄膜，拓展可穿戴电磁防护领域；

推动工业化生产工艺，实现大规模低成本制备。

随着电磁波污染和信息安全需求的增加，BaFe₁₂O₁₉@CNTs 材料在国防、通信、航空航天及民用电子等领域的应用前景十分广阔。

厂家:西安齐岳生物科技有限公司

用途:科研

温馨提醒:仅供科研，不能用于人体实验!