固相法合成MgFe2O4粉体
侯来广 任雪潭
摘 要：尖晶石型镁铁氧体由于其具有较好频率特性和良好的光谱选择吸收性能使其成为重要的吸波材料。其磁各向异性比其它带有磁矩的金属阳离子尖晶石型铁酸盐类要低，被广泛用做防止电磁波辐射设备、隐身材料以及红外辐射材料的吸波剂，具有价格低廉、吸波性能优良等特点。本文以氧化镁和氧化铁为主要基本原料，采用固相法进行MgFe2O4粉体材料的制备研究。运用X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对粉体形貌和结构进行测试。探索配比、烧成温度、保温时间、烧成方式等工艺条件的最佳值。并在最佳制备条件下成功制备了纯度较高、质量较好的镁铁氧体。
关键词：固相法；镁铁氧体；吸波材料；红外辐射材料
1 前言
红外辐射材料通常的使用形式包括：红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等。红外辐射涂料涂覆在热物体表面构成红外辐射体。红外辐射涂料一般都选用在工作温度范围内发射率高的材料。常用的发射率较高的红外辐射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等[1]。铁系尖晶石型铁氧体具有很高的红外辐射率，有“黑陶瓷”之称[2]。
目前具有应用价值的铁氧体有三种基本类型：尖晶石型铁氧体、磁铅石型铁氧体、石榴石型铁氧体[3]。由一种金属离子替代而成的铁氧体称为单组分铁氧体。由两种或两种以上的金属离子替代可以合成出双组分铁氧体和多组分铁氧体。镁铁氧体（MgFe2O4）就是单组分铁氧体。铁氧体具有较高的电阻率，在高频不易产生趋肤电流，因而在高频具有较高的磁导率；此外，铁氧体的介电常数较小，可与其它吸波材料混合使用来调节吸波涂层的电磁参数[4]。铁氧体吸波材料是较为成熟的吸波材料，具有价格低廉、吸收效率高、频带宽等优异特性，可用于制造高温型红外辐射涂料。本实验采用固相法进行镁铁氧体的制备研究，进而为红外辐射粉体的应用提供实验支持。
2 实验部分
2.1化学试剂
2.2 仪器与设备
2.3实验设计
为了确定制备高纯度镁铁氧体的最佳工艺条件，采用单因素实验法进行镁铁氧体粉末制备的研究。同时考虑氧化镁与氧化铁摩尔比、烧成温度、保温时间和加热方式等对合成的影响，具体实验方案如表3、表4所示。
2.4 实验过程
（1）根据设计的配比，称取一定量的氧化镁和氧化铁粉末。
（2）用玛瑙研钵研磨1h使两种粉体充分混合均匀。
（3）根据实验设计的温度及保温时间在高温电阻炉中进行煅烧。
（4）制得的粉体进行X射线衍射、扫描电镜分析表征以确定它的成分、纯度及形貌等。
3 实验结果与分析
根据实验设计得到对应的样品，样品纯度、颜色见表4所示。
3.1 氧化镁与氧化铁配比影响
对比分析实验1、2、3、4、5，在烧成温度为1250℃，保温时间为3 h的相同条件下，分别煅烧配比不同的原料，得到的产物在颜色纯度方面存在明显差异。因氧化镁、氧化铁原料中本身含有杂质，考虑原料的实际纯度，配置氧化鎂、氧化铁摩尔比分别为1：0.84、1：0.92、1：1.00、1：1.08、1：1.16进行试验。通过对产物进行X射线衍射分析发现，实验1、2的产物中含有剩余的氧化镁和少量氧化铁及少量杂质；实验4、5的产物含中氧化铁剩余；故只有当氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1时，生成产物的纯度最佳。
3.2烧成温度的影响
对比分析实验3、6、7、8，在氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，保温时间为3 h的相同条件下，烧成温度分别为1250℃、1200℃、1150℃、1100℃。实验3中烧成温度为1250℃，已经在合成镁铁氧体的温度区间内，生成纯度较高的目标产物。实验6、7中烧成温度分别为1200℃、1150℃，分析产物可知，固相反应已经发生有镁铁氧体生成，同时也含有中间铁氧体及少量杂质。在实验8中，烧成温度为1100℃，通过物相分析可知样品中几乎没有镁铁氧体生成。对比实验9、11、13，当物料摩尔比为1：1，保温时间为4 h的同等条件下，烧成温度分别为1100℃、1150℃、1200℃时，实验9中几乎不含目标产物，固相反应未发生。实验11中含有目标产物同时也含有其他的中间铁氧体及杂质。实验13制得的样品通过分析发现纯度较高，杂质含量最少。综上，合成镁铁氧体的最佳工艺条件为：烧成温度1200℃，保温时间4 h。
3.3保温时间的影响
对比实验8、9、10，在氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，烧成温度为1100℃的相同条件下，保温时间分别为3 h、4 h、5 h。最终得到的产物其颜色为褐色，与生料的颜色接近。通过X射线衍射分析可知：产物中主要含有未反应的氧化镁和氧化铁及很少量的中间铁氧体。对比实验7、11、12，在氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，烧成温度为1150℃的相同条件下，保温时间分别为3 h、4 h、5 h。得到的产物颜色为紫褐色且颜色由浅变深。通过X射线衍射仪分析，紫褐色微细粉体中均含有目标产物镁铁氧体，同时还含有未反应的氧化镁、氧化铁和少量的其他杂质。说明固相反应在1150℃时已经发生，延长保温时间可以为反应提供更多的能量。所以保温5 h比保温3 h制得的样品纯度更高，未反应的原料及杂质含量更少。综上：当烧成温度未达反应温度时，延长保温时间对反应的进行帮助甚微，当烧成温度达到反应温度时，延长保温时间可以使反应进行得更彻底。
3.4合成产物的物相和显微结构分析
图2是氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，烧成温度为1200℃，保温时间为4 h的条件下制得的镁铁氧体的X射线衍射图，在图中2θ为30.0°、35.4°、43.0°、53.0°、56.8°处出现了较强的特征衍射峰，与镁铁氧体的标准衍射峰一致，说明所制得的主要物质为MgFe2O4。而在2θ为33.15°、35.611°处出现Fe2O3的特征衍射峰，但相对强度极弱，说明样品中所含的Fe2O3杂质极少。在此工艺条件下制得的MgFe2O4固体颗粒纯度最高。
图3为氧化镁与氧化铁摩尔比1：1，烧成温度1200℃，保温4 h的条件下制备的镁铁氧体的SEM照片，从图中可以看出粒径比较均匀，颗粒形状不规则。
4 结论
（1）通过实验发现对产物纯度的影响因素从大到小依次为原料配比、烧成温度、保温时间。
（2）在实验范围内合成镁铁氧体的较佳条件为：考虑氧化镁和氧化铁原料的实际纯度，其物质的量之比为1：1，合成温度为1200℃，保温时间为4 h的条件下可以合成出粒径均匀，纯度最高的MgFe2O4粉体。
参考文献
[1] 任晓辉， 张旭东， 何文等. 红外辐射材料的研究进展及应用[J]. 现代技术陶瓷， 2007， 28（2）： 26-31.
[2] 闫国进. 尖晶石型铁氧体红外辐射陶瓷的结构与性能研究[J]. 河南科学， 2006， 24（4）： 493-495.
[3] 周必雄. 论铁氧体涂料的辐射特性[J]. 红外技术， 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.
摘 要：尖晶石型镁铁氧体由于其具有较好频率特性和良好的光谱选择吸收性能使其成为重要的吸波材料。其磁各向异性比其它带有磁矩的金属阳离子尖晶石型铁酸盐类要低，被广泛用做防止电磁波辐射设备、隐身材料以及红外辐射材料的吸波剂，具有价格低廉、吸波性能优良等特点。本文以氧化镁和氧化铁为主要基本原料，采用固相法进行MgFe2O4粉体材料的制备研究。运用X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对粉体形貌和结构进行测试。探索配比、烧成温度、保温时间、烧成方式等工艺条件的最佳值。并在最佳制备条件下成功制备了纯度较高、质量较好的镁铁氧体。
关键词：固相法；镁铁氧体；吸波材料；红外辐射材料
1 前言
红外辐射材料通常的使用形式包括：红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等。红外辐射涂料涂覆在热物体表面构成红外辐射体。红外辐射涂料一般都选用在工作温度范围内发射率高的材料。常用的发射率较高的红外辐射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等[1]。铁系尖晶石型铁氧体具有很高的红外辐射率，有“黑陶瓷”之称[2]。
目前具有应用价值的铁氧体有三种基本类型：尖晶石型铁氧体、磁铅石型铁氧体、石榴石型铁氧体[3]。由一种金属离子替代而成的铁氧体称为单组分铁氧体。由两种或两种以上的金属离子替代可以合成出双组分铁氧体和多组分铁氧体。镁铁氧体（MgFe2O4）就是单组分铁氧体。铁氧体具有较高的电阻率，在高频不易产生趋肤电流，因而在高频具有较高的磁导率；此外，铁氧体的介电常数较小，可与其它吸波材料混合使用来调节吸波涂层的电磁参数[4]。铁氧体吸波材料是较为成熟的吸波材料，具有价格低廉、吸收效率高、频带宽等优异特性，可用于制造高温型红外辐射涂料。本实验采用固相法进行镁铁氧体的制备研究，进而为红外辐射粉体的应用提供实验支持。
2 实验部分
2.1化学试剂
2.2 仪器与设备
2.3实验设计
为了确定制备高纯度镁铁氧体的最佳工艺条件，采用单因素实验法进行镁铁氧体粉末制备的研究。同时考虑氧化镁与氧化铁摩尔比、烧成温度、保温时间和加热方式等对合成的影响，具体实验方案如表3、表4所示。
2.4 实验过程
（1）根据设计的配比，称取一定量的氧化镁和氧化铁粉末。
（2）用玛瑙研钵研磨1h使两种粉体充分混合均匀。
（3）根据实验设计的温度及保温时间在高温电阻炉中进行煅烧。
（4）制得的粉体进行X射线衍射、扫描电镜分析表征以确定它的成分、纯度及形貌等。
3 实验结果与分析
根据实验设计得到对应的样品，样品纯度、颜色见表4所示。
3.1 氧化镁与氧化铁配比影响
对比分析实验1、2、3、4、5，在烧成温度为1250℃，保温时间为3 h的相同条件下，分别煅烧配比不同的原料，得到的产物在颜色纯度方面存在明显差异。因氧化镁、氧化铁原料中本身含有杂质，考虑原料的实际纯度，配置氧化鎂、氧化铁摩尔比分别为1：0.84、1：0.92、1：1.00、1：1.08、1：1.16进行试验。通过对产物进行X射线衍射分析发现，实验1、2的产物中含有剩余的氧化镁和少量氧化铁及少量杂质；实验4、5的产物含中氧化铁剩余；故只有当氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1时，生成产物的纯度最佳。
3.2烧成温度的影响
对比分析实验3、6、7、8，在氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，保温时间为3 h的相同条件下，烧成温度分别为1250℃、1200℃、1150℃、1100℃。实验3中烧成温度为1250℃，已经在合成镁铁氧体的温度区间内，生成纯度较高的目标产物。实验6、7中烧成温度分别为1200℃、1150℃，分析产物可知，固相反应已经发生有镁铁氧体生成，同时也含有中间铁氧体及少量杂质。在实验8中，烧成温度为1100℃，通过物相分析可知样品中几乎没有镁铁氧体生成。对比实验9、11、13，当物料摩尔比为1：1，保温时间为4 h的同等条件下，烧成温度分别为1100℃、1150℃、1200℃时，实验9中几乎不含目标产物，固相反应未发生。实验11中含有目标产物同时也含有其他的中间铁氧体及杂质。实验13制得的样品通过分析发现纯度较高，杂质含量最少。综上，合成镁铁氧体的最佳工艺条件为：烧成温度1200℃，保温时间4 h。
3.3保温时间的影响
对比实验8、9、10，在氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，烧成温度为1100℃的相同条件下，保温时间分别为3 h、4 h、5 h。最终得到的产物其颜色为褐色，与生料的颜色接近。通过X射线衍射分析可知：产物中主要含有未反应的氧化镁和氧化铁及很少量的中间铁氧体。对比实验7、11、12，在氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，烧成温度为1150℃的相同条件下，保温时间分别为3 h、4 h、5 h。得到的产物颜色为紫褐色且颜色由浅变深。通过X射线衍射仪分析，紫褐色微细粉体中均含有目标产物镁铁氧体，同时还含有未反应的氧化镁、氧化铁和少量的其他杂质。说明固相反应在1150℃时已经发生，延长保温时间可以为反应提供更多的能量。所以保温5 h比保温3 h制得的样品纯度更高，未反应的原料及杂质含量更少。综上：当烧成温度未达反应温度时，延长保温时间对反应的进行帮助甚微，当烧成温度达到反应温度时，延长保温时间可以使反应进行得更彻底。
3.4合成产物的物相和显微结构分析
图2是氧化镁与氧化铁摩尔比为1：1，烧成温度为1200℃，保温时间为4 h的条件下制得的镁铁氧体的X射线衍射图，在图中2θ为30.0°、35.4°、43.0°、53.0°、56.8°处出现了较强的特征衍射峰，与镁铁氧体的标准衍射峰一致，说明所制得的主要物质为MgFe2O4。而在2θ为33.15°、35.611°处出现Fe2O3的特征衍射峰，但相对强度极弱，说明样品中所含的Fe2O3杂质极少。在此工艺条件下制得的MgFe2O4固体颗粒纯度最高。
图3为氧化镁与氧化铁摩尔比1：1，烧成温度1200℃，保温4 h的条件下制备的镁铁氧体的SEM照片，从图中可以看出粒径比较均匀，颗粒形状不规则。
4 结论
（1）通过实验发现对产物纯度的影响因素从大到小依次为原料配比、烧成温度、保温时间。
（2）在实验范围内合成镁铁氧体的较佳条件为：考虑氧化镁和氧化铁原料的实际纯度，其物质的量之比为1：1，合成温度为1200℃，保温时间为4 h的条件下可以合成出粒径均匀，纯度最高的MgFe2O4粉体。
参考文献
[1] 任晓辉， 张旭东， 何文等. 红外辐射材料的研究进展及应用[J]. 现代技术陶瓷， 2007， 28（2）： 26-31.
[2] 闫国进. 尖晶石型铁氧体红外辐射陶瓷的结构与性能研究[J]. 河南科学， 2006， 24（4）： 493-495.
[3] 周必雄. 论铁氧体涂料的辐射特性[J]. 红外技术， 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.
