[发明专利]一种稀土掺杂尖晶石铁氧体/掺铝氧化锌复合纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种稀土掺杂尖晶石铁氧体/掺铝氧化锌复合纤维以及其制备方法。

背景技术

现代制造技术对设备的要求不断提高，同时要求功能材料具有“薄、轻、宽、强”等特性，复合纤维具有良好的力学和光学性能，是新型功能材料未来的发展方向之一，深入研究复合纤维材料对提高我国先进制造技术水平和设备的国际竞争力等方面具有十分重要的意义。

纤维作为结构型材料的波吸收剂和力学增强剂，可以克服涂覆型材料用粉体吸波剂的缺点，而且在大幅降低吸波层面密度的同时，还能满足材料吸波和承载的双重功能，是结构型材料的研究重点。结构型纤维材料目前常用的有玻璃纤维、碳纤维和碳化硅纤维等，具有轻质、高强、高模、耐高温等特性作为增强纤维、吸波纤维等功能纤维材料已经在很多要求轻质和高性能的装备中得到应用。但是，这些纤维材料基本上都是介电损耗型吸波材料，因为纤维本身基本不具有吸波特性，必须经过表面改性处理或制备成特殊截面的纤维才能吸收一定波段。铁氧体纤维是近几年开始研究的一种新型磁损耗吸波纤维。在理论上，铁氧体纤维材料不但具有铁氧体粉体材料的吸波特性，同时还可克服铁氧体粉体作为吸波涂层面密度大的缺点，作为微波吸收剂具有广阔的应用前景。尖晶石型铁氧体纤维，具有双复介质吸波特性，较高的磁晶及形状各向异性，并且可以利用其自然共振吸收峰的重叠展宽吸收频带，同时通过掺杂、形貌控制及纤维各向异性的组合设计等手段来达到先进功能材料技术“薄、轻、宽、强”的要求。半导体氧化物薄膜ZAO具有优良的光学及电学性能和高性能价格比、无毒和稳定性较好等性能；通过热处理温度和Al掺杂，ZAO薄膜在8-14μm波段的红外发射率降低。

目前，虽然已有有关尖晶石铁氧体纤维制备及微波吸收特性、稀土掺杂玻璃及激光防护性能、ZAO薄膜制备及红外发射特性的研究，但尚未见稀土掺杂尖晶石铁氧体/ZAO复合纤维及其制备的公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻薄化复合纤维结构、功能一体化材料，即稀土掺杂尖晶石铁氧体/掺铝氧化锌复合纤维。

本发明的另一目的在于提供一种上述复合纤维的制备方法。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种稀土掺杂尖晶石铁氧体/掺铝氧化锌复合纤维，该复合纤维为芯外涂覆夹层的夹芯结构；所述的芯为稀土掺杂尖晶石铁氧体纤维，其直径为5～20μm；所述的夹层为掺铝氧化锌涂层，其厚度为50～100nm。

芯，即稀土掺杂尖晶石铁氧体纤维，其长度为5μm～3m。稀土掺杂尖晶石铁氧体纤维中，稀土掺杂尖晶石铁氧体的分子式为Ni_1-xCo_xFe_2-yM_yO₄，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.2，掺杂的稀土金属M为Sm、Ce或La，优选为Sm。

夹层，即掺铝氧化锌涂层，其分子式为ZnO:Al，简称ZAO，其中摩尔比Al∶Zn＝0.001～0.3∶1。

一种上述稀土掺杂尖晶石铁氧体/掺铝氧化锌复合纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将镍源、钴源、铁源、稀土金属离子源以及有机酸溶于水中，搅拌6～40小时，经减压脱水后形成凝胶先驱体；

(2)将有机凝胶先驱体制成凝胶纤维素丝，凝胶纤维素丝在200～1100℃下保温1～10小时后，冷却，得到稀土掺杂尖晶石铁氧体Ni_1-xCo_xFe_2-yM_yO₄纤维，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.2；

(3)将Zn源、Al源加入有机溶剂中，在20～50℃温度下保温1～3小时，经溶解、反应，形成ZnO:Al溶胶；

(4)将所述的尖晶石型铁氧体纤维浸入ZnO:Al溶胶中进行涂覆后，再在800～1100℃下保温4～30小时，冷却，得到稀土掺杂尖晶石铁氧体/掺铝氧化锌复合纤维。

一种更为详细的制备方法的步骤如下：

(1)凝胶先驱体的制备：首先碱式碳酸镍或乙酸镍作为镍源，硝酸钴或乙酸钴作为钴源，硝酸铁作为铁源，稀土氧化物(如Sm、Ce或La氧化物)作为稀土金属离子源以及有机酸(柠檬酸或乳酸或其混合物)溶于去离子水中，以金属元素计，Ni²⁺∶Co²⁺∶Fe³⁺∶M∶有机酸的摩尔比为(1-x)∶x∶2-y∶y∶2～10，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.2，搅拌均匀，室温下搅拌6～40小时，经减压脱水后形成凝胶先驱体；