本發(fā)明屬于無機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種ε相三氧化二鐵空心球的制備方法。

背景技術(shù)：

三氧化二鐵制成的鐵氧體磁體被廣泛地應(yīng)用到磁記錄介質(zhì)中，而且隨著科技的發(fā)展，對(duì)磁記錄的存儲(chǔ)密度要求越來越高。到目前為止，提高磁介質(zhì)的存儲(chǔ)密度的一個(gè)理想途徑就是通過減少磁性粒子的顆粒尺寸來實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)磁性粒子的尺寸進(jìn)入到納米尺度范圍內(nèi)，其磁學(xué)性能將會(huì)發(fā)生較大的改變。這是由于納米磁性粒子低于某一臨界尺寸時(shí)會(huì)具有大的矯頑力改變(矯頑電場變得小于3koe)，從而其不能保持磁性，顯然對(duì)于現(xiàn)有三氧化二鐵來說其儲(chǔ)存密度有一極限，不能無限制地通過減小其尺寸來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度的進(jìn)一步提升。自從2004年日本科學(xué)家(chem.mater.,2004,16,pp5542–5548)報(bào)道了25-100nm的ε相三氧化二鐵納米顆粒具有高達(dá)20koe的室溫矯頑力，遠(yuǎn)高于大容量磁帶、硬盤等磁性存儲(chǔ)媒介對(duì)材料3koe的矯頑電場的要求，從而展示了其作為超高密度磁記錄材料的潛力，從而引起了科學(xué)家們的廣泛研究。

ε相三氧化二鐵是一種硬磁材料，高純度的ε相三氧化二鐵極難被消磁，適用于新一代存儲(chǔ)介質(zhì)的高密度磁記錄中。大量實(shí)驗(yàn)證明這種材料不僅可用在信用卡磁條上，還可在研發(fā)更快更節(jié)能的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)量更大更便宜的存儲(chǔ)介質(zhì)以及高速無線通訊等領(lǐng)域大顯身手。然而，遺憾的是，由于其是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，很容易轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的α相，因此在自然界中極為罕見，即使存在顆粒尺寸也在納米量級(jí)，極難有微米尺寸的ε相三氧化二鐵存在。即使科學(xué)家利用現(xiàn)代制備技術(shù)，目前只能得到納米尺度的晶體，很難制備出微米尺寸的顆粒，同時(shí)很難制備出純相的ε相三氧化二鐵(通常伴隨α相的存在)，從而造成它的應(yīng)用推廣步履維艱。

材料的結(jié)構(gòu)(包括材料的形貌、結(jié)晶性、尺寸等)在很大程度上決定了其物理和化學(xué)性能，而這些方面與所采用的合成方法和制備過程又是密切聯(lián)系的。相比于顆粒和線狀結(jié)構(gòu)，由于空心球結(jié)構(gòu)的材料具有低密度、高比表面等特性，而納米結(jié)構(gòu)的空心微球又兼具納米材料特有的性質(zhì)等特點(diǎn)，引起了極大的研究熱情。目前，ε相三氧化二鐵的報(bào)道的結(jié)構(gòu)主要有納米球，納米顆粒，納米線等結(jié)構(gòu)，尚無納米中空球和微米中空球的報(bào)道。另外文獻(xiàn)中所報(bào)道的制備ε相三氧化二鐵納米顆粒主要是基于sol-gel法和后續(xù)的高溫處理法。這種制備方法雖然被認(rèn)為是制備ε相三氧化二鐵的主要制備方法，但是其實(shí)驗(yàn)制備方法存在如下缺點(diǎn)：1)步驟復(fù)雜，制備程序繁瑣和耗時(shí)，重復(fù)性差、還需要后續(xù)處理工藝造成制備成本較高等；2)很難得到的空心結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物；3)很難制備大尺寸的ε相三氧化二鐵。由此可見上述方法不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)此，低成本，產(chǎn)量大和磁學(xué)性能好的基于中空磁性微米球的的研發(fā)，依然面臨挑戰(zhàn)，探索其材料制備方法的綠色化、制備工藝的簡單化勢在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種制備工藝簡單、可工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的ε相三氧化二鐵空心球的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種ε相三氧化二鐵中空球的制備方法，步驟有：

(1)鐵電極制備：將碳素鋼片加工成同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置的鐵電極片，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體硅片清洗工藝清洗后，將其組裝在同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置中充當(dāng)反應(yīng)物的鐵源；

(2)充氣：將同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置中的反應(yīng)腔體抽真空后，充入純度為99.7％工業(yè)氧氣，待系統(tǒng)氣壓恢復(fù)到2個(gè)大氣壓后，停止充氣，腔體中的氧氣充當(dāng)反應(yīng)物的氧源；

(3)開啟等離子體加熱反應(yīng)；使鐵電極表面進(jìn)行氧化反應(yīng)；

(4)收集產(chǎn)物：待反應(yīng)結(jié)束系統(tǒng)溫度冷卻到室溫以后，打開閥門，從反應(yīng)腔體和電極片上收集反應(yīng)產(chǎn)物，得到ε相三氧化二鐵中空球。

本發(fā)明的一種ε相三氧化二鐵中空球的制備方法，在步驟(3)的等離子體加熱反應(yīng)中，同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置優(yōu)選為：充電電容為28.8mf，充電電壓為4.5kv，充電能量為120kj，放電功率為380mw，脈沖持續(xù)時(shí)間1350微秒，一個(gè)周期為0.5ms。

有益效果：

1、本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于能制備納、微米尺寸的ε相三氧化二鐵中空球，且ε相的純度可以達(dá)到85％以上。

2、本發(fā)明的制備工藝簡單、制備時(shí)間短(可以短到0.5ms)、制備過程綠色、產(chǎn)量大和制備成本低(反應(yīng)原材料僅用價(jià)格低廉的商業(yè)化碳素鋼和工業(yè)氧氣)。

3、本發(fā)明制備的納微米尺寸的中空磁性球中空結(jié)構(gòu)完好，粒徑分布寬，結(jié)晶性好和單分散性好。

4、本發(fā)明制備的磁性中空納微米球具有較高的磁學(xué)性能，其飽和磁化強(qiáng)度為65emu/g。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所用的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2所制得的ε相三氧化二鐵空心球的掃錨電鏡(sem)圖。

圖3為實(shí)施例2制備的ε相三氧化二鐵的xrd譜圖。

圖4為實(shí)施例2制備的ε相三氧化二鐵的磁化飽和曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制。

實(shí)施例1設(shè)備結(jié)構(gòu)

本發(fā)明所使用的制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)有非磁性金屬內(nèi)罩1、等離子產(chǎn)生裝置2、非磁性金屬外罩3、加速器系統(tǒng)4、鐵電極片6構(gòu)成的同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)，以及電感元件系統(tǒng)5、開關(guān)7、電容8、反應(yīng)腔體9。其中非磁性金屬內(nèi)罩1和非磁性金屬外罩3構(gòu)成石墨電極系統(tǒng)，主要起到散熱和保護(hù)作用。系統(tǒng)的最大充電電壓為5千伏，最大充電電容為28.8mf。在等離子產(chǎn)生裝置2的作用下，電容8放電產(chǎn)生的電流將氧氣轉(zhuǎn)換成等離子態(tài)，然后這些等離子態(tài)的氧經(jīng)加速器系統(tǒng)4加速和電感元件系統(tǒng)5調(diào)控出射速度與鐵電極片6反應(yīng)。本制備系統(tǒng)的反應(yīng)溫度可以超過10000k，冷卻速率可達(dá)10⁸k/s，等離子加速速率可達(dá)2.8km/s。

實(shí)施例2ε相三氧化二鐵中空納微米球的制備

(1)鐵電極制備：將市售低碳素鋼片加工成磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置的鐵電極片，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體硅片清洗工藝清洗后(去離子水、丙酮和無水酒精分別超聲清洗20分鐘后)，將其組裝在實(shí)施例1的同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置中充當(dāng)反應(yīng)物的鐵源。

(2)充氣：將實(shí)施例1的設(shè)備系統(tǒng)中的反應(yīng)腔體9抽真空后，充入純度為99.7％工業(yè)氧氣，待系統(tǒng)氣壓恢復(fù)到2個(gè)大氣壓后，停止充氣。腔體中的氧氣充當(dāng)反應(yīng)物的氧源。

(3)等離子體加熱反應(yīng)。設(shè)備反應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下：充電電容為28.8mf，充電電壓為4.5kv，充電能量為120kj，放電功率為380mw，脈沖持續(xù)時(shí)間1350微秒，一個(gè)周期為0.5ms。

(4)收集產(chǎn)物：待系統(tǒng)溫度冷卻到室溫以后，打開閥門，從反應(yīng)腔體和鐵電極片6上收集反應(yīng)產(chǎn)物。一個(gè)脈沖反應(yīng)時(shí)間為0.5毫秒，所得產(chǎn)物產(chǎn)量為12g。

本實(shí)施例制備的樣品的掃描電鏡圖如圖2所示，從圖中可清晰地觀察到所制備的樣品為中空球形，粒徑分布范圍為幾十納米到幾十微米。

本實(shí)施例制備的樣品的xrd譜圖如圖3所示，由譜圖可以確定制備得到的產(chǎn)物主相為ε相三氧化二鐵，含量高達(dá)85％以上，只有少量的α相三氧化二鐵，本發(fā)明的方法制備的ε相三氧化二鐵純度較高。

圖4為本實(shí)施例中制備的樣品的磁化飽和曲線圖，由圖中可以看出，本發(fā)明制備的ε相三氧化二鐵中空球具有較高的磁學(xué)性能，其飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到65emu/g。