Ge-G-Fe?O?纳米复合材料的机械、磁学及微观结构特性：作为电磁屏蔽材料的潜力

地聚物-石墨烯-Fe3O4纳米粒子复合材料通过碱激发红土与粉煤灰制备，系统研究不同Fe3O4NPs含量对材料性能的影响。实验表明该复合材料兼具优异机械强度（抗压强度达38.7 MPa）与磁性能（饱和磁化强度0.63 emu/g），其致密微结构（SEM-EDS显示均匀分布）和协同效应（XRD证实钠多聚铁硅铝酸盐网络形成）有效提升了电磁屏蔽效果。研究为开发兼具结构功能的一体化材料提供了理论依据。

　　

S. Subaer|H. Husain|N. Nurhasmi|M. Misdayanti|R. Irfanita|H. Ismayanti|I. Nayla Sari|Annisa Nur|F.H. Al Fiqhi

马卡萨国立大学物理系材料物理实验室

摘要

本研究合成了一个由地质聚合物、石墨烯和Fe₃O₄纳米颗粒组成的复合材料（Geo-G-Fe₃O₄NPs），并对其在电磁屏蔽方面的潜在应用进行了表征。该地质聚合物浆体是通过碱激活脱羟基红土制备的，同时逐渐加入粉煤灰以部分替代原有成分，从而改善其机械性能。石墨烯-Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散在浆体中，形成Geo-G-Fe₃O₄NPs复合材料，其中Fe₃O₄NPs的含量从0变化到2.0克，以优化其磁性能。使用XRF、XRD、拉曼光谱、SEM-EDS和HRTEM-SAED对原材料和复合材料进行了相分析和微观结构表征。压缩和弯曲强度测试表明，这些复合材料适用于结构应用。利用振动样品磁强计（VSM）在恒定温度下进行的磁性能测试显示，随着Fe₃O₄NPs含量的增加，磁矩呈单调增加，证实了该材料在电磁屏蔽方面的潜力。XRD分析表明，由于红土中高含量的氧化铁，形成了钠聚（铁硅铝酸盐）地质聚合物网络。石墨烯片层和Fe₃O₄NPs的加入使得微观结构更加致密，纳米颗粒在整个地质聚合物基体中均匀分布。这种地质聚合物、石墨烯和Fe₃O₄NPs之间的协同作用显著提高了材料的机械完整性和电磁屏蔽性能。

引言

电磁干扰（EMI）屏蔽材料是一种用于减少电磁（EM）辐射潜在危害的保护材料。为了防止电磁波的传播，这些材料会阻挡或吸收电磁波。近年来，EMI屏蔽材料的研究取得了快速进展[1]、[2]。在生产这些材料时，需要考虑以下几个因素：（i）材料阻挡电磁波的能力（屏蔽效果）；（ii）材料在其内部吸收电磁波的能力；（iii）材料抵抗机械和环境影响的能力。EMI屏蔽材料可用于多种应用，如建筑面板、电缆涂层或军事防御设备的外壳。

基于波特兰水泥的EMI材料与石墨烯氧化物-碳纤维[3]、Fe₃O₄@SiO₂[4]、碳纤维[2]等材料结合使用时，性能得到提升。特别是石墨烯因其优异的性能而受到关注，包括高导电性、大表面积和良好的化学稳定性[5]。当石墨烯与具有磁性的Fe₃O₄NPs结合时，所形成的复合材料表现出协同效应，增强了电磁屏蔽效果。通过调整石墨烯与Fe₃O₄NPs的比例，可以优化复合材料在吸收电磁辐射方面的性能，尤其是在微波频率范围内。这使得石墨烯-Fe₃O₄NPs复合材料成为电磁干扰（EMI）屏蔽应用的理想材料[1]。

由于波特兰水泥的大量二氧化碳排放，其生产量一直在下降，因此人们开始探索替代材料。自20世纪80年代以来，地质聚合物作为一种更环保、更可持续的解决方案应运而生[6]。地质聚合物是一种环保材料，具有低碳足迹、高能源效率和低温合成特性。它们表现出优异的机械性能、耐火性和在酸性和碱性环境中的稳定性。地质聚合物在电磁屏蔽材料方面展现出潜力，某些方面超过了传统的基于波特兰水泥的材料。它们可以通过调整配方来改善电磁性能，例如提高介电常数和导电性[7]。地质聚合物还具备更优越的机械性能，包括更高的抗压强度和耐久性[8]、出色的温度波动稳定性[9]以及更好的耐腐蚀性[10]。此外，地质聚合物可以利用工业废弃物，降低能耗[11]。此外，地质聚合物能够有效结合多种氧化物，如TiO₂、SiO₂和Fe₃O₄[12]，并与合成纤维或天然纤维[13]、[14]以及纳米材料（如石墨烯[15]）兼容。将石墨烯加入地质聚合物网络中已被证明可以改善其微观结构并增强其强度[16]。预计石墨烯和Fe₃O₄NPs的添加不仅会提高地质聚合物复合材料的机械强度，还能使其具备吸收电磁波的能力，使其适用于先进的功能应用。这种双重功能使Geo-G-Fe₃O₄NPs复合材料成为具有广泛创新应用潜力的研究领域。

地质聚合物是由铝硅酸盐矿物（如高岭土、红土和粉煤灰）合成的无机聚合物。红土通常含有少量到中量的粘土成分，主要由高度风化的低活性粘土（如高岭石和哈洛石）组成；铁和铝氧化物则占细粒部分的主体，赋予红土特有的硬度和红色。由于富含铝硅酸盐，近年来红土被用作地质聚合物合成的前驱体。印度尼西亚，尤其是南苏拉威西省，拥有丰富的红土资源，为开发基于红土的地质聚合物提供了条件[17]。红土的化学成分包括二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）和氧化铁（Fe₂O₃），以及少量的二氧化钛（TiO₂）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）和碱金属氧化物（Na₂O、K₂O）。在600–700°C的温度下进行脱羟基处理后，高岭石、针铁矿和赤铁矿等矿物中的结构羟基被去除，增加了非晶相含量并提高了反应性。这种化学组成为地质聚合物凝胶的形成提供了合适的反应性硅和氧化铝平衡，而高含量的Fe₂O₃使红土区别于传统的预驱体（如 meta-高岭土），影响了最终地质聚合物的微观结构和机械性能[18]、[19]、[20]。将红土与粉煤灰混合不仅能够提升地质聚合物的整体性能，还能使其更适合用于EMI屏蔽应用。

最近的研究表明，将Fe₃O₄NPs与石墨烯或石墨烯氧化物结合使用，由于强烈的界面相互作用，可以增强材料的多功能性能。石墨烯提供了高导电性和机械增强作用，而Fe₃O₄则提供了磁响应性和介电损耗，共同提高了电磁波的吸收能力和机械稳定性。例如，[21]报告指出，Fe₃O₄–石墨烯复合材料在光催化和抗菌等功能性应用中表现出优异的协同效应，这归因于两相之间的优化分散和界面结合。类似地，[22]合成了石墨烯氧化物–Fe₃O₄纳米复合材料，并展示了它们在磁热疗中的增强性能，强调了混合结构的协同效应。结构研究进一步证实，由于石墨烯负载量和Fe₃O₄NPs之间的协同作用，GO–Fe₃O₄复合材料的化学反应性和功能性能得到了显著提升[23]。

尽管对EMI屏蔽材料进行了大量研究，但地质聚合物与石墨烯和Fe₃O₄NPs的结合机制仍不甚明了，尤其是在它们的综合机械强度、微观结构致密化和磁性能方面。早期研究已经展示了地质聚合物作为可持续基材的潜力，并强调了石墨烯和磁性纳米颗粒对改善功能特性的贡献[24]、[25]、[26]。然而，关于这些组分如何共同提高EMI屏蔽效果仍缺乏清晰的认识。为了填补这一空白，本研究调查了Geo-G-Fe₃O₄NPs复合材料的机械、磁性和微观结构性能。目标是开发出具有优异机械性能、致密微观结构和均匀分布的G-Fe₃O₄NPs的地质聚合物复合材料。评估了这些复合材料的磁性能，以评估其在电磁干扰（EMI）屏蔽应用中的潜力。本研究的结果将为下一阶段的研究提供基础，在该阶段将制备Geo-G-Fe₃O₄NPs原型，并使用矢量网络分析仪（VNA）对其屏蔽效果进行定量评估。

部分内容摘录

地质聚合物前驱体的制备

本研究中使用的地质聚合物前驱体是红土和粉煤灰，它们作为碱激活的主要铝硅酸盐来源（图1）。红土样品取自印度尼西亚南苏拉威西省的Sidrap地区，粉煤灰则来自Jeneponto的Bosowa发电厂。

红土样品经过清洗、去除植物根系、干燥后通过200目筛子过滤。为了在碱性环境中提高反应性，

红土和粉煤灰的性质

表1显示了基于XRF测量的起始材料的化学成分：(a) 原始红土，(b) 脱羟基红土，(c) 粉煤灰。

表1(a)和(b)表明，本研究中使用的红土含有四种主要元素：Fe、Si、Al和Ti。众所周知，红土是在热带和亚热带气候下硅酸盐岩石经过强烈化学风化形成的，其中大量淋溶作用去除了可移动的阳离子，使Fe和Al氧化物富集。

结果与讨论

根据表3中的配方合成了Geo-G-Fe₃O₄NPs复合材料，这些配方旨在优化磁饱和度和机械强度之间的平衡。样品GeoLS00是由纯脱羟基红土合成的，在碱激活过程中Si和Al相发生溶解。这些物质随后凝结成非晶或半晶态的铝硅酸盐框架。红土中天然存在的铁可以

结论

通过将脱羟基红土和粉煤灰与石墨烯-Fe₃O₄纳米颗粒（Geo-G-Fe₃O₄NPs）结合，合成了一个功能性的地质聚合物复合材料。本研究的结果得出了以下结论：

(1)

使用XRD、拉曼光谱、SEM-EDS、HRTEM和SAED进行的结构和微观结构表征证实，该复合材料含有高质量、缺陷控制良好的石墨烯和高度结晶的Fe₃O₄NPs，具有优异的磁性能。

(2)

振动样品

CRediT作者贡献声明

H Ismayanti：研究、资金获取。Nayla Insira Sari：数据可视化、研究、数据管理。Annisa Nur：资源支持、研究。F.H Al Fiqhi：资源支持、研究。Subaer Subaer：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析、概念构思。H Husain：初稿撰写、验证、方法论研究、数据分析、概念构思。N Nurhasmi：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、项目管理，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本手稿工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢教育、科学和技术部（Kemdiktisaintek）在基础研究计划（授权号084/C3/DT.0500/PL/2025）下提供的财政支持。作者还感谢在研究过程中提供的支持和实验室设施。