通过静电纺丝法制备了一维项链状BaFe12O19纳米纤维：对其相变、结构特性和磁性能进行了研究

《Materials Science and Engineering: B》：Electrospinning synthesis of 1D necklace-like BaFe 12O 19 nanofibers: an investigation into phase evolution, structural properties, and magnetic behavior

本研究采用溶胶-凝胶辅助电纺技术制备了BaFe12O19纳米纤维，通过单步热处理（700-1000°C）调控其结构。XRD和FT-IR证实样品在800°C以上热处理形成单相BaM，SEM显示直径约177 nm的项链状纳米纤维结构。VSM测试表明，1000°C处理的样品具有58 emu/g的饱和磁化强度和2809 Oe的矫顽力，揭示了晶体尺寸、纤维直径及形貌对磁性能的影响，为纳米器件开发提供新方法。

　　

Mohannad T. Aljarrah|Soliman M. Abu-Sari|Mohammad Alnaief

约旦科学技术大学，化学工程系，邮政信箱3030，伊尔比德22110，约旦

摘要

由于M型钡六铁氧体（BaFe₁₂O₁₉，简称BaM）具有优异的磁、化学和物理性能组合，因此被广泛应用于各种领域。BaM是一种具有磁铅矿结构的陶瓷永磁体。通过调控其内部结构、形貌和结晶度，可以调整其介电和磁响应特性，这些特性可应用于先进的通信技术中。本报告旨在利用溶胶-凝胶辅助电纺技术结合一步热处理（700 ≤ 温度 ≤ 1000°C）制备独特的单颗粒链纳米纤维（一维结构）BaM。XRD图谱和FT-IR分析证实，在800°C以上保温2小时后制备的样品形成了单相BaM。SEM图像显示，在1000°C下煅烧的BaM样品呈现出类似项链的纳米纤维结构（直径为177纳米），且纤维方向随机分布。根据VSM测试结果，1000°C下制备的BaM的饱和磁化强度（Ms）和矫顽力（Hc）分别达到58 emu/g和2809 Oe。总之，本报告的研究结果揭示了晶粒尺寸、纤维直径和形貌对BaM纳米纤维磁性能的影响。

引言

六铁氧体家族包括多种类型（如M型、Y型、W型、Z型、X型和U型），每种类型都具有独特的晶体结构。其中，M型六角铁氧体（MFe₁₂O₁₉；M = Ba、Sr、Pb）属于磁铅矿氧化物类，由于其固有的磁性能而受到广泛的科学和工业关注[1]、[2]。根据Scopus数据库统计，1919年至2025年间发表了超过12万篇关于铁氧体的文献，其中仅过去五年就发表了近3万篇。铁氧体的基本构建单元包括由两层氧原子组成的S、S*块（具有尖晶石结构）以及由三层氧原子组成的R、R*块[3]。BaM单元包含2个Ba⁺²、38个O^-2和24个Fe⁺²离子。其中，24个Fe⁺²离子分布在三角双锥位点（2b）、四面体位点（4f₁）和八面体位点（12k、2a和4f₂）[4]。BaM的特点是生产成本低、单轴磁各向异性大、矫顽力高、饱和磁化强度高、晶体结构稳定且化学性质稳定。

鉴于BaM在技术上的重要性，人们付出了大量努力来改进其性能，方法包括调整其形貌、修改内部结构、用异原子替代Fe或Ba离子（例如Ba_1?xLa_xFe_12?xNi_xO₁₉纳米颗粒[5]）、制备纳米复合材料或通过不同纳米颗粒进行表面改性。例如，已有多种技术用于制备低维结构的铁氧体，包括但不限于电弧放电[6]、模板辅助技术[7]、激光烧蚀[8]、吹制纺丝[9]、热分解[10]以及电纺法[12]、[13]、[14]、[15]。在这些技术中，电纺法是一种连续、低成本且可扩展的合成方法，能够制备出不同化合物的微/纳米纤维结构，并且生产速率较高，操作简单[16]。近年来，人们越来越关注将材料缩小到纳米尺度，以研究有限尺寸对磁性能的影响，以及探索在大块材料中无法实现的新电学、光学和化学性质。

在一项相关研究中，Huang等人利用电纺聚对苯二甲酸乙二醇酯/柠檬酸（PET/CA）微纤维作为模板，成功制备了直径约800纳米的BaM纳米纤维，并研究了形状各向异性对磁性能的影响[7]。然而，使用模板（如氧化铝（AAO）往往需要复杂的制备工艺，并且会在形成的BaM基质中留下一些异质杂质[17]、[18]。Kameli等人研究了煅烧温度（90 ≤ 温度 ≤ 1200°C）对BaM纳米颗粒结构和磁性能的影响。将温度升高到900°C后，颗粒尺寸从几纳米增大到微米级别，同时矫顽力（Hc）和饱和磁化强度（Ms）分别增加到5278 Oe和46 emu/g[2]。众所周知，BaM的磁性能受多种因素影响，如制备方法/条件、杂质的存在、晶粒尺寸、六铁氧体晶体结构中的阳离子分布以及磁化方向。

目前，人们对制备具有独特尺寸和形状依赖性的高纯度磁性陶瓷材料表现出越来越大的兴趣。然而，关于不使用模板或复杂制备工艺制备纯BaM纳米纤维的报告仍然较少。因此，通过电纺法和一步热处理制备纯相BaM纳米纤维将是一项有价值的研究课题。本文通过FT-IR、XRD、SEM-EDS和VSM详细分析了制备样品的形成机制、相变过程、结构特征和磁性能，并讨论了其作为功能性纳米器件、纳米光学和微电子学构建块的潜力。

材料

用于制备BaM纳米纤维的所有化学品和溶剂均从Sigma-Aldrich购买，使用前未经进一步纯化，包括九水合硝酸铁（[Fe (NO₃)₃].9H₂O，99.99%）、硝酸钡（Ba (NO₃)₂，≥ 99%）、N,N-二甲甲酰胺（DMF，(CH?)?NCH，≥ 99.9%）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP，(C₆H₉NO)_n，分子量约1,300,000）。

实验方法

BaM纤维的制备过程包括溶液配制：首先称取5.74克九水合硝酸铁（[Fe (NO₃)₃].9H₂O）和0.3376克硝酸钡...

化学组成

图2显示了BaM绿色纤维及其热处理后的FTIR光谱，测量范围为400–1900 cm^?1。BaM绿色纤维的光谱显示了PVP中各种官能团的特征振动谱带，例如840、1017、1286、1385.2、1430和1640 cm^?1处的谱带分别对应于NO^3?、CH₂、C-H/O-H和C-C₂的伸缩振动[19]、[20]、[21]。

与有机基团相关的峰...

结论

本研究通过溶胶-凝胶辅助电纺技术结合一步热处理（700 ≤ 温度 ≤ 1000°C）成功制备了BaM纳米纤维。纳米纤维的直径较窄（约164–177纳米），这促使晶体沿纤维轴向生长，限制了径向生长。结果表明，热处理对BaM的原子排列、结构单元形貌和磁性能具有重要影响。

作者贡献声明

Mohannad T. Aljarrah：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、实验设计及概念构思。Soliman M. Abu-Sari：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、实验设计及概念构思。Mohammad Alnaief：负责撰写、审稿与编辑、实验设计及概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。