高磁导率石墨基磁性吸波材料的可控制备与电磁性能研究
发布时间：2020-04-15 17:31
【摘要】：研制高效新型微波吸收与屏蔽材料是减少电磁污染、保护环境的有效途径。电磁参数(s-ε'-jε'.μr=μ'-jμ")和阻抗匹配是决定材料吸收性能的关键因素。这些参数取决于吸收剂的形态、结构、尺寸、组成、表面、界面和电磁耦合的协同作用。层片状异质结构纳米复合材料因其高的比表面积、大的形状各向异性、表面和界面,而具有高的介电常数和磁导率,在电磁屏蔽和微波吸收领域备受关注。为此,本文以膨胀石墨(EG)为基底设计和制备了不同组成、形貌、尺寸、表面和界面的EG/Fe/Fe3O4、EG/Fe3O4纳米环、C/铁氧体(Co,Ni,Zn,Fe)纳米晶超结构、EG/C/铁氧体纳米晶超结构等碳磁复合材料,揭示了尺寸、组成和形貌调控机理,探究了磁性粒子的形态、尺寸、组成、表面与界面对电磁作用机制和微波吸收增强机理。主要研究内容如下:1.EG/Fe/Fe3O4复合材料的可控合成与电磁性能采用化学气相沉积法,通过改变Fe(CO)5体积(δ)制备了不同组成和表面形态的EG/Fe/Fe304复合材料。实验结果表明:随着δ从1 mL增加到4 mL,Fe和Fe304的含量分别在0～6.64%和0～81.84%范围内增加;在δ=1～3 mL时Fe/Fe3O4纳米颗粒在EG表面形成草莓状结构,在δ = 4 mL时Fe/Fe3O4纳米颗粒在EG表面形成致密的颗粒膜。由于Fe304和Fe含量的增加,Ms值因耦合和空间限域效应的增强而逐渐增大;由于形状各向异性和晶体尺寸的协同效应,历值逐渐降低。草莓状表面的EG/Fe/Fe304复合材料(S1-S3)比纯EG和具有致密颗粒膜表面的复合材料(S4)具有更高的磁导率、介电常数和微波吸收率。具有草莓状表面的复合材料(S3)在7.84GHz的最小RL值为-41.6dB,RL≤20 dB(99%吸收率)频率范围为15.7GHz。这项工作为设计和合成“宽带-轻质”微波吸收剂提供了重要的指导。2.EG/Fe3O4纳米环复合材料的组成和尺寸的调控及其电磁特性通过溶剂热-表面改性-烧结法制备了 EG/Fe3O4纳米环(NR)复合材料,以突破Snoek极限的限制。采用XRD,EDX,XPS,FESEM,TEM,STEM和拉曼光谱表征了样品。改变前驱物的质量、尺寸和EG球磨时间可以方便地调控Fe3O4NR含量、Fe3O4形状、填充质量分数、NR和EG尺寸。复合材料具有可控的饱和磁化强度,介电常数和磁导率显著增加。性能研究表明:适量的Fe3O4含量(6.38wt.%～22.12wt.%)、大EG尺寸和大NR尺寸有利于提高磁导率和介电常数。这是由于易面各向异性、高磁化强度(Ms)、微流诱导等离子共振以及微流诱导电磁耦合的协同作用。特别是,与纯EG和Fe3O4NR相比,复合材料表现出轻质、宽带和强吸收的特性。我们发现含29.82%(重量)Fe3O4的复合材料展现了最佳的微波吸收特性:在8.56 GHz处的最小RL值为-45.8 dB,RL≤-20dB频率范围为12.97 GHz,质量分数为10wt.%。这项工作为设计和合成具有高Snoek极限,宽频带和轻质的微波吸收剂提供了重要指导。3.碳支撑铁氧体纳米晶超结构的组装与电磁特性研究以金属-油酸盐络合物作为前驱体,硫酸钠盐粉末作为牺牲模板,采用一步自组装法合成了二维碳/铁氧体纳米晶超结构(C/铁氧体纳米晶超结构,EG/C/铁氧体纳米晶,MxFe3-xO4,M=Co,Ni,Zn,Fe)。研究了油酸钠的含量、水的体积、老化时间、老化温度、煅烧升温速率、煅烧温度、不同模板、尖晶石铁氧体和掺入膨胀石墨对样品的组成、尺寸和形貌的影响。调控铁氧体组成、尺寸能有效地调节样品的静磁性能。样品的Ms 值按以下顺序减小:EG/C/y-Fe2O3(SO)EG/C/CoFe2O4(S14)EG/C/NiFe2O4(S15)EG/C/ZnFe2O4(S16);而Hc值按以下顺序减小:EG/C/CoFe2O4(S14)EG/C/y-Fe2O3(S0)EG/C/NiFe2O4(S15)EG/C/ZnFe2O4(S16)。与 EG,EG/y-Fe2O3和 EG/C/ZnFe2O4相比,EG/C/y-Fe2O3,EG/C/NiFe2O4和EG/C/CoFe2O4超结构具有优异的微波吸收特性。EG/C/CoFe2O4复合物在13.9 GHz处,最大反射损耗为-49.85dB,厚度为1.3mm,其吸收带宽(RL≤-20dB)为15.0GHz(2.0～17.0GHz)。这种优异的微波吸收特性是由于碳支撑铁氧体纳米晶的异质超结构,具有高介电常数、较强的电磁损耗和阻抗匹配。
【图文】：
图２．１样品（Ｓ１－Ｓ４）的ＸＲＤ图谱。逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋ＸＲＤ邋ｐａｔｔｅｒｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｓ－ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｓａｍｐｌｅｓ邋（Ｓ１－Ｓ４）．逡逑通过ＸＲＤ表征分析了样品的物相和晶粒尺寸（图２．１）。在１０％邋２杉９０°范围内，，逡逑？对应于磁性［６３0４［＞０１０５邋６５－３１０７］的衍射峰位置［４５］，０对应于膨胀石墨（￡０）［；＾：？０５逡逑６５－６２１２］的衍射峰位置［２５］，ｖ对应于金属Ｆｅ［ＪＣＰＤＳ邋０６－０６９６］的衍射峰位置。在２０＝２５．３°逡逑处的峰是邋ＥＧ邋的特征峰位置。在邋２０邋＝邋３０．１。，３５．１。，３６．８。，４２．７。，５３．４°，５７．２°和邋６２．７°处逡逑的峰分别对应Ｆｅ３0４的（２２０），（３１１）邋，邋（２２２），（４００），（４２２），（５１１）和（４４０）逡逑晶面，没有出现其他的杂质峰。所得的样品由ＥＧ、Ｆｅ和Ｆｅ３0４组成。膨胀石墨（ＥＧ）逡逑的衍射峰尖而窄，表明ＥＧ的结晶性良好。随着加入Ｆｅ（ＣＯ）５的量增加，Ｆｅ和Ｆｅ３0４的逡逑衍射峰逐渐尖锐化，膨胀石墨的衍射峰却逐渐减弱。这种变化通常与磁性部分的含量，逡逑结晶度和晶体尺寸的增加有关。我们用Ｈａｌｌ－Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ方程计算了样品的平均晶粒尺寸逡逑（Ｄ）（表２．３）。在３＝４邋ｍＬ时晶粒尺寸Ｄ显示最大值为３２．５邋ｎｍ。我们的数据表明
随着加入的Ｆｅ（ＣＯ）５体积从０邋ｍＬ增加到４邋ｍＬ，邋Ｃ原子百分比在ｄ邋＝邋０？２邋ｍＬ处缓逡逑慢下降，在３邋＝邋２邋￣４ｍＬ处急剧下降；而Ｆｅ原子百分比在＜５邋＝邋０？２邋ｍＬ缓慢升氋，在３逡逑＝２邋￣４ｍＬ时急剧X椉樱ㄍ迹玻玻猓６粤教跚呓心夂希直鸲杂α礁霾煌牟６义献嚷沂玖隋澹煤停唬疲逶影俜趾坑耄疲澹ǎ茫希堤寤涞墓叵怠ｅ义媳恚玻臣尤氩煌寤疲澹ǎ茫希靛澹ɑ玫玫降难罚ǎ樱埃樱矗┑淖槌珊途泊判阅堋ｅ义希裕幔猓欤邋澹玻冲澹牛妫妫澹悖翦澹铮驽澹疲澹ǎ茫希箦澹觯铮欤酰恚邋澹ǎ剩╁澹铮铄澹簦瑁邋澹悖铮恚穑铮螅椋簦椋铮铄澹幔睿溴澹螅簦幔簦椋沐澹恚幔纾睿澹簦椋沐澹穑颍铮穑澹颍簦椋澹箦澹铮驽澹螅幔恚穑欤澹箦澹ǎ樱埃义希樱矗义希冲危校瑁幔螅邋澹悖铮睿簦澹睿妫ǎ鳎簦ィ╁危湾危儒
本文编号：2628799
【图文】：
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