钴基铁氧体的电磁衰减及其微波吸收性能研究

发布时间：2020-07-04 19:18

【摘要】：众所周知,尖晶石(AB_2O_4)型氧化物具有适中的阻抗匹配和介电损耗能力,广泛应用于电磁污染防治及军事目标的雷达隐身。但铁氧体一般在较大的涂层厚度下才具有较好的吸收特性,与理想的宽频轻质电磁吸收剂仍有较大差距。铁氧体的电导率和磁损耗能力均较弱,限制了其低厚度下的电磁吸收性能。为了解决铁氧体低厚度下吸收频带过窄的难题,本论文通过逐次增强电磁衰减能力策略,如优化电导损耗、引入极化、增强磁损耗等途径,来实现钴基铁氧体在低厚度(1.5 mm)下的强衰减特性。主要研究内容及结果如下:(1)首先,为了弄清铁氧体电导损耗与电磁吸收性能之间的关系,我们以非磁性Fe_x Ni_(1-x)Co_2O_4为研究对象,这类钴基尖晶石氧化物的电磁损耗形式单一,在高频仅以电导损耗为主,便于揭示电导-电导损耗-有效吸收频带宽度三者之间的线性关系。一般而言,对尖晶石氧化物中电导起促进作用的主要是占据尖晶石八面体位置的阳离子。所以,为了解决在多离子取代的情况下,离子在尖晶石中的占位难题,我们利用同步辐射、穆斯堡尔谱、XPS等多种分析手段,获得了Fe、Co、Ni离子在尖晶石中的配位数,以此来判断可能的占位情况,同时通过同步辐射拟合,定量分析出每种离子的平均价态,归纳总结出每种价态下离子在尖晶石中的分布情况,确定并推断出八面体中离子的类型、价态、以及高低自旋状态等。研究发现Fe_xNi_(1-x)Co_2O_4八面体位置中的Fe~(3+)与Co~(2+)离子之间的电磁传输可能对电导起到促进作用。Fe~(3+)/Co~(2+)邻位阳离子对的数目越大,样品的电导、电导损耗和有效吸收频带也越大。当x=0.8时,Fe~(3+)/Co~(2+)邻位阳离子对的百分比3.7%,有效吸收频带宽度在1.5 mm厚度下达到了6.0 GHz。(2)随后,我们继续研究了热处理温度与尖晶石氧化物电导之间的关联。将上章中性能最佳的Fe_(0.8)Ni_(0.8)Co_2O_4样品进行400-700 ~oC热处理,并采用同步辐射研究配位数及平均价态的变化。结果显示,热处理温度对该氧化物中阳离子的配位数并无明显的影响,但平均价态发生了改变。相应的,八面体中Fe~(3+)/Co~(2+)邻位阳离子对数百分比也随着热处理温度呈现非线性变化。但结果依旧证实Fe~(3+)/Co~(2+)邻位阳离子对数越多的样品,电导和电导损耗以及有效吸收频带也越大。我们进一步对钴基硫化物和氧化物之间的电导差异性进行对比分析,来探测阴离子对尖晶石化合物电导调控的内在机理。结果表明硫化物和氧化物中的阳离子发生了变化,同上述规律一致,Fe~(3+)/Co~(2+)邻位阳离子对数越大,电导率愈大。(3)基于上述结论,我们通过Ni、Co共取代优化Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4的电导损耗能力。结果表明:x=1时,样品的电导损耗最强,有效吸收频带宽度达到了3.9 GHz。随后,我们采用热处理进一步优化了CoFe_2O_4的电导损耗能力,500 ~oC热处理的样品的电导损耗显著增大,相应的有效吸收频带宽度也增大至4.8 GHz。(4)电导损耗的增强有利于增强铁氧体电磁吸收性能,但电导损耗只是介电损耗的一种形式。而在高频范围内,界面极化也是一种不可忽视的介电损耗形式。基于此,我们通过碳修饰,既减小了吸收体的重量,又构筑了界面并引入了界面极化。我们设计了Core-Shell结构,超高比表面积的CoFe_2O_4量子点/碳复合材料,膜状铁氧体/石墨烯复合吸收剂。特殊的结构设计增大了接触面积,增强了极化强度,有效吸收频带宽度比铁氧体单体提升了1.25倍。(5)在维持高强介电损耗的前提下,我们通过原位生长法将CoFe_2O_4负载在高磁损耗的羰基铁上,进一步增强铁氧体的磁损耗能力。所得羰基铁/CoFe_2O_4复合结构具有理想的电导损耗和界面极化,其磁损耗值比CoFe_2O_4吸收单体明显增强,且有效吸收频带宽度可以达到6.7 GHz。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

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