铁氧体逾渗复合材料的超常电磁性能

发布时间：2020-08-17 20:04

【摘要】：当电磁波与介质发生相互作用时,在界面处将发生诸如透射和反射的物理现象。此时,介电常数或磁导率通常被用于表征电磁场与材料之间的相互作用。传统电磁材料的介电常数和磁导率为正值。近年来,具有负磁导率或负介电常数的电磁超材料由于其非凡的电磁特性(如负折射,反多普勒和完美的透镜成像),引起了学术界的广泛关注。电磁超材料的电磁特性主要是通过改变其结构元件来调控的,和它的微观结构和物相组成无关。因此,随机复合型超材料的负电磁参数研究已成为一个新的研究方向。通过传统的制备工艺可以制备得到随机复合型电磁超材料,通过改变实验工艺参数可以调控其电磁参数。对这类随机复合材料的研究有效地促进了随机复合型电磁超材料的发展。本论文主要围绕铁氧体粉体的制备、铁氧体逾渗复合材料的制备与其超常电磁性能展开研究和讨论,探明改变铁氧体逾渗复合材料中导电相的种类和含量变化引起电磁参数变化的规律,揭示负电磁参数出现的机理。此外,本论文研究了铁氧体逾渗复合材料的微波吸收性能。主要研究内容和实验结果如下:(1)采用水热合成法在不同的保温时间下制备了钡铁氧体粉体,研究了保温时间对物相组成、微观形貌和静态磁性能的影响。结果表明,保温时间为17h时制备得到的钡铁氧体的静态磁性能最优。确定最佳保温时间后,研究了不同镧掺杂量下的钡铁氧体的物相组成、微观形貌和静态磁性能。结果表明,La掺杂量为0.1时,掺La钡铁氧体为多磁畴结构,其饱和磁化强度高、矫顽力低,适合在高频下应用。(2)以掺La钡铁氧体和硝酸银为原料,利用浸渍还原工艺将金属银颗粒负载在多孔掺La钡铁氧体陶瓷中。随着金属银含量的增加,金属银/掺La钡铁氧体复合材料由电容性转变为电感性。当金属银含量超过19 wt%时,介电频散特性符合Drude模型。由于复合材料中电子浓度随着银含量的增加而增加,引起等离体子共振频率向高频移动。金属银/掺La钡铁氧体复合材料的磁导率随频率增加而下降是由掺La钡铁氧体的磁共振和涡流效应导致的。(3)以掺La钡铁氧体和羰基铁粉为原料,采用无压烧结工艺制备了羰基铁/掺La钡铁氧体复合材料。复合材料的逾渗阈值在70 wt%和80 wt%之间,当羰基铁粉含量接近逾渗阈值(60 wt%和70 wt%)时,复合材料获得了大的介电常数;当羰基铁粉含量为80 wt%,即超过逾渗阈值时,羰基铁/掺La钡铁氧体复合材料的介电常数数值相对较小,且在650 MHz时由负转正。在650 MHz频率附近,其介电常数接近于零,这类材料可以称之为介电近零超材料。介电近零超材料在超级耦合,隐形,高定向天线和光学设备等方面具有广阔的应用前景。羰基铁/掺La钡铁氧体复合材料磁导率的下降主要是由畴壁共振、自然共振和涡流效应共同引起的。为了研究负电磁参数材料的负参数和微波吸收性能之间的关系,本论文研究了羰基铁/掺La钡铁氧体复合材料在2-18 GHz的微波吸收性能。羰基铁含量为80wt%的羰基铁/掺La钡铁氧体复合材料在100 MHz-1 GHz频段内获得近零介电常数。当样品厚度为2.5 mm时反射损耗RL达到最大值为-41.3 dB,表明其具有良好的微波吸收性能。(4)以碳纳米管和钇铁石榴石为原料,采用热压成型工艺制备得到了碳纳米管/钇铁石榴石复合材料。当碳纳米管含量超过逾渗阈值时,介电常数表现为洛伦兹(Lorentz)共振型。随着碳纳米管含量的增加,洛伦兹共振中的由正转负点向低频移动。复合材料中电子浓度的增加导致了等离体子共振频率的增加。采用K-K关系公式,根据实验测得的复合材料的介电常数虚部计算出介电常数的实部。对比计算出的结果和实验测得的介电常数实部,发现结果的吻合度较高,说明实验测得的介电常数是可靠的。碳纳米管/钇铁石榴石复合材料的磁导率实部随着频率的增加而降低,磁导率虚部表现出损耗峰,这主要是由钇铁石榴石弛豫型的共振和导电相的涡流效应共同作用导致的。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

反铁磁性物质,铁磁性物质,原子磁矩,排列方式

介电常数和磁导率是表征材料电磁性能的两个重要本征参数［１５］，决定逡逑电磁材料的应用领域。根据材料的介电常数和磁导率数值的正负，可以将材料分逡逑为四大类【１６－１７］，如图１－３所示。逡逑第一类材料的介电常数和磁导率均为正值Ｇ＞0且／／＞0），位于第一象限。逡逑自然界中大多数的透明材料为此类材料，这类材料符合右手定则。双正材料在不逡逑同的应用领域对电磁参数有不同的要求。用于电子领域的电子封装或者高储能电逡逑５逡逑

谐振环,金属线,结构示意图,阵列

表理论研究论文，分别提出了实现低频负有效介电常数和负有效磁导率的金属线逡逑（ｗｉｒｅ）邋［４３］及开口谐振环（ｓｐｌｉｔ邋ｒｉｎｇ邋ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，邋ＳＲＲ）邋［４４］周期性人工材料模型（如逡逑图１－４所示），使实现“左手材料”成为可能。金属阵列的有效介电常数可以表逡逑示为［４５］：逡逑其中，为由几何结构参数决定的电共振频率；ｒ为结构的损耗参数，可以看出，逡逑对于频率￡０满足0）0＜0）邋＜ｃｙｐ的电磁波，金属线阵列的有效介电常数小于零。周逡逑期性排列的ＳＲＲ阵列的有效磁导率可以表示为逡逑＝邋１邋－邋Ｗ２＿ｌ？＋ｉ６ｊｒ逦（１＇１３）逡逑其中，ｃｗｏ为谐振频率，Ｆ为ＳＲＲ占空比，ｒ为损耗参数。设６Ｊｍｐ邋＝邋ｗ０／ＶＨ，逡逑为磁等离子体频率，则由上式可得，对于频率满足伽＜ｃｙ＜ｃｙｍｐ的电磁波，ＳＲＲ逡逑阵列形成的复合材料具有负的有效磁导率。逡逑

磁共振,负折射率,材料,电共振

如图ｌ－５ｂ所示，但是由于棱镜形样品存在较大的损耗，后来的学者便逡逑在此结构的基础上优化设计出低损耗的改进型结构在环状电流及等效ＬＣ逡逑电路的启发下，研究者提出了更加简单的双棒结构［５５—５８］和渔网结构１５９？］，如图１－逡逑６所示。从图ｌ－６（ａ）可以看出，双棒结构将ＳＲＲ垂直于电磁波磁场的环状结构改逡逑为分立在两平行面上的平行棒对，这种设计使双棒结构不仅能够工作在电磁波垂逡逑直入射的条件下，并且为通过微纳米加工技术获得高频电磁响应提供了更加易于逡逑实现的模型。理论与实验结果均表明双棒结构是代替ＳＲＲ实现磁响应的一种好逡逑的选择。除了与电磁波磁场相互作用，垂直入射条件下双棒结构还将受到电磁波逡逑磁场部分激励发生电共振。然而，由于结构限制，其电共振频段很难与磁共振频逡逑段重合，因此很难通过双棒结构实现左手效应。而渔网结构通过相互正交的结构逡逑设计分别实现电共振和磁共振，从而获得同时小于零的有效介电常数和磁导率。逡逑目前现阶段实现光频左手效应最有效的是渔网结构。逡逑ａ逦ｂ逡逑

【参考文献】