陶瓷基逾渗复合材料的弱负介电性能调控

发布时间：2020-10-23 19:51

　　 近些年,具有负介电常数、负磁导率等负物性参数的电磁超材料(Electromagnetic metamaterials)引起了学术界的广泛关注。其有别于具有正参数的传统电磁材料,展现出许多独特的电磁性能,比如负折射、完美成像和超吸收等,其在光学隐身、成像、无线通信、传感器、电磁波吸收及屏蔽等领域具有广泛的应用前景。目前电磁超材料的研究主要集中于两种类型的材料,即具有周期性结构的超材料(Periodic metamaterials)和随机结构的超材料(Random metamaterials)。周期性超材料是由亚波长结构单元周期性排列而构成的,其电磁性能主要决定于结构单元的几何形貌、尺寸和排列方式等,而非材料的化学组成和微观结构。因此,基于材料本征性质的随机超材料得到了科研工作者的青睐。研究发现通过合理地剪裁材料的微观结构,可以利用材料的本征性质来实现负介电常数或/和负磁导率。积极探索超材料中可调控的负参数,不仅具有极大的理论意义,也是为了满足实际应用的需要。比如,相对小的负介电常数的数值有利于超材料应用于微波吸收和电容器领域;实现负电磁参数出现频段的可调控有助于其应用于多频段可调滤波器。所以,负电磁参数的调控是电磁超材料研究的重要方向和主要目标。本论文主要围绕随机复合超材料的设计、制备与电磁性能展开研究和讨论,提出了利用逾渗复合材料构筑电磁超材料的学术思路,探究了多种陶瓷基逾渗复合材料的电磁参数随化学成分和微观结构变化的规律,揭示了负电磁参数的实现和调控机理。取得的主要研究结果如下:(1)利用浸渍-还原工艺制备了钴/氮化硅金属陶瓷复合材料,亚微米级金属钴颗粒分布在氮化硅基体的孔道内。随着钴含量的增加,材料中逐渐形成三维金属网络,并出现逾渗现象。金属钴含量较低时,材料的导电机理为电子跳跃电导,材料具有电容性;当钴含量超过逾渗阈值时,形成的金属钴网络使材料具有金属电导,并展现出电感性。钴网络中自由电子的低频等离子体态导致了负介电常数的出现,其介电频散特性符合Drude模型;金属钴颗粒的磁共振和导电网络产生的抗磁性共同导致了负磁导率的出现。当钴含量达到35 wt%时,复合材料的在550 MHz-1 GHz频带出现了双负性质。(2)利用热压烧结工艺制备出碳纳米管/氧化铝逾渗复合材料。不同碳纳米管含量的复合材料展现出两种类型的负介电行为,即Lorentz共振型负介电和等离子振荡型负介电。当碳管含量较低时,材料中出现Lorentz共振型负介电,其由孤立的碳纳米管中产生的诱导偶极子极化引起的;当碳管含量足够高时,材料出现等离子体振荡型负介电,其来自于形成的碳纳米管导电网络中自由电子的低频等离子体态。利用等效电路分析了复合材料的阻抗频谱。研究发现,碳纳米管含量较低的材料可以等效为包含电容和电阻的电路;当碳纳米管含量超过逾渗阈值时,材料可以等效为由电容、电阻和电感组成的电路,在高频电场下材料内部出现的电流回路导致了电感的出现。材料中电感的产生往往伴随着负介电现象。(3)利用放电等离子烧结工艺制备出石墨烯/氮化硅逾渗复合材料。在低石墨烯含量的复合材料中,石墨烯片孤立地分布在陶瓷基体中,具有正的介电常数;在高石墨烯含量的复合材料中,增多的石墨烯含量使材料中石墨烯片相互接触,形成了逾渗导电网络,材料在低频出现等离子体振荡型负介电行为。随着石墨烯含量的增加,负介电常数的数值变大,负正转变点对应的频率向高频移动。材料的介电损耗主要包括电导损耗和极化损耗,并在介电常数负正转变的频率点处出现明显的损耗峰。(4)利用浸渍-碳化工艺制备出不同碳含量的裂解碳/氮化硅复合材料。蔗糖经高温锻烧后生成的裂解碳为无定形碳,并呈现薄膜状,这种超薄的碳膜附着在氮化硅晶粒上或位于孔道内;随着裂解碳含量的增加,材料中的碳膜越明显;高的碳化温度使无定形碳中形成了更多的有序结构,从而其导电性增强。当材料内部连通的碳网络中形成了导电回路,材料出现负介电行为。材料的负介电常数的数值相对较小,并具有弱的频散特性,无定形碳中相对较低的载流子浓度导致了这种弱负介电行为。通过控制碳含量和碳化温度,复合材料展现出可控的弱负介电行为,负介电常数的数值随碳含量的增加和碳化温度的升高而变大。(5)利用原位氧化聚合的方法制备出聚吡咯/铁石榴石复合材料,其中颗粒状的聚吡咯粘附在钇铁石榴石颗粒表面。研究发现材料展现出金属电导行为,并出现类金属的负介电特性。通过调节聚吡咯的含量,可以有效地调控材料的负介电行为。聚吡咯含量的增加可以使材料中的等效载流子浓度变大以及载流子等效质量减小,从而材料负介电参数的数值变大,等离子体频率向高频移动。材料具有典型的弛豫型磁谱,其主要由钇铁石榴石的磁共振引起的,同时内部形成了导电网络使材料在高频出现抗磁响应。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 前言
    1.2 电磁超材料的研究现状
        1.2.1 周期性结构的电磁超材料
        1.2.2 随机结构的电磁超材料
    1.3 电磁超材料的应用
    1.4 电磁超材料的发展趋势与前景
    1.5 逾渗复合材料
    1.6 本课题研究内容及意义
第2章 实验材料、仪器及测试方法
    2.1 实验原料
    2.2 实验设备
    2.3 材料组分和结构表征
        2.3.1 X射线衍射相分析（XRD）
        2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
        2.3.3 拉曼光谱（Ramon Spectroscopy）
        2.3.4 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
        2.3.5 红外光谱分析（FT-IR）
        2.3.6 热失重分析（TGA）
    2.4 材料孔结构和密度测试
        2.4.1 孔径分布测试
        2.4.2 气孔率和密度测试
    2.5 材料电磁性能测试
        2.5.1 直流电导率
        2.5.2 高频电磁性能
第3章 钴/氮化硅金属陶瓷复合材料的双负性质
    3.1 引言
    3.2 材料制备
    3.3 结果分析与讨论
        3.3.1 物相组成和微观结构
        3.3.2 电导行为和逾渗现象
        3.3.3 电容和电感特性
        3.3.4 负介电常数
        3.3.5 负磁导率
    3.4 本章小结
第4章 碳纳米管/氧化铝陶瓷复合材料的两类负介电行为
    4.1 引言
    4.2 材料制备
    4.3 结果分析与讨论
        4.3.1 物相组成与微观结构
        4.3.2 电导行为和逾渗现象
        4.3.3 等效电路分析
        4.3.4 两种类型的负介电行为
    4.4 本章小结
第5章 石墨烯/氮化硅陶瓷复合材料的负介电行为
    5.1 引言
    5.2 材料制备
    5.3 结果分析与讨论
        5.3.1 物相组成与微观结构
        5.3.2 电导行为和逾渗现象
        5.3.3 负介电行为
    5.4 本章小结
第6章 裂解碳/氮化硅陶瓷复合材料的弱负介电行为
    6.1 引言
    6.2 材料制备
    6.3 结果分析与讨论
        6.3.1 材料组成与微观结构
        6.3.2 电导行为和逾渗现象
        6.3.3 弱的负介电行为
        6.3.4 碳化温度对材料组成和微观结构的影响
        6.3.5 碳化温度对材料负介电行为的影响
    6.4 本章小结
第7章 聚吡咯/钇铁石榴石陶瓷复合材料的可调负介电行为
    7.1 引言
    7.2 材料制备
    7.3 结果分析与讨论
        7.3.1 物相组成和微观结构
        7.3.2 可控的负介电行为
        7.3.3 磁性质
    7.4 本章小结
第8章 结论与展望
    8.1 结论
    8.2 展望
    8.3 本文主要创新点
参考文献
致谢
附录Ⅰ 博士期间发表的论文和取得的成果
附录Ⅱ 英文论文
学位论文评阅及答辩情况表

【参考文献】

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本文编号：2853470