FeSiCr磁性纳米复合材料的制备及微波吸收性能研究

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随着电磁技术的高速发展和各类电子产品的普遍使用,不同频段的电磁波充斥着人们的生存空间,引起了严重的电磁污染,对社会的发展和人们的身体健康带来了严重的伤害。微波吸收材料能有效地缓解电磁污染问题。因此,本文以传统的FeSiCr软磁材料作为研究对象。该类材料具有磁损耗和介电损耗共存的特点,并且价格便宜、原料丰富。本文从FeSiCr磁性纳米颗粒的成分和结构调控出发,为达到微波吸收材料的质轻、吸收强、厚度薄等要求,对其表面改性,获得了一系列FeSiCr磁性纳米复合材料,并研究了影响FeSiCr磁性纳米复合材料微波吸收性能的因素,主要研究内容和结论如下:(1)通过直流等离子电弧蒸发法和水热法成功制备了具有核壳结构的FeSiCr@ZnFe2O4纳米复合材料。通过控制Zn2+的添加,使得FeSiCr纳米颗粒表面产生ZnFe2O4,从而调控FeSiCr纳米颗粒的复介电常数,优化阻抗匹配,提高了材料的微波吸收能力。结果表明:在添加0.3 g Zn(CH3COO)2后,生成的FeSiCr@ZnFe2O4纳米复合材料的微波吸收性能最优。在频率为15.9 GHz,涂层厚度为1.5 mm时,FeSiCr@ZnFe2O4纳米复合材料的最小反射损耗值可达-44.2 dB,有效吸收频带宽范围为12.2~18 GHz。良好的吸波性能可归因与ZnFe2O4的产生,降低了复介电常数。(2)通过对FeSiCr纳米颗粒机械球磨,获得了片状化程度不同的FeSiCr纳米颗粒。实验结果表明:在相同球料比,同等转速下,球磨时间越长,FeSiCr纳米颗粒团聚现象加剧,片状化程度越明显。当机械球磨时间为6 h,FeSiCr纳米颗粒获得最优微波吸收性能。在频率为6.2 GHz,涂层厚度为2.2 mm时,样品的最小反射损耗值为-41.5 dB,有效吸收频宽范围为4.5~8.1 GHz。球磨时间为4 h的样品最小反射损耗值略高于球磨时间为6 h的样品,为-40.1 dB。FeSiCr纳米颗粒吸波性能的提升是由于片状颗粒更适合导电和增强金属粒子之间的空间电荷极化。(3)为避免球磨时间过长带来的团聚现象,并且缩短实验流程,将氧化石墨烯与球磨4 h的样品复合,获得片状氧化石墨烯修饰的FeSiCr纳米颗粒。实验结果表明:微量的氧化石墨烯对球磨4 h后的FeSiCr纳米颗粒复磁导率影响不大,复介电常数实部随着氧化石墨烯的增多而增加。在复合0.2 g氧化石墨烯后,FeSiCr纳米颗粒获得最优的吸波性能。在频率为8.0 GHz,厚度为1.9 mm时,最小反射损耗值可达-45.0 dB,有效吸收频带宽范围为6.6~10.3 GHz。(4)对球磨4h后的FeSiCr纳米颗粒氧化热处理,得到Fe2O3含量不同的片状FeSiCr@Fe2O3纳米颗粒。实验结果表明:随着氧化热处理的温度不断升高,Fe2O3含量不断增加。在氧化热处理温度为200 oC时,FeSiCr@Fe2O3纳米颗粒获得最优的微波吸收性能。在频率为4.6 GHz,涂层厚度为3.5 mm时,最小反射损耗值为-35.8 dB,有效吸收频带宽范围为3.9~5.7 GHz。在1~5 mm涂层厚度范围内的最小反射损耗可达-66.2dB。
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