Fe3O4基磁性材料的制备及其复合薄膜电磁性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xkd19890528
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由于移动电话、局域网、雷达系统等在GHz微波段应用的增多,电磁干涉等电磁污染严重破坏了生态环境,威胁着人的健康,吸波材料的应用是防止电磁污染、实现雷达隐身、电磁兼容的有效手段,因此制备性能优越吸波材料具有深远的意义。将吸波剂制备成薄膜材料可以使吸波材料在原有吸波效果的基础上具有薄膜的特性,在电磁屏蔽材料和超薄型雷达波吸收材料中有广阔的应用前景。本论文旨在制备吸波性能优越的磁性复合吸波薄膜,制备Fe3O4纳米颗粒、一维纳米链、二维片状及三维花状结构颗粒和不同比例的CoNi无定形合金颗粒;将铁磁性的Fe3O4与Ni、Co、石墨复合,将Co包覆在空心微球表面;将铁磁性颗粒均匀分散在有机载体中制备成吸波薄膜,研究外加磁场对薄膜吸波性能的影响,并采用阻抗匹配、吸收、反射三层结构设计提高薄膜吸波性能。颗粒的微观形貌对材料的电磁性能具有很大影响,采用化学共沉淀法和乙二醇溶液回流法制备了不同形貌的Fe3O4颗粒,由于纳米Fe3O4颗粒间存在的晶面间引力、静电偶极场导致的引力、范德华力、氢键等发挥作用的不同,因此,可以通过控制条件来实现Fe3O4零维纳米颗粒、一维纳米链状颗粒、二维片状和三维花状颗粒形貌的可控制备。零维纳米颗粒的粒径小于超顺磁临界尺寸,超顺磁性的纳米Fe3O4颗粒的吸波性能较弱。链状的Fe3O4由纳米颗粒组装成,长径比大于5,单个颗粒的尺寸小于单畴尺寸大于超顺磁临界尺寸以及形状各向异性,使链状Fe3O4具有较大矫顽力和剩余磁化强度,纳米链状Fe3O4较超顺磁性Fe3O4纳米颗粒具有较好的吸波性能。纳米Fe3O4颗粒在2-18GHz出现的介电驰豫主要是由固有电偶极子取向极化以及界面极化引起。粒径越小的颗粒极化越明显,介电常数越大。纳米Fe3O4磁损耗机制主要包括畴壁共振和表面效应。带有孔结构的花状Fe3O4具有较大的表面各向异性和形状各向异性,因此,花状Fe3O4突破Snoek极限,μ"在3.0GHz取得自然共振峰。孔结构和片层结构的引入可有效调节材料的阻抗匹配特性,产生损耗封闭效应,此外,频散效应,稳定的介电和磁损耗使花状Fe3O4具有优异的吸波性能,匹配厚度最薄达1.5mm,最强吸收达-47.4dB,在厚度为1.5-3.0mm之间吸收率大于-5dB (70%)的频宽可达10GHz。制备无定形的纳米双球CoNi合金在Co与Ni比例为7:3时匹配厚度为1.2mm,最大吸收为-32.4dB,厚度在1.1-3.2mm间调节,可使样品在3.6-17GHz范围内吸波大于-10dB(90%)。采用水合肼和硼氢化钾双还原剂制备得到晶态Co与Fe3O4复合材料,单还原剂硼氢化钾制得无定形Co与Fe3O4复合材料,经过热处理无定形Co与Fe3O4复合材料主要变成晶相为面心立方α-Co和FeCo合金,形貌从纳米颗粒变为纳米棒状结构。复合材料的自然共振峰被调节到2-18GHz,因此复合材料吸波性能优异,当样品厚度为1.2mm时,大于-10dB的吸收频带宽可达4.3GHz。通过将铁磁性无机粉体与氯丁橡胶复合制备成单层磁性复合薄膜,将自制的棒状Co与FeCo合金和羰基铁粉复合,分散到氯丁橡胶中制备的单层薄膜厚度为0.44mm,取得最大吸收达-22.86dB,7.7-18.0GHz频段大于-4dB吸收,大于-8dB吸收频宽为5.6GHz。引入的外加平行磁场使薄膜平面内两个方向的磁各向异性明显增大,但对薄膜的吸波性能基本没有影响。垂直磁场能有效的减慢磁性颗粒的沉降速率,使薄膜的吸波性能提高,在无定形Co与Fe3O4和羰基铁单层复合薄膜制备过程中引入垂直磁场,薄膜厚度仅为0.43mm,最大吸收达-15.61dB,大于-8dB的吸收频带宽为6.3GHz,6.76-17.41GHz吸收均大于-4dB。结合目前最有效的结构吸波材料设计方式,采用透波层、吸收层、反射层三层结构有效地吸收入射电磁波,在各层尝试采用兼具电损耗和磁损耗的材料,制得吸波性能良好的薄膜吸波材料,表现为厚度仅为1.23mm,最大吸收达-26.59dB,大于-8dB的吸收频宽为6.6GHz,在6.24-18.0GHz吸波大于-4dB。
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