空心微球-鋇鐵氧體輕質(zhì)復(fù)合粉末的制備和吸波性能研究.pdf

1、由于電磁波在軍事、工業(yè)及民用產(chǎn)品中的應(yīng)用迅速增加，電磁干擾已經(jīng)成為一種新的社會污染，電磁輻射也對人體健康和各種電子設(shè)備造成巨大危害。因此具有吸收電磁波功能的材料已成為近年研究和應(yīng)用的熱點。理想的吸波材料應(yīng)該具有強吸收、寬頻段、厚度薄、質(zhì)量輕的特點。六角晶鋇鐵氧體由于具有高的各向異性場、高飽和磁化強度、強耐酸堿性以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于微波吸收材料中，但存在密度大等不足。空心陶瓷微球由于具有密度低和特殊的空心結(jié)構(gòu)等特點，可作為微波

2、吸波材料的基材。本論文提出將鋇鐵氧體和空心陶瓷微球的優(yōu)點相結(jié)合，制備輕質(zhì)磁性復(fù)合粉末。然后利用介電性能優(yōu)異的氧化物摻雜以提高材料的微波吸收性能，探討不同晶型二氧化鈦摻雜對輕質(zhì)復(fù)合粉末性能的影響；在此基礎(chǔ)上設(shè)計并制備具有多層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合粉末，提高其微波吸收性能，并研究中間層和空心結(jié)構(gòu)對復(fù)合粉末微波吸收性能的促進機理。 采用溶膠-凝膠技術(shù)和自蔓延燃燒法相結(jié)合制備了空心陶瓷微球和鐵氧體相復(fù)合的輕質(zhì)磁性復(fù)合粉末。研究了空心微球復(fù)合對制

3、備材料的相組成、微觀結(jié)構(gòu)、磁性能的影響，并結(jié)合DSC/TG分析了復(fù)合粉末的相轉(zhuǎn)變機理。XRD結(jié)果顯示：復(fù)合粉末由六角晶鋇鐵氧體、α-氧化鐵，以及少量的莫來石相組成。隨著微球加入量的增加，鋇鐵氧體的含量、復(fù)合粉末的比飽和磁化強度和矯頑力均降低。復(fù)合粉末相轉(zhuǎn)變過程研究表明：前驅(qū)體干凝膠自蔓延反應(yīng)后的γ-氧化鐵一部分與碳酸鋇反應(yīng)生成六角晶鋇鐵氧體，另一部分則轉(zhuǎn)換為α-氧化鐵。γ-氧化鐵未能完全反應(yīng)形成鋇鐵氧體的原因是由于莫來石組分中的氧化鋁與

4、α-氧化鐵同屬于剛玉結(jié)構(gòu)，且二者的晶格參數(shù)相差為5.49％，易形成半共格界面，α-氧化鐵易于在微球表面成核。 空心微球微觀結(jié)構(gòu)分析表明：空心微球包覆前表面光滑。包覆后，在表面可觀察到一層六角晶鋇鐵氧體和α-氧化鐵。包覆層厚度為170nm左右，包覆層大部分顆粒尺寸小于80nm，屬于單疇顆粒。微波網(wǎng)絡(luò)分析顯示，在測試頻率范圍內(nèi)，隨著空心微球加入量的增加，復(fù)合粉末最低反射損耗值和10dB吸收帶寬逐步降低。當(dāng)加入30wt％的空心微球時，

5、其最低反射損耗值為-19.5dB，對應(yīng)的匹配厚度和頻率分別為2.8mm和8.16GHz，相應(yīng)的10dB吸收帶寬為3.44GHz。 利用濕化學(xué)技術(shù)分別制備了金紅石型和銳鈦礦型二氧化鈦摻雜的輕質(zhì)復(fù)合粉末。對于金紅石型氧化鈦摻雜，復(fù)合粉末由二氧化鈦、六角晶鋇鐵氧體、α-氧化鐵以及少量的莫來石相組成。XRD和磁性能結(jié)果顯示，銳鈦礦型二氧化鈦摻雜不利于鋇鐵氧體相的生成，其原因是前驅(qū)物中含有氧化鋁以及銳鈦礦相在轉(zhuǎn)變過程中Fe/Ti過高。而金

6、紅石型二氧化鈦摻雜可提高復(fù)合粉末的微波吸收性能。當(dāng)樣品厚度均為2mm、空心微球為50wt％時，樣品最低反射損耗值由未加入二氧化鈦時的-11.6dB降低為加入二氧化鈦時的-13.9dB，相比降低了20％。吸收帶寬由2.48GHz增加到4.24GHz，增加了71％。 為進一步提高復(fù)合粉末的微波吸收性能。采用二步溶膠-凝膠法制備了以空心微球為核、金紅石型二氧化鈦為中間層和鐵氧體為殼的具有多層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)磁性復(fù)合粉末。XRD結(jié)果表明粉末由

7、二氧化鈦、鋇鐵氧體、α-氧化鐵和少量的莫來石相組成。FESEM、TEM和能譜結(jié)果證實了二氧化鈦和鐵氧體分別包覆在空心陶瓷微球和二氧化鈦改性后的空心微球表面，鐵氧體包覆層為單疇顆粒。 研究表明：金紅石型二氧化鈦中間層的引入能部分抑制前驅(qū)物中γ-氧化鐵向α-氧化鐵相的轉(zhuǎn)變、促進鋇鐵氧體相的形成、提高粉末的比飽和磁化強度和顯著增強復(fù)合粉末的微波吸收性能以及降低樣品匹配厚度。當(dāng)復(fù)合粉末中鋇鐵氧體含量為40wt％時，加入二氧化鈦中間層樣品

8、的比飽和磁化強度和矯頑力分別為17.88emu/g和4850Oe，未加入二氧化鈦時分別為9.60emu/g和4550Oe。對空心微球均為50wt％，未引入中間層和添加25wt％二氧化鈦為中間層的復(fù)合粉末，樣品最低反射損耗值由-14.6dB降低為-30.1dB，相比降低了106％。匹配厚度由2.9mm降低為2.4mm，降低了17％。隨著二氧化鈦加入量的增加，樣品最低反射損耗值先降低后增加，小于-20dB的連續(xù)吸收帶寬則先增加后降低。對添加