多重電磁耗散機(jī)制納米復(fù)合材料的原位制備及其電磁性能研究.pdf

1、吸波材料對電磁波的能量耗散，主要來自于材料的介電損耗和磁損耗以及二者匹配。介電損耗主要是指通過介質(zhì)的電子極化，離子極化或界面極化效應(yīng)來吸收、衰減電磁波；磁損耗則主要是通過磁滯損耗、疇壁共振、渦流損耗和后效損耗等磁化機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對電磁波的吸收和衰減。隨著吸波材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對吸波材料的要求也越來越苛刻。開發(fā)吸收頻帶寬、厚度薄、吸收能力強(qiáng)、質(zhì)量輕的電磁波吸收材料已經(jīng)引起世界各國的關(guān)注。
　　納米吸波材料作為一類新型的電磁吸波材料

2、，不僅具有較好的電磁波吸收性能，且兼具質(zhì)量輕，厚度薄，頻帶寬等優(yōu)勢，成為目前電磁領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，由于納米材料尺寸小，表面能高，容易團(tuán)聚，因此，如何很好的實(shí)現(xiàn)納米材料的分散性能是其應(yīng)用研究需要解決的關(guān)鍵性問題。此外，理想的電磁波吸收材料希望能同時(shí)具有高的磁損耗因子(tanδM=μr′′/μr′)以及高的介電損耗因子(tanδE=εr′′/εr′)。單一組元的吸波劑，難以滿足高效吸波性能的要求，因此，如何同步提高這兩組參數(shù)對于制備高性

3、能電磁波吸收材料至關(guān)重要。
　　本論文工作采用簡單的原位復(fù)合方法，將具有不同電磁耗散機(jī)制的納米材料進(jìn)行原位復(fù)合，制備得到系列納米復(fù)合吸波材料。希望在有效提高納米材料的分散性能的同時(shí)賦予材料更多的損耗機(jī)制及其它的性能可調(diào)控性，從而實(shí)現(xiàn)對材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用透射電子顯微鏡(TEM)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、X射線衍射儀(XRD)、共焦顯微拉曼激光光譜儀等儀器對得到的納米復(fù)合材料進(jìn)行了形貌、結(jié)構(gòu)的表征，探討了樣品組成、形貌、

4、結(jié)構(gòu)及微觀缺陷等對其磁性和電磁性能的影響，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對其性能的調(diào)控，得到具有理想綜合性能的電磁吸波材料。
　　主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.在液相系統(tǒng)中，Ni/ITO納米復(fù)合材料的制備是通過簡便的原位還原法以氯化鎳作為鎳源，水合肼作為還原劑以及用NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH來完成的。在所制備的納米復(fù)合材料中，ITO納米粒子不僅僅作為隔離介質(zhì)防止磁性納米粒子的團(tuán)聚，而且還賦予摻混納米復(fù)合材料利于電磁波吸收的額外界面極化機(jī)制

5、。結(jié)果表明，與純相Ni或ITO納米顆粒相比，Ni/ITO納米復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的吸波性能。這是因?yàn)榉谴判缘腎TO 納米粒子有助于Ni納米粒子在所制備的Ni/ITO納米復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)均勻分散，從而有利于獲得合適的電磁阻抗匹配并促進(jìn)額外的界面極化機(jī)制來增強(qiáng)微波吸收。本研究有望在制備具有可調(diào)控組成和電磁性能的先進(jìn)吸波復(fù)合材料方面開辟新的途徑。
　　2.在本研究中，潛在的輕質(zhì)微波吸收體Ni/C納米復(fù)合材料是通過簡便的方法在流

6、動的氨氣氣氛中煅燒硝酸鎳-聚丙烯酰胺的混合物而制備。并對所制備Ni/C納米復(fù)合材料的電磁特性與其組成和微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系進(jìn)行考察。研究結(jié)果表明，所制備的Ni/C納米復(fù)合材料具有島嶼狀結(jié)構(gòu)并由多孔碳基質(zhì)和尺寸約為幾百納米的鎳納米顆粒組成且Ni/C納米復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁性能。Ni/C納米復(fù)合材料電磁性能對溫度具有高度的依賴性，且在600 ℃時(shí)制備得到的Ni/C納米復(fù)合材料具有理想的吸波性能。在較小的吸波厚度2.3-7.0 mm范圍內(nèi)，

7、其RL<20 dB(對電磁波的吸收高達(dá)99％)的頻段范圍可達(dá)到13.5 GHz。這歸功于復(fù)合材料中特殊的介孔結(jié)構(gòu)和理想的電磁阻抗匹配以及Ni納米顆粒在碳基質(zhì)中的均勻分散。即，Ni/C納米復(fù)合材料中碳基質(zhì)的存在利于誘導(dǎo)產(chǎn)生多重介電極化從而提高Ni/ C納米復(fù)合材料的電磁損耗性能，而且碳的存在在提高復(fù)合材料熱穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能的同時(shí)還可以保留金屬Ni的本征磁性。
　　3.TiN/C納米復(fù)合材料的制備是以鈦酸納米管(H2Ti2

8、O4(OH)2, NTA)和聚丙烯酰胺(PAM)為原料通過簡便的一步法完成的。在本節(jié)中，氮化鈦-碳（TiN/C）納米復(fù)合材料被作為研究本征磁性和電磁性行為與結(jié)構(gòu)缺陷之間關(guān)系的具體實(shí)例。結(jié)果表明，溫度對于納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成和性質(zhì)具有重要影響。此外，TiN/C納米復(fù)合材料不僅表現(xiàn)出明顯的靜態(tài)磁性而且具有顯著的動態(tài)磁導(dǎo)率，相關(guān)于其在8-12 GHz的磁異常和介電共振。然而在TiN/C納米復(fù)合材料弱的靜態(tài)磁性和動態(tài)磁性之間并無直接聯(lián)系。這意

9、味著盡管所制備納米材料的電磁性能和結(jié)構(gòu)缺陷之間有一些內(nèi)在關(guān)系，但是靜態(tài)和動態(tài)磁性的起源并不相同。此項(xiàng)工作在揭示納米結(jié)構(gòu)中靜態(tài)和動態(tài)磁性的起源與結(jié)構(gòu)缺陷和微波電磁特性之間的內(nèi)在關(guān)系方面邁出了重要的一步，為設(shè)計(jì)缺陷機(jī)制的高效電磁波吸收體打開了新的大門。
　　4.在上述工作基礎(chǔ)上，采用簡單的原位復(fù)合方式，以硝酸鎳、鈦酸納米管(NTA)和聚丙烯酰胺(PAM)為原材料，固定NTA和PAM的比例不變，逐漸增加硝酸鎳的含量，以三者混合物為前驅(qū)體

10、在氨氣氣氛中900℃高溫煅燒，一步實(shí)現(xiàn)具有不同吸波機(jī)制的氮化鈦、鎳和碳三元納米復(fù)合材料的制備，得到一系列不同比例的Ni/TiN/C納米復(fù)合材料，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究。結(jié)果表明，還原過程中得到的鎳納米粒子可以均勻的分散于復(fù)合材料中，與空白TiN/C復(fù)合材料相比，當(dāng)硝酸鎳的添加比例合適時(shí)，Ni/TiN/C復(fù)合材料具有明顯增強(qiáng)的介電損耗和磁損耗，從而具有理想的吸波性能。以樣品 S3為例，其RL值在4.5GHz處高達(dá)-28.4dB，RL<-1

11、0的頻寬達(dá)到7.4 GHz。這歸因于多組分復(fù)合材料的多重吸波機(jī)制，多重界面極化效應(yīng)以及介電損耗與磁損耗之間較好的阻抗匹配。此外，碳的引入賦予材料較好的熱穩(wěn)定性和較低的密度，從而賦予其更好的環(huán)境適應(yīng)性，使得該復(fù)合材料在磁性，吸波及電磁屏蔽等領(lǐng)域均具有很好的應(yīng)用前景。
　　總之，本研究采用簡單的原位復(fù)合方法，成功實(shí)現(xiàn)一系列具有多重?fù)p耗機(jī)制的納米復(fù)合吸波材料的制備。通過將具有不同吸波機(jī)制的組分進(jìn)行原位復(fù)合，賦予材料更多的電磁波耗散機(jī)制，