多重電磁耗散機制納米復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的電子極化，離子極化或界面極化效應來吸收、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制來實現(xiàn)對電磁波的吸收和衰減。隨著吸波材料應用領域的不斷拓展，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、質量輕的電磁波吸收材料已經引起世界各國的關注。
　　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，且兼具質量輕，厚度薄，頻帶寬等優(yōu)勢，成為目前電磁領域的研究熱點。然而，由于納米材料尺寸小，表面能高，容易團聚，因此，如何很好的實現(xiàn)納米材料的分散性能是其應用研究需要解決的關鍵性問題。此外，理想的電磁波吸收材料希望能同時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重要。
　　本論文工作采用簡單的原位復合方法，將具有不同電磁耗散機制的納米材料進行原位復合，制備得到系列納米復合吸波材料。希望在有效提高納米材料的分散性能的同時賦予材料更多的損耗機制及其它的性能可調控性，從而實現(xiàn)對材料的優(yōu)化設計。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合材料進行了形貌、結構的表征，探討了樣品組成、形貌、

4、結構及微觀缺陷等對其磁性和電磁性能的影響，在此基礎上，實現(xiàn)對其性能的調控，得到具有理想綜合性能的電磁吸波材料。
　　主要研究內容和結果如下：
　　1.在液相系統(tǒng)中，Ni/ITO納米復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調節(jié)溶液的pH來完成的。在所制備的納米復合材料中，ITO納米粒子不僅僅作為隔離介質防止磁性納米粒子的團聚，而且還賦予摻混納米復合材料利于電磁波吸收的額外界面極化機制

5、。結果表明，與純相Ni或ITO納米顆粒相比，Ni/ITO納米復合材料表現(xiàn)出明顯增強的吸波性能。這是因為非磁性的ITO 納米粒子有助于Ni納米粒子在所制備的Ni/ITO納米復合材料中實現(xiàn)均勻分散，從而有利于獲得合適的電磁阻抗匹配并促進額外的界面極化機制來增強微波吸收。本研究有望在制備具有可調控組成和電磁性能的先進吸波復合材料方面開辟新的途徑。
　　2.在本研究中，潛在的輕質微波吸收體Ni/C納米復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納米復合材料的電磁特性與其組成和微觀結構之間的聯(lián)系進行考察。研究結果表明，所制備的Ni/C納米復合材料具有島嶼狀結構并由多孔碳基質和尺寸約為幾百納米的鎳納米顆粒組成且Ni/C納米復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁性能。Ni/C納米復合材料電磁性能對溫度具有高度的依賴性，且在600 ℃時制備得到的Ni/C納米復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，

7、其RL<20 dB(對電磁波的吸收高達99％)的頻段范圍可達到13.5 GHz。這歸功于復合材料中特殊的介孔結構和理想的電磁阻抗匹配以及Ni納米顆粒在碳基質中的均勻分散。即，Ni/C納米復合材料中碳基質的存在利于誘導產生多重介電極化從而提高Ni/ C納米復合材料的電磁損耗性能，而且碳的存在在提高復合材料熱穩(wěn)定性，化學穩(wěn)定性和介電性能的同時還可以保留金屬Ni的本征磁性。
　　3.TiN/C納米復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）納米復合材料被作為研究本征磁性和電磁性行為與結構缺陷之間關系的具體實例。結果表明，溫度對于納米復合材料的結構組成和性質具有重要影響。此外，TiN/C納米復合材料不僅表現(xiàn)出明顯的靜態(tài)磁性而且具有顯著的動態(tài)磁導率，相關于其在8-12 GHz的磁異常和介電共振。然而在TiN/C納米復合材料弱的靜態(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構缺陷之間有一些內在關系，但是靜態(tài)和動態(tài)磁性的起源并不相同。此項工作在揭示納米結構中靜態(tài)和動態(tài)磁性的起源與結構缺陷和微波電磁特性之間的內在關系方面邁出了重要的一步，為設計缺陷機制的高效電磁波吸收體打開了新的大門。
　　4.在上述工作基礎上，采用簡單的原位復合方式，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體

10、在氨氣氣氛中900℃高溫煅燒，一步實現(xiàn)具有不同吸波機制的氮化鈦、鎳和碳三元納米復合材料的制備，得到一系列不同比例的Ni/TiN/C納米復合材料，并對其進行結構性能研究。結果表明，還原過程中得到的鎳納米粒子可以均勻的分散于復合材料中，與空白TiN/C復合材料相比，當硝酸鎳的添加比例合適時，Ni/TiN/C復合材料具有明顯增強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-28.4dB，RL<-1

11、0的頻寬達到7.4 GHz。這歸因于多組分復合材料的多重吸波機制，多重界面極化效應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)境適應性，使得該復合材料在磁性，吸波及電磁屏蔽等領域均具有很好的應用前景。
　　總之，本研究采用簡單的原位復合方法，成功實現(xiàn)一系列具有多重損耗機制的納米復合吸波材料的制備。通過將具有不同吸波機制的組分進行原位復合，賦予材料更多的電磁波耗散機制，