多孔金屬陶瓷微結(jié)構(gòu)調(diào)控及雙負機理.pdf

1、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述材料性能的兩個重要物理性能參數(shù)。在不同應(yīng)用領(lǐng)域，對材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有不同的要求:電容器領(lǐng)域的高介電材料、透波領(lǐng)域的低介電材料、微波吸收領(lǐng)域的低介電常數(shù)和高磁導(dǎo)率匹配調(diào)控等。所以，電磁參數(shù)的調(diào)控是材料研究的重要方向。材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ通常均為正值，近幾年ε和μ均為負值的雙負材料受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注。這類材料表現(xiàn)出負折射等許多新穎性能，在新型諧振腔及濾波器、微帶天線、電磁波衰減、電磁屏蔽和隱身、無線輸電等領(lǐng)

2、域有重要應(yīng)用前景。
　　 值得注意的是，目前的雙負材料基本上都是基于周期性結(jié)構(gòu)陣列的超構(gòu)材料(metamaterials)，其性質(zhì)主要決定于陣列結(jié)構(gòu)而非材料的組成和微觀組織。因此，如果能從工程材料的角度，基于材料本征性質(zhì)實現(xiàn)雙負特性是一項非常有意義的工作。
　　 綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀認為，超構(gòu)材料實際上是一類有序的導(dǎo)體-絕緣體復(fù)合結(jié)構(gòu)，如果將導(dǎo)電的金屬和絕緣的陶瓷復(fù)合并對其微觀組織進行調(diào)控，無序的、隨機復(fù)合的金屬陶瓷也有可

3、能具有雙負性質(zhì)?；谶@種思路，本文提出了多孔化、網(wǎng)絡(luò)狀金屬陶瓷，通過對其組分和微結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，在MHz頻段實現(xiàn)了雙負性質(zhì)。這種金屬陶瓷是利用液相浸漬工藝制備的，與傳統(tǒng)的金屬陶瓷制備工藝相比，可以比較方便的對材料微結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。
　　 我們首先利用造孔劑法制備了多孔陶瓷，然后利用浸漬-煅燒工藝在多孔陶瓷中負載金屬相得到多孔金屬陶瓷，通過改變工藝參數(shù)制備了不同物相組成和微觀形貌的多孔金屬陶瓷。利用X射線衍射(XRD)、穆斯堡爾譜、振

4、動樣品磁強計(VSM)和掃描電鏡(SEM)等對金屬陶瓷的物相組成及微觀結(jié)構(gòu)進行了表征。利用熱重-差熱儀(TG-DTA)和程序控溫還原(TPR)對材料煅燒和還原過程中的物理及化學(xué)反應(yīng)過程進行了分析。利用阻抗分析儀測試了多孔金屬陶瓷的介電性能和磁性能，詳細研究了金屬陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與其電磁性能的關(guān)系。最后，利用Drude模型、等效電路、HFSS高頻電磁結(jié)構(gòu)仿真、有效介質(zhì)理論(EMT)等理論和模型對金屬陶瓷雙負機理進行了分析。本文主要研究內(nèi)容如下

5、。
　　 (1)以碳粉為造孔劑，制備不同氣孔率的多孔氧化鋁及多孔釔鐵石榴石。研究了造孔劑含量、粒徑及燒結(jié)溫度對多孔陶瓷氣孔率的影響。利用浸漬-煅燒工藝在多孔陶瓷中負載金屬，研究了浸漬溶液組分和濃度、陶瓷類別及氣孔率、煅燒溫度及時間等對金屬陶瓷微觀形貌的影響。這種多孔金屬陶瓷及其浸漬-煅燒工藝，可以制備片狀、絮狀和網(wǎng)絡(luò)狀等金屬相，低溫制備使金屬粒徑更小。
　　 (2)利用浸漬-還原工藝在多孔氧化鋁內(nèi)部負載磁性金屬鎳和鐵，制

6、備了不同金屬含量的Fe/Al2O3和Ni/Al2O3金屬陶瓷。結(jié)果表明，金屬含量低于逾滲閾值時，電導(dǎo)機制為電子跳躍電導(dǎo)，電導(dǎo)率隨頻率增加而增加;金屬含量超過但仍然接近逾滲閾值時，金屬顆粒相互接觸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率隨頻率增加而減小。高頻電磁場作用下，金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中自由電子的等離體子振蕩導(dǎo)致負介電常數(shù)，金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的附加感應(yīng)磁場以及磁性金屬的磁共振共同產(chǎn)生負磁導(dǎo)率。法諾(Fano)型介電共振和磁共振頻率可調(diào)。
　　 (3)利用

7、浸漬-煅燒工藝在亞鐵磁性的多孔釔鐵石榴石中負載銀和銅分別得到不同金屬含量的Ag/YIG和Cu/YIG金屬陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)，其負介電機理與上述Al2O3基金屬陶瓷類似，但是除了金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的抗磁性外，YIG基體的磁共振也可以產(chǎn)生負磁導(dǎo)率。
　　 (4)利用等效電路法分析了金屬陶瓷的阻抗譜。分析認為，金屬含量較低時，可以等效為電容和電阻的并聯(lián)電路;當(dāng)金屬含量較高超過逾滲閾值時，可以等效為電容、電阻和電感組成的電路，并聯(lián)電感的出現(xiàn)是產(chǎn)生