納米復合粒子的合成及電磁響應特性研究.pdf

1、本論文利用直流電弧等離子體法和化學聚合法制備不同核/殼結構的納米粒子復合材料，包括：金屬/碳、金屬/--氧化硅、金屬/(氧化硼/硼酸)和金屬/聚苯胺復合體系。利用X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM/HRTEM)、熱重/差熱分析(TG/SDTA)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、振動樣品磁強計(VSM)、超導量子磁強計(SQUID)、微波網(wǎng)絡分析儀等分析表征手段，系統(tǒng)地研究了樣品的微結構、磁性、熱穩(wěn)定性、以及2-18 GHz頻率

2、范圍的電磁特性。 利用直流電弧等離子體法，在甲烷氣氛下電弧放電蒸發(fā)金屬塊體原料(陽極)，合成了Fe/C、Co/C、Ni/C和Cu/C納米膠囊復合材料。TEM/HRTEM分析觀察到石墨相的外殼包覆在金屬核的表面，形成核/殼結構，膠囊的尺寸大致分布在20-50 nm范圍。不同于Fe/C、Co/C和Ni/C，Cu/C納米膠囊中部分銅核發(fā)生逃逸現(xiàn)象，形成石墨相空殼。Raman光譜分析顯示金屬/碳納米膠囊的石墨殼在1321、1571和26

3、50 cm-1出現(xiàn)相應的D、G和2D峰，證明石墨殼包含高密度缺陷。TG/SDTA分析進一步證明石墨殼的的起始氧化溫度為269℃，低于塊體石墨(846℃)、C60(420℃)和碳納米管(700-750℃)等氧化分解溫度，進一步表明納米膠囊的石墨狀表層中含大量的缺陷結構，使其處于高能量狀態(tài)，缺陷成為易氧化的點或位置。電磁特性的研究發(fā)現(xiàn)金屬/碳納米膠囊的石墨殼中的缺陷構成了極化中心，在電磁波的作用下產(chǎn)生高的介電響應特性，且通過核/殼之間匹配，

4、產(chǎn)生界面極化現(xiàn)象。復介電常數(shù)譜在2-18 GHz頻率范圍出現(xiàn)雙重Debye型極化現(xiàn)象，歸功于石墨殼缺陷的電偶極矩極化以及核/殼界面極化。由于高表面各向異性，使Fe/C、Co/C和Ni/C納米膠囊的復磁導率譜在2-18 GHz范圍內(nèi)出現(xiàn)自然共振現(xiàn)象，且Fe/C和Co/C納米膠囊的為多重共振峰。高缺陷使石墨殼的電阻率提高，消除了渦流損耗現(xiàn)象，使自然共振吸收成為磁損耗的主要機制。根據(jù)傳輸線理論，推測出金屬/碳納米膠囊將具有良好的微波吸收性能。

5、 利用直流電弧等離子體法，以金屬(鐵、鈷、鎳或銅)微米粉和氧化硅微米粉的混合壓塊為陽極，在氫氣和氬氣的混合氣氛下電弧蒸發(fā)，制備核/殼結構的金屬/二氧化硅納米膠囊復合材料。TEM/HRTEM分析表明，晶態(tài)金屬為核，非晶態(tài)的二氧化硅為殼，且包含部分的棒狀形貌。根據(jù)傳統(tǒng)汽-液-固(Vapour-Liquid-Solid，VLS)機制，提出了定量氧輔助汽-液-固(SOA-VLS)生長機制，該機制對制備不同結構金屬/氧化物納米膠囊提供了一

6、個新的思路和途徑。電磁特性結果顯示金屬/二氧化硅納米膠囊的復磁導率譜的自然共振現(xiàn)象與相應的金屬/碳納米膠囊類似，表明納米膠囊的復磁導率譜受殼材料影響較小而主要取決于磁性核材料；復介電常數(shù)的虛部均接近O，說明介電損耗很小，主要歸功于二氧化硅的絕緣特性。較低的介電損耗特性使得電磁匹配失衡，導致2-18 GHz的微波吸收特性不如金屬/碳納米膠囊。利用直流電弧等離子體法，以金屬(鐵或鎳)和氧化硼微米粉的混合壓塊為陽極，在氫氣和氬氣的混合氣氛下電

7、弧蒸發(fā)，制備核/殼結構的金屬/氧化硼納米膠囊復合材料，進一步證明了SOA-VLS生長機制。當產(chǎn)物置于空氣中，由于潮解使氧化硼殼自發(fā)地水解為B2O3/H3BO3殼，且當升溫于126℃發(fā)生可逆轉(zhuǎn)化，并且TEM原位輻射觀察到H3BO3→B2O3的轉(zhuǎn)化過程。金屬/(B2O3/H38O3)納米膠囊的電磁參數(shù)和微波吸收特性也被系統(tǒng)地研究。 利用化學法合成了聚苯胺含量分別為6.1、7.4、15.6和21.6wt％的Ni/聚苯胺納米膠囊。首先，

8、Ni納米粒子表面接枝對氨基苯甲酸(ABA)，納米鎳粒子通過化學鍵與ABA結合；之后，以過硫酸銨為氧化劑，ABA的氨基參與了苯胺的聚合反應，鎳納米粒子表面原位包覆聚苯胺(PANi)。FTIR分析證明Ni/PANi界面存在電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。電磁特性分析表明當聚苯胺含量為15.6和21.6、wt％時，出現(xiàn)加強的Debye型界面極化現(xiàn)象，說明聚苯胺含量的增加使Ni/PANi界面逐漸完整。Cole-Cole圖解進一步證明了聚苯胺以及Ni/PANi納米