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磁性粒子的制备、表征及在热塑性高分子材料感应加热中的应用

张春祥  
【摘要】: 本文面向热塑性高分子感应加热应用来开展微纳米磁性粒子的制备与表征,对制备过程、结构控制、磁性能以及在热塑性高分子材料中的发热与传热行为等进行了研究,主要内容包括以下几个方面: 以无机硝酸盐为原料,采用两种软化学法(乙二胺四乙酸络合法和硬脂酸法)在相对较低的温度下分别制备了系列超细镍锌尖晶石铁氧体(Ni_(1-X0Zn_xFe_2O_4),系统研究了Zn对晶体结构以及磁学性质的影响。对不同方法制备镍锌铁氧体的反应历程进行了探讨。结果表明硬脂酸法制备纯相的产物所需的处理温度较高(900℃),团聚程度较重;乙二胺四乙酸络合法制备的产物结构疏松,粒子分散均匀,对系列产物的磁性能研究发现,热处理温度、时间、取代离子浓度等制备条件对比饱和磁化强度、矫顽力、剩磁和居里温度等有较大的影响,适当调整制备条件能够降低粉体粒径、优化物相组成、改善磁学性能,使磁性粒子的居里温度能够满足热塑性高分子熔融加工所需的窗口温度。系列产物的频谱研究表明,Ni_1-xZn_xFe_2O_4铁氧体的致密化程度与晶粒的大小能够影响存储磁能和磁损耗的大小,提高热处理温度以及增加锌离子取代浓度有助于在较低的磁场频率中,获得较高的存储磁能和较大的磁损耗,满足感应加热的应用需求。 采用乙二胺四乙酸络合法和硬脂酸法合成了系列Y型六角晶系铁氧体粉末(Ba_2Co_(2-x)Zn_xFe_(12)O_(22)),系统研究了焙烧温度、初始溶液pH值、取代离子浓度等工艺参数对产物微结构与磁性能的影响,并探讨了六角晶系铁氧体的反应历程。结果表明通过乙二胺四乙酸络合法制备了形貌均匀、尺寸分布较窄的六角片状粉体,目标产物是通过多步反应实现的,络合物的条件稳定常数对于最终产物的结构组成具有较大影响。锌离子对钴离子的取代只是引起晶胞的膨胀,没有改变铁氧体的晶型结构。居里温度满足T_c=352.66-146.28x的线性关系。磁导率的实部和虚部随着取代量的增加均有所提高,共振频率则不断下降。在1~10MHz范围内磁损耗随着焙烧温度和取代量的增加快速增加。用硬脂酸法制备的目标产物颗粒较小但尺寸分布较宽,BaCO_3对于中间相(у-Fe_2O_3)具有稳定作用。与乙二胺四乙酸络合法制备的同组分产物相比,具有较小的比饱和磁化强度和较大的矫顽力,不利于弱交变磁场中的感应发热应用。 采用液相还原法制备了系列形貌可控、粒度分布均匀的超细镍粉,系统研究了溶剂体系、反应溶液的pH值、镍盐初始浓度、反应温度以及表面活性剂的种类和浓度等工艺条件对粒径、形貌和磁性能的影响。结果表明,长链结构的表面活性剂具有调控粒径、形貌和团聚程度以及改善镍粉热稳定性的作用;所制粒径为50~900nm镍粉均表现出明显的铁磁性,比饱和磁化强度均低于体相金属材料,且随着粒径的减小而下降,可能与粒子不同的比表面导致有关;随着粒径的增加,复数磁导率的实部和虚部均出现增大,磁损耗峰具有向低频移动的趋势。 从实现热塑性树脂基复合材料熔融加热的均匀性、居里温度控制的智能性以及加热的快速性等角度出发,基于磁场理论,计算了交变磁场中磁滞损耗、涡流损耗、趋肤效应以及热量传递等相关参数,并考察其与高分子基体中感应发热的关系。结果表明镍锌铁氧体、Y型六角晶系铁氧体和镍粉三类磁性粒子在饱和磁场中的磁滞损耗密度大小与材料的组分与粒径存在依赖性;镍锌铁氧体和Y型六角铁氧体在1~10MHz频率范围内的涡流损耗和趋肤效应可以忽略,而镍粉的粒径必须控制在1.1μm以内,才能避免影响;加热速率与粒子的体积分数、磁场频率、磁滞损耗密度以及材料的热力学参数相关,在1.5MHz、150 Oe交变磁场中体积分数为10%的Ni_(0.7)Zn_(0.3)Fe_2O_4、Ba_2Co_(1.5)Zn_(0.5)Fe_12O_(22)和Ni三类粒子在PEEK基体中的理论升温速率分别为69.3、17.0和8.6℃/s。 采用溶液浸渍法制备了三类磁性粒子/PPESK复合材料薄层,考察了磁性粒子/PPESK复合材料的磁滞发热行为。结果表明磁场强度对于复合材料体系的最终温度和加热速率是关键因素之一,足够的磁场强度才能满足材料的居里温度智能控制和具有实际应用价值的加热速率。体积分数为10%的Ni_(0.7)Zn_(0.3)Fe_2O_4、Ba_2Co_(1.5)Zn_(0.5)Fe_(12)O_(22)和150nmNi三类粒子在PPESK基体中初始加热速率可达9.7、6.2和5.5℃/s,最终温度为394、266和329℃,具有良好的感应发热效果。


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