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《山东大学》 2007年
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低频微波吸收剂的优选、制备及性能研究

孙昌  
【摘要】: 随着经济、科学技术和电子工业的发展,电磁辐射的危害日益严重。电磁辐射已成为继大气污染、水污染和噪音污染之后的第四污染源,对人体健康带来严重威胁。针对日常电磁污染的防护要求,设计及制备吸波材料是解决电磁污染危害的有效途径。此外,作为热种子生物材料也需要在低频段具有良好的微波吸收产热功能。因此对电磁波吸收材料的研究在具有非常重要的意义,制备新型复合吸波材料成为当前的研究热点。 吸波剂本身的性能很大程度上决定着复合吸波材料的吸波性能的优劣,本文利用溶胶-凝胶工艺制备了系列铁氧体、铁氧体包覆多壁碳纳米管以及其他无机材料作为吸波剂。研究了这些吸波剂与有机组分复合后的吸波性能,以便优选所需材料。 本文以化学计量比的硝酸钡、硝酸铁和柠檬酸为原料采用溶胶-凝胶工艺制备了M-型钡铁氧体纳米粉体,并研究了反应机理以及烧结温度、保温时间对晶粒尺寸的影响,实验结果表明:实验制备的粉体的平均晶粒尺寸为40-70nm,烧结温度显著地影响着结晶过程、晶粒尺寸及其分布。烧结温度为800℃保温时间为0.5h的条件下形成的粉体其颗粒形貌呈现棒状,棒的长度大约为150-200nm,直径大约为30-50nm。以钡铁氧体为吸波剂,本文制备了不饱和聚酯基钡铁氧体复合材料,利用网络分析仪测试了复合材料微波电磁属性,扫描范围为0.5-5.0GHz,并通过传输线理论考察了复合吸波材料的微波吸收性能。实验结果显示:该复合材料在3-5GHz的频率范围内表现出良好的微波吸收特性,且复合材料在厚度11.2mm时,4.4GHz处反射率达-52.7dB。 本文利用LiNO_3,Fe(NO_3)_3·9H_2O,Ce(NO_3)_3·6H_2O,和柠檬酸为原料,通过溶胶-凝胶工艺成功合成了Ce掺杂锂铁氧体粉体(Li_(0.5)Ce_xFe_(2.5-x)O_4)。粉体的平均晶粒尺寸为32.4nm。利用制备的Li_(0.5)Ce_xFe_(2.5-x)O_4和切片石蜡为原料制备了Li_(0.5)Ce_xFe_(2.5-x)O_4/石蜡复合材料,利用网络分析仪考察了其电磁属性和微波吸收性能。实验结果显示:该复合材料在15-18GHz范围内具有较好微波吸收特性,并且Ce掺杂有利于增强材料的吸波性能。 本文首次成功利用BaFe_(12)O_(19)和MgO为原料,通过冷压成型工艺、高温煅烧工艺结合高能球磨工艺制备了Mg掺杂BaFe_(12)O_(19)粉体。对切片石蜡与Mg掺杂BaFe_(12)O_(19)粉体复合后的试样进行了电磁属性测试,实验结果显示:Mg掺杂钡铁氧体/石蜡复合材料在厚度为2.6mm时反射率达到-41dB,随着材料厚度的增加反射率的峰值向低频移动。说明吸波剂在0.5-6.0GHz范围内具有极大应用价值。 本文以Ba(NO_3)_2·6H_2O,Fe(NO_3)_3·9H_2O,Ce(NO_3)_3·6H_2O和柠檬酸为原料,通过溶胶-凝胶工艺成功制备了BaCe_xFe_(12-x)O_(19)(x=0,0.01,0.03,0.05)纳米粉体。BaCe_xFe_(12-x)O_(19)为六角结构,平均晶粒尺寸为30-33nm,纳米颗粒呈现棒状。通过制备Ce掺杂钡铁氧体/石蜡复合材料,研究了其微波电磁特性。实验结果显示Ce掺杂钡铁氧体/石蜡复合材料在厚度为3.5mm时反射率达到-37.4dB,随着材料厚度的增加反射率的峰值向低频移动。说明该吸波剂在8-12GHz频段内具有极大应用价值。 本文首次采用溶胶-凝胶工艺在不同烧结温度下合成了镁掺杂锂锌铁氧体粉体,镁离子替换锂锌铁氧体晶格中的Fe~(3+)来改进锂锌铁氧体的电磁参数,从而获得性能更加优异的吸波剂,对镁掺杂镁锂锌铁氧体/石蜡复合材料试样的电磁性能及微波吸收性的研究显示:复合材料在2.5-7.5GHz频率范围内反射率小于-20dB,电磁损耗能力较好。在5.1GHz时复合材料的反射率达到-38dB,而且增加复合材料的厚度,复合材料的吸收峰向更低频移动。 本文首次借助溶胶-凝胶工艺合成了新颖的锂锌铁氧体包覆碳纳米管纳米结构复合材料。通过对包覆后的碳纳米管与石蜡复合后的电磁属性测试,发现包覆锂锌铁氧体后的碳纳米管石蜡基复合材料在低频段有明显的微波吸收特性,且随着试样厚度的增加,吸收峰向更低的频段移动。对于厚度为5.5mm的复合材料试样,其吸收峰出现在3.0GHz附近,反射率达-12dB。包覆锂锌铁氧体后的碳纳米管/石蜡复合材料,由于包覆起到了综合两者特性,复合材料在低频段表现明显的微波吸收特性和高产热性。包覆改性有效地优化了碳纳米管的电磁属性,意味着碳纳米管作为性能优异的纳米材料,在吸波材料领域不仅可以应用于毫米波吸收材料而且也能应用于厘米波吸收材料,为热种子生物吸波材料的结构设计提供了更多的候选材料,为多频和宽频微波吸收打下基础。 本文研究了溶胶-凝胶工艺制备铁氧体纳米粉体的反应及动力学过程。溶胶-凝胶法制备铁氧体纳米粉体的过程可以分为两个动力学阶段,即溶胶-凝胶化阶段和干凝胶的热处理阶段。溶胶-凝胶化阶段表现为胶体颗粒的形成和长大,胶体颗粒的形成和长大遵循形核和核长大的基本规律,但有别于晶体形核和核长大。干凝胶的热处理阶段发生的变化主要为晶核形成、晶核长大和晶格转变等基本过程。在动力学上这两个阶段的特点是不同的。本文利用溶胶-凝胶工艺制备纳米铁氧体粉体过程中晶体生长活化能较低,反应容易发生,其中钡铁氧体晶体的生长活化能为11.97KJ/mol,Mg掺杂锂锌铁氧体的晶体生长活化能为6.26KJ/mol。 本文从阻抗匹配及损耗机制两方面探讨了Ni_3Al/不饱和聚酯复合材料及BaFe_(12)O_(19)/不饱和聚酯复合材料吸波机理,研究表明,Ni_3Al和BaFe_(12)O_(19)纳米粉体由于具有量子尺寸效应、表面与界面效应、体积效应以及宏观量子隧道效应等作用,使其在光、电、磁等物理性质发生质的变化,不仅磁损耗增大,而且兼具吸波、透波、偏振等多种功能,并且可以与结构复合材料或结构吸波材料复合。建立了聚合物基纳米复合吸波材料的吸波机理模型,推导了聚合物基平板纳米复合吸波材料的电磁波衰减的计算公式,为设计、制备及预测新型复合吸波材料提供了理论支持。 本文得到国家863计划(2003AA302232)、国家自然科学基金(30540061和50672051)及济南市科技攻关项目(054042)等资助。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB34

【引证文献】
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【同被引文献】
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4 韩霞光;BaTiO_3及稀土掺杂BaTiO_3吸波材料的制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
5 谭延江;改性羰基铁粉—氯丁橡胶复合薄膜的制备及吸波特性[D];哈尔滨工业大学;2007年
6 马贺;微/纳米二氧化锰的制备及其电磁特性的研究[D];大连理工大学;2009年
7 刘归;纳米Fe_3O_4复合材料的微波吸收特性研究[D];中南大学;2005年
8 廖宇涛;碳纳米管复合材料的电磁参数与吸收电磁波性能的研究[D];广东工业大学;2006年
9 宋丰轩;流变相法制备锰锌铁氧体及其性能测试[D];中南大学;2007年
10 郑仕钦;Fe-Ni合金/W型铁氧体纳米复合材料的吸波性能研究[D];北京交通大学;2008年
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