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微米级电气石表面包覆ZnO及其电磁屏蔽性能研究

张晓晖  
【摘要】: 本论文是国家自然科学基金项目(No.40172104)——电气石的自发极化机理及其环境净化研究中的一部分。自2002年至2005年的三年的工作中,作者在广泛分析总结前人资料的基础上,重点研究了电气石的电磁学性能,将ZnO包覆于微米级镁电气石表面,提高了电气石的电磁学性能。 通过对电气石晶体的压电效应测试、微米级电气石粉体表面电位研究以及无机材料包覆原理的分析,包覆反应的正交实验,包覆粉体的表征及相关物性测试(傅立叶转换红外光谱(FTIR)、X射线光电子谱(XPS)、X射线粉晶衍射、扫描电镜(SEM)、电磁屏蔽性能测试、吸波性能参数测定等),对比测定了镁电气石、普通ZnO以及包覆粉体的电磁屏蔽以及吸波性能。 论文直观地测试出电气石晶体的压电效应,电气石晶体两端所产生的表面静电压随所受压力的增大而增大;揭示了微米级电气石粉体表面电性随pH值的增大而逐渐降低,由正变负,其中镁电气石的等电点为5.38;依据包覆原理分析以及正交实验的结果,进行了微米级电气石粉体表面包覆ZnO的实验研究,包覆完全;测试并分析了电气石以及包覆粉体对微波的吸收损耗性能。 压电效应测试表明,当电气石晶体达到所能承受最大压力值时,即晶体破碎解体的瞬间,静电压也达到最大,最高静电压范围:7~51mV,均值为18.9mV;晶体柱面上也存在压电效应,其静电压为:5~9 mV,约为两端最强静电压的1/3~1/4。 微米级电气石粉体表面电性测试表明:镁电气石的等电点(pHpzc)为5.38,而ZnO前驱体碱式碳酸锌的等电点为pH=7.9±,当溶液pH=6.5~7时,电气石晶体由于表面金属离子解离,带负电荷,而碱式碳酸锌颗粒表面带正电,有利于包覆实验的进行。 包覆实验依据静电引力相互吸引机理、化学沉淀机理,采用非均相凝聚法制备ZnO包覆微米级电气石的复合粒子。通过调控包覆反应时溶液体系的pH值、Zn2+的过量系数、反应温度等影响因素,可以使微米级电气石表面包覆一层粒径为78.71nm、厚度约为0.97μm的纳米级ZnO颗粒,包覆完全,无电气石裸露。 电磁屏蔽性能测试表明:包覆后粉体的电磁屏蔽和吸波性能均较电气石有明显提高,在1~1.5GHz范围内,屏蔽性能可以达到18.26dB,对微波的介电损耗最高为0.177,四种介电损耗的大小顺序依次为:0≈镁电气石≈锂电气石ZnO包覆粉体=0.177。电气石、ZnO不具有吸波性能,包覆粉体具有弱的吸波性能。 通过本次研究,进一步拓宽了非金属矿物材料——电气石在环境净化领域的应用范围,尤其在电磁屏蔽和吸波领域的应用。


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