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γ辐射还原法制备钴镍及其复合吸波材料

赵弘韬  
【摘要】:纳米磁性金属粒子及其复合材料是目前吸波材料领域的研究热点。开展γ-射线辐射还原法制备形貌可控的纳米磁性金属材料的研究工作无论对于制备新颖结构、性能的纳米磁性金属吸波材料还是提高γ-射线辐射法在制备纳米材料方面的应用水平都具有特殊的意义;同时,由于γ-射线辐射法制备纳米磁性金属/无机载体复合材料具有不引入杂质元素等特点,在复合吸波材料的制备方面具有一定的优势。 研究了表面活性剂辅助条件下γ-射线辐射还原法制备磁性纳米Ni、Co以及Co-Ni合金材料,选用了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯醇(PVA)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)四种表面活性剂研究其对纳米Ni、Co以及Co-Ni合金晶体生长和形貌的影响。通过XRD、SEM、VSM及矢量网络分析仪等对材料进行了表征,结果表明,不同的表面活性剂能显著改变磁性金属颗粒的形貌和结构,而且纳米磁性材料的不同形貌与结构会改变其磁性能和电磁性能。采用PVP、CTAB、PVA和SDBS四种表面活性剂制备的纳米Ni均为立方晶型,但是样品形貌具有很大的差别。其中,以SDBS为表面活性剂制备的准链状纳米镍在7.4 GHz处出现一个最强吸收峰(-23.6 dB),分析认为是准链状纳米镍更强的形状各向异性引起的。 通过外加静磁场辅助γ-射线辐射还原法制备纳米磁性金属粒子,发现外加静磁场可以改变磁性金属的成核和生长机制,生成形貌和结构可控的纳米组装结构。钴体系在氨水络合之后可以由不规则的纳米颗粒转变为纳米片组装而成的花状结构,而施以外加磁场则可以得到均匀分散的片状结构。通过控制适当的磁场强度能够对Co纳米粒子的排列实现导向生长,在3000 G的外加磁场下,可以得到定向排列非常规整的Co棒状结构。随着外加磁场的增大,Co纳米结构定向排列的有序性增高、对应的磁化强度增强、最大吸收频率向低频方向移动,而且定向排列对Co纳米粒子的吸波性能提高有一定的帮助。磁场辅助条件下制备的纳米Ni具有更加完好和规整的链状结构,Ni纳米粒子进行规则排列后,电磁吸收效果得到了一定的增强。根据Co:Ni比例的不同,得到的Co-Ni合金形貌具有很大的差别,单个组分有主导合金以该组分形貌生长的作用。在磁场辅助条件下Co:Ni比例为1:4制备的海葵状Co-Ni合金具有比较理想的吸波效果,在10 GHz出现峰值,达到-33 dB。而且,材料的吸收频带可以通过调节材料的厚度进行一定程度的调控,使其成为一种较好的吸波材料。 采用γ-射线辐射还原法制备了纳米镍/石墨(Ni/G)、纳米镍/碳纳米管(Ni/MWCNTs)、纳米镍/空心微球(Ni/CS)和纳米钴/二氧化硅(Co/SiO_2)复合材料,研究了材料的结构、电磁参数和吸波性能之间的关系。γ-射线辐射使碳纳米管表面产生缺陷,可以使i纳米粒子以其为成核点而生长在碳纳米管表面,Ni/MWCNTs复合材料在3.8~18 GHz的电磁吸收性能有了很大的提高,在6.4 GHz处出现最大吸收-7.2 dB,复合材料电磁吸收性能主要来自于增强的磁损耗和改善的阻抗匹配,而不是电损耗。Ni/CS复合材料在9.8 GHz处出现明显的吸收峰(-14 dB),并且在8.6~11.2 GHz频率范围内吸收都要大于-10 dB;分析认为,性能的提高源自于纳米Ni包覆后给Ni/CS复合材料带来一定的磁损耗,以及纳米Ni颗粒与空心微球间界面驰豫损耗等综合效应。调节Co/SiO_2复合材料的SiO_2和Co比例,复合材料的介电常数和磁导率的虚部可得到较大的提高,Co/SiO_2复合材料的吸波性能来源于Co包覆SiO_2后带来了介电损耗和磁损耗的综合结果;SiO_2:Co=5:1制备的Co/SiO_2复合材料在6.2 GHz处出现最强吸收,达到-23 dB。 通过以上实验证明表面活性剂和静磁场辅助γ-射线辐射还原法可以制备具有特殊形貌、结构的磁性Co、Ni及其合金材料,其中部分材料具有优异的吸波性能;γ-射线辐射还原法的优势之一是所制备的复合材料不含杂质元素,吸波性能在中低频区优于化学镀法制备的相应复合材料。


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