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片状Co@SiO_2颗粒的制备及电磁吸波性能

刘超  
【摘要】:铁磁金属颗粒由于具有高饱和磁化强度、微波磁导率高并且具有多重损耗机制,因而在吸波材料领域受到广泛关注。其中,钴基吸波材料具有极高居里温度,但同时暴露于高温下易氧化,电磁性能有待进一步改善。本文通过行星球磨方法获得了片状钴粉,并对球磨粉体进行了氢热处理,同时对原始和球磨粉体进行了二氧化硅包覆。通过调整球磨、氢热处理以及二氧化硅包覆工艺参数实现了对粉体尺寸、形貌、颗粒缺陷以及物相成分的调控,此外,探索并初步确定了钴粉微观组织结构与其高温抗氧化性、静态磁性能以及电磁性能之间的联系。另外,通过传输线理论以及多层涂层遗传算法设计对单层以及多层涂层的吸波性能进行了评价,并对多层涂层进行了宽频和靶向设计。球磨过程中,球形钴粉随着球磨时间增加逐渐变成大片状,宽厚比增加,在一定时间后大片状变成细片状,颗粒最大尺寸在40μm,厚度约1μm。球磨后,原始双相钴粉变成单相密排六方的钴粉,同时缺陷增加,结合氢热处理可以逆转以上变化,物相的变化也正是其矫顽力发生明显改变的原因。通过多次二氧化硅的包覆明显提升包覆后粉体的抗氧化性。包覆对球形钴粉的抗氧化性提升效果明显好于球磨钴粉,单次包覆抗氧化温度可在600℃,而多次包覆后可在800℃以上。电磁性能测试表明钴粉的电磁性能与粉体形貌尺寸、颗粒缺陷以及颗粒分散状态密切相关。宽厚比大的大片状粉体呈现出更高的介电常数和磁导率,氢热处理导致缺陷减少,电磁参数因此降低。颗粒的分散状态同时与颗粒的形貌和体积分数密切相关。随着吸收剂填充率增加,粉体更易团聚;大片状的颗粒相对于球形颗粒更易搭接团聚。团聚导致介电常数会急剧的增加,而磁导率实部也会由于团聚体的涡流效应在高频段明显下降。通过二氧化硅包覆隔绝颗粒的有效团聚,能够有效抑制介电常数急剧增加,同时抑制团聚体的涡流效应。通过球磨氢热处理以及二氧化硅包覆处理,含钴粉的单层涂层的吸波性能明显改善。球磨后的不同球磨时间的粉体可以实现2-18GHz内不同波段的良好吸波性能。调整吸收剂比例可以进一步实现对吸波性能的调控,氢热处理和二氧化硅包覆能够改善阻抗匹配,使得吸波性能峰值增加,但是吸收峰频率会移向高频。其中,球磨转速为450rpm时,球磨4小时和16-20小时的粉体在X、Ku波段吸波性能良好,而球磨8-12小时的粉体在S、C波段吸波性能良好。具体而言,以球磨20h粉末为填充剂制备的2.5mm涂层在8GHz呈现出-33dB的吸收峰值,同时有效吸收带宽(-10dB)包含6-10GHz。多层吸波涂层设计时结合遗传算法优化能够充分利用各类吸波材料的电磁波吸收特征完成对目标波段吸波性能的优化设计。基于球磨钴体系和铁硅体系电磁参数数据库,很好的实现了多层涂层的宽频设计和靶向设计。折射率的正梯度变化和涂层层数的增加能够有效拓展吸收带宽。宽频优化结果中,3层结构涂层在总厚度为2.67mm时便能实现在4.5-18GHz范围内超过-10dB的吸收效果。同时,在靶向频段设计中,优选材料种类和涂层厚度,使用2层结构,在厚度控制在2mm以内便能较好的实现S、C、X、Ku波段超过-10dB的覆盖。


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