镍铁氧体与二氧化钛复合介孔材料的研究

【摘要】：随着现代科学技术的发展，各种电子设备日益增多，电磁波辐射对环境的影响日益增大。同时，雷达作为一种成熟的军事侦测手段被广泛应用，针对其进行的隐身技术研究已成为国内外研究的重点。无论军事实施的隐身还是生活环境中电磁波的污染治理都与吸波材料密切相关，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料-吸波材料，已成为材料科学的一大课题。理想的吸波材料应该具有强吸收、宽频段、厚度薄、质量轻的特点。目前，铁氧体是微波吸收技术中的主体材料，针对铁氧体吸波材料存在的密度大、低频微波吸收差、吸收频带窄等问题，本文通过对铁氧体吸波材料表面结构和组分进行适当改性和设计，提高铁氧体吸波材料的吸波性能，主要进行了以下几个方面的研究。 在设计铁氧体复合吸波材料时，以镍铁氧体为磁性相，SiO2、TiO2做非磁性相，设计并制备融合镍铁氧体、SiO2、TiO2及介孔材料特性多重优势的多层复合介孔材料，使拥有不同微波损耗频率的吸收剂分布在不同的层中。 本文采用PEG和SDBS作表面活性剂，水热法合成NiFe2O4纳米晶体，制备的NiFe2O4晶体粒径在20-40nm之间。随着热处理温度的提高，NiFe2O4晶粒发育趋于完善，晶格畸变度明显降低，饱和磁化强度从38.26emu/g增加到59.23emu/g，接近与块材的饱和磁化强度。以纳米NiFe2O4做磁性载体、苯乙烯、正硅酸乙酯为原料，KH-570为交联剂。振动磁强计测试表明，SiO2/NiFe2O4和PS-SiO2/NiFe2O4微粒的磁性有明显的降低，其饱和磁化强度、矫顽力、剩磁小于NiFe2O4。 以PS-SiO2/NiFe2O4磁性微球为核，十二烷基磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮作模板剂，钛酸丁酯做钛源，合成含高分子PS的TiO2/PS/SiO2/NiFe2O4磁性介孔复合微球，去除PS后得到TiO2/SiO2/NiFe2O4复合介孔材料。通过XRD、SEM、氮气吸附与脱附等方法对TiO2/SiO2/NiFe2O4进行分析和表征。分析表明TiO2/SiO2/NiFe2O4是球状颗粒，粒径主要分布在60-70nm之间，孔径在3-4nm，分布均匀。 用Ce和Co掺杂改性TiO2/SiO2/NiFe2O4表面的TiO2，提高TiO2晶体中的缺陷，增加各类偶极子的数量。研究表明，Ce、Co的引入对TiO2/SiO2/NiFe2O4的晶体结构和孔道结构没有明显的影响，孔容和比表面积增大，粒径和孔径变小且分布更加均匀；TiO2/SiO2/NiFe2O4吸收边向长波方向偏移，波长550nm左右新出现了一个较宽的吸收带，提高了太阳光的利用效率。透射电镜观察发现Ce、Co以化合物的形式均匀地分散在TiO2/SiO2/NiFe2O4介孔材料中，其小角度XRD衍射峰向低角度方向有很小的偏移，衍射强度降低。 采用矢量网络分析仪测试NiFe2O4、SiO2/NiFe2O4、TiO2/NiFe2O4、TiO2/SiO2/NiFe2O4、(Co,Ce)-TiO2/SiO2/NiFe2O4的微波电磁参数，分析了SiO2、TiO2、Ce、Co以及介孔特性对电磁参数的影响。测试结果表明包覆SiO2后微粒的复介电常数实部和虚部下降，对磁性微粒磁导率的影响较小。SiO2/NiFe2O4引入介孔TiO2后，复介电常数和复磁导率增加显著。随着TiO2增加，复合介孔材料的复电常数和复磁导率增加，复磁导率虚部峰值向低频化移动，振幅衰减系数e-2dα呈递减的趋势，本征阻抗先增大后减小。 分析表明（Co,Ce)-TiO2/SiO2/NiFe2O4多层介孔材料的磁化曲线存在明显磁滞现象，其比饱和磁化强度31.68emu/g，矫顽力236Oe；相比TiO2/SiO2/NiFe2O4的复介电常数和复磁导率的实部和虚部的峰位没有变化，峰值有所增加，介电常数实部增加量约16.7%，介电常数虚部、复磁导率实部和虚部增加了0.5左右。采用电磁参数模拟计算了单层(Co,Ce)-TiO2/SiO2/NiFe2O4吸波材料的反射率，根据电磁波在损耗媒质中的传播规律，分析吸波材料的微波吸收机理以及本征阻抗和衰减特性对吸波性能的影响，(Co,Ce)-TiO2/SiO2/NiFe2O4样品的微波吸收峰位向低频端移动，吸波带宽都明显好于NiFe2O4；当TiO2含量为30%，电磁波衰减效果比较好，最大损耗达到31dB，损耗效率超过20dB的连续频率宽度大于2GHz。