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多尺度铁氧体和纳米壳铁核复合粒子的合成与性能研究

赵文俞  
【摘要】:吸波材料是一种能够衰减电磁波能量的功能材料,广泛用于军事、微电子等领域。M型铁氧体和羰基铁是两种研究程度最高、性能优异、应用广泛的吸波剂,但均存在无法克服的局限性,均不能多频谱、宽频带吸收电磁波。目前,球磨处理对微米级M型铁氧体的结构和性能影响、化学共沉淀法合成亚微米级M型铁氧体的共沉淀机理及其影响因素、钡过量M型铁氧体的结构和性能、稳定结构单相纳米级M型铁氧体的合成条件、晶粒尺寸效应对M型铁氧体吸波性能的影响是M型铁氧体尚需深入研究的基础性问题,羰基铁/M型铁氧体复合体系中电、磁相互作用机制及其对吸波性能的影响并不清楚且尚无报道,羰基铁易氧化而影响吸波性能仍是有待解决的应用问题。 本文的研究内容包括两个部分:(1) 微米、亚微米和纳米级单相BaCoTiFe_(10)O_(19)(即“多尺度M型铁氧体”)的合成、表征和性能研究,(2) SiO_2/M型铁氧体纳米壳铁核复合粒子的合成、表征和性能研究。前者系统研究了M型铁氧体目前尚需深入研究的基础性问题,同时探索在羰基铁和SiO_2纳米壳铁核复合粒子表面建造M型铁氧体纳米壳的工艺条件;后者首次研究了羰基铁/M型铁氧体复合体系中电、磁相互作用规律,并为提高羰基铁的抗氧化能力提供了新的方法。得到的主要结论如下: 一、多尺度M型铁氧体的合成、表征和性能研究 1.首次系统地研究了Fe~(3+)、Ti~(4+)、Co~(2+)和Ba~(2+)离子的共沉淀机理,发现化学共沉淀法制备BaCoTiFe_(10)O_(19)前驱体的共沉淀反应中同时存在阳离子的协同共沉淀效应和阴离子(或络合离子)的配位效应。这一发现对研究其它多离子的共沉淀条件具有重要的指导意义。 2.采用化学共沉淀法首次在900℃煅烧2 h条件下合成出了一系列单相钡过量非化学计量M型铁氧体Ba_(1+x)CoTiFe_(10)O_(19+x)(x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20),发现x=0.05时σ_s几乎不变而σ_r,和H_c出现极大值,x=0.10时以过量钡离子为中心的“带电畴结构”极化共振可在12.48和15.28 GHz附近产生共振型介电损耗。这些结果对在GHz频段开发具有多频带吸收电磁波功能的吸波材料具有重要的意义。 3.采用陶瓷法、化学共沉淀法和溶胶-凝胶工艺分别合成出了微米、亚微米和纳米级单相BaCoTiFe_(10)O_(19)。2-18GHz频段的介电谱表明:BaCoTiFe_(10)O_(19)在2-8GHz频段的内储藏电能与晶粒尺度成反比关系,纳米级BaCoTiFe_(10)O_(19)在 武权理工大学博士论文 15只GF比附近出现共振型极化峰,并认为该极化峰和微米级BaCO石Fe:。O,9 球磨48h后在1 6.24 GHz附近的共振型极化峰都是BaCoTIFeloo:,纳米粒子 极化共振形成的.与微米级BacOTIFel0O19相比,亚微米级和纳米级 BaCoTIF。:。019在4-6 GHz附近的自然共振损耗峰几乎消失,在2一12 GHz频 段的磁损耗稳定;在12一18GHz频段的吸波性能受纳米粒子极化共振影响。 4:优化了纳米级Bac。五Fel0O:9的溶胶一凝胶合成工艺,并在900℃缎烧Zh的条 件下合成出了结构稳定、粒径为5压65nm的单相BaC。五Fe:。ol,.工艺研究 表明,采用消除cl.和Na+离子的共沉淀预处理工艺可大大提高BaConFe:。ol, 柠株酸盐溶胶的稳定性,600℃下形成的纳米级M型铁氧体实际是多种原子 构成的具有一定内在联系的亚稳原子团簇,700℃下可形成粒径为3小35 nm 的单相BaCo五Fe一0019。 二、5102月吐型铁叙体纳米壳铁核复合粒子的制备、表征和性能研究 1.成功制备出了510:纳米壳和5102刀以型铁氛体纳米壳两种铁核复合粒子,并 首次采用XPS技术研究了5102纳米壳和M型铁氛体纳米壳的电子结构。5102 纳米粒子的si和0元素化学状态的定t分析表明,与Fe键合的盆为Q3硅 签团中的叙,叙与Fe键合后会导致电子结合能降低;BaCoTIFelool,纳米粒 子的Fe、Ti和。元素化学状态的定t分析表明,co2+、Ti’+离子取代了 BaCOT扭el.ol,中自旋向上的12k磁晶位和自旋向下的4fl与4几磁晶位上的 F产离子,且12k磁晶位上的F产离子被取代t最大.这些结果坟补了510: 和BaCOT扭eloo:,纳米粒子电子结构方面的研究空白. 2.5102纳米壳铁核复合粒子的静磁特性和2一18 GHz频段的介电、磁谱表明,随 着5102纳米壳厚度增大,氏降低,价、Hc和凡均在△R=8 nm时出现极大值; si仇纳米壳的隔离作用不仅导致si仇纳米壳铁核复合粒子之间的磁相互作用 减弱,而且使复合粒子之间产生类似于超交换作用的磁偶合共振效应;在8.72 和10.72 GHz附近的弛豫型极化峰与拨基铁在6 GHz附近的弛豫型极化峰均 是固有电偶极子的取向极化形成的,在巧.04和14.48 GHz附近的弛豫型极 化峰与拨基铁在15.68 GHz附近的弛豫型极化峰均是界面极化形成的. 3.5102舰型铁氧体纳米壳铁核复合粒子的静磁特性和2一18 GHz频段的介电、 磁谱表明,随着M型铁氧体纳米壳厚度的增大,几减小,ar和Hc呈反“S” 型变化趋势,由此推断拨基铁微米核与M型铁氧体纳米壳之间存在超交换作 用:产在13 GHz附近的谐振峰与M型铁氧体Bac。五Fe:。O:9的自然共振无关, 可能是拨基铁微米核和M型铁氧体纳米壳之间的超交换作用形成的。 关锐词:多尺度M型铁氧体,共沉淀机理


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