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片状磁性金属及合金纳米颗粒的微波磁性与微波吸收特性研究

黄娟娟  
【摘要】: 片状磁性金属及合金纳米颗粒具有高的饱和磁化强度,同时具有纳米颗粒的小尺寸效应和强的形状各向异性,有望在高频微波波段具有高的磁导率,成为高效的微波吸收剂。但目前尚未见有关片状磁性金属及合金纳米颗粒的微波磁性及其作为微波吸收剂的微波吸收性能的报道。 本工作采用一种简单的液相化学还原方法,以OH~-离子为形状控制剂,成功制备了片状的Co、Ni、Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)和Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)金属及合金纳米颗粒。采用液相化学包覆技术实现了片状纳米颗粒表面的二氧化锰包覆。将表面包覆了二氧化锰的纳米片与固体石蜡均匀混合,制备成具有高电阻率的复合材料,系统研究了它们的微波性质和微波吸收特性。并做了有关片状磁性纳米颗粒本征磁导率推导的工作。主要结果如下: (1)所制备的Co、Ni、Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)和Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)金属及合金颗粒均为片状。纳米片的直径在50-150nm的范围,纳米片的厚度在10-20nm之间。 (2)通过液相化学包覆技术实现了片状的Co、Ni、Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)和Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)金属及合金纳米颗粒表面的二氧化锰包覆。 (3)对Co、Ni、Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)和Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)金属及合金纳米片复合材料的微波复数介电常数进行了研究,复合材料均具有较低的介电常数。由于界面极化,钴纳米片体积浓度为13%的复合材料的复数介电常数在8.5 GHz附近出现频散现象。不同镍纳米片体积浓度(9%、12%、和17%)的复合材料的复数介电常数在0.1-10 GHz频率范围内基本为常数。复数介电常数的值随着镍纳米片体积浓度的增加而增加。不同成份的Ni_(1-x)Fe_x=0.1-0.5)合金纳米片质量百分比约为75%的复合材料的复数介电常数在0.1-18 GHz频率范围内均基本为常数,介电损耗角正切tanδ=ε″/ε均基本小于0.05。不同成份的铁钴镍合金纳米片质量百分比约为80%的复合材料的复数介电常数在0.1-18 GHz频率范围内均基本为常数。实部ε′的值基本均在9.5-13.5的范围内,虚部ε″的值均在0.5左右。 (4)对Co、Ni、Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)和Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)0.8(x=0.2,0.4,0.6,0.8)金属及合金纳米片复合材料的微波复数磁导率进行了研究,均在微波频率范围内显示多个共振峰,第一个共振峰为一致自然共振峰,其它为非一致交换共振峰。钴纳米片复合材料的复数磁导率在0.1-18 GHz的频率范围内出现两个宽化的共振峰。在镍纳米片体积浓度较低的复合样品中可观察到更多的共振峰。共振频率随着镍纳米片体积浓度的增加而向低频方向移动。Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)合金纳米片复合材料的复数磁导率的值随着铁含量的增加,均有所上升,一致自然共振峰的共振频率随着铁含量的增加而向高频方向移动。Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)合金纳米片复合材料的自然共振峰的宽度随着镍含量的增加而变窄,峰值随着镍含量的增加而增大,共振频率随着镍含量的增加向低频方向移动。 (5)对Co、Ni、Ni_(1-x)Fe_x(x=0.1-0.5)和Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)金属及合金纳米片复合材料的微波吸收性质进行了研究。厚度为1-4mm,钴纳米片体积浓度为13%的复合材料在2-12.5 GHz频率范围内反射系数R小于-10 dB(>90%能量吸收)。可以通过调节镍纳米片复合样品的厚度和复合样品中镍纳米片的体积浓度来调节镍纳米片复合样品的微波吸收性质。可以通过调节镍铁合金纳米片的成份、体积浓度及复合材料的厚度来调节镍铁合金纳米片复合材料的微波吸收性质。通过提高复合材料中镍铁合金纳米片的浓度实现了在低频准微波带1-3 GHz的良好微波吸收性能。不同成份Fe_(0.2)(Co_(1-x)Ni_x)_(0.8)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)合金纳米片质量百分比约为80%的复合样品在高频微波段(2.6-18 GHz)具有良好的微波吸收性能。且复合样品的厚度降到1 mm左右时仍具有很好的微波吸收性质。 (6)利用Chevalie等人发展的模型,推导了不依赖于镍纳米片体积分数的镍纳米片的微波本征磁导率。根据镍纳米片的本征磁导率,反推了含不同镍纳米片体积浓度复合材料的微波磁性。证明了Chevalier等人的磁化率各向同性模型对片状颗粒本征磁导率计算的适用性。


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