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纳米镍铁氧体及其复合材料的制备及电磁微波吸收性能研究

作　者: 赵海涛
导　师: 孙旭东
学　校: 东北大学
专　业: 无机材料工程
关键词: 镍铁氧体 高分子凝胶法 复合材料 电磁性能 微波吸收剂
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


微波吸收材料在军用及民用领域有着广泛的应用,已经成为各国军事装备隐身和民(?)电磁辐射等技术领域研究的热点。在众多的吸波材料中,铁氧体吸收剂由于具有较好的吸波性能和较低的成本,往往是其中的主要吸波成分。但是铁氧体有一个致命的缺点就是密度太大,不利于制备出质量轻的吸波材料。为解决这一难题,本论文以丙烯酰胺为聚合单体,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为网络剂,采用高分子凝胶法制备了尖晶石型纳米镍铁氧体,并把纳米镍铁氧体与空心微珠、多孔陶瓷、导电聚苯胺和聚苯乙烯等轻质材料复合,通过控制工艺过程能得到具有良好电磁性能、质轻、宽频带、强吸收的新型吸波材料。采用高分子凝胶法制备了纳米镍铁氧体(NiFe204).考察了单体与网络剂的配比、反应温度、反应时间对凝胶形成的影响,优化了工艺条件。结果表明,干凝胶为无定型状态,煅烧至500℃时,形成纯相的尖晶石型纳米NiFe204；煅烧温度为500、600、700、800和900℃时,粉体平均粒径分别约为8、20、45、80和120 nm；红外光谱显示金属-氧离子(M-O)键的特征吸收峰红移了23 cm-1；纳米镍铁氧体在8.2～12.4 GHz的测试频率范围内具有介电损耗与磁损耗,随着热处理温度的升高,纳米镍铁氧体的介电损耗、磁损耗和反射率增加。以空心微珠为基核,用高分子凝胶法在空心微珠表面制备了一层完整的镍铁氧体包覆层。复合粉是由镍铁氧体、石英和莫来石相组成。当空心微珠含量为25 wt%时,在空心微珠表面上可获得完整的镍铁氧体包覆层。与其它样品相比,空心微珠含量为25 wt%的复合材料在X波段具有更高的介电损耗和磁损耗,其介电损耗角正切值tanδε,和磁损耗角正切值tanδm分别可达0.30和0.10。空心微珠含量为25wt%的复合材料的电磁波反射率小于-10 dB的带宽可达2.1 GHz,其最小反射率为-13.7dB。空心玻璃微珠的加入大大降低了复合粉的密度,因此空心微珠表面镍铁氧体包覆层材料有望应用于轻质电磁波吸收领域。采用高分子凝胶法在多孔碳化硅陶瓷表面制备了镍铁氧体包覆层。当煅烧温度为600℃时,在多孔碳化硅陶瓷表面有立方晶系尖晶石结构的镍铁氧体晶相生成。随着包覆层数的增加,多孔陶瓷表面的镍铁氧体涂层的致密性和均匀性逐渐增强,涂层附载量缓慢增加。800℃时制备的涂层牢固度较高。与多孔陶瓷基体相比,包覆镍铁氧体涂层的多孔陶瓷的介电损耗角正切值taδε减小,而磁损耗角正切值tanδm增大,表现出较好的磁损耗特性,tanδm值最大可达0.55。包覆镍铁氧体涂层的多孔陶瓷在X波段的tanδm值随频率的升高呈现减小的趋势。以苯胺为单体、十二烷基苯磺酸为掺杂剂、过硫酸铵为氧化剂,采用超声乳液聚合法制备了导电率较高的聚苯胺。在超声场下采用原位聚合法制备了镍铁氧体/聚苯胺复合材料。聚苯胺与镍铁氧体按照不同质量比进行复合时,当镍铁氧体的含量为15 wt%时,复合材料的电导率具有最大值0.8455 S/cm。与聚苯胺相比,镍铁氧体/聚苯胺复合材料的介电损耗角正切tanδε值与磁损耗角正切tanδm值都增大。镍铁氧体的含量为5wt%和15 wt%的复合材料分别具有最大的tanδε值和最大的tanδm值。镍铁氧体的含量为15 wt%的试样在8～18 GHz范围内综合吸波性能最好,具有最大衰减-23.4 dB,-8 dB带宽为5.73 GHz。采用热压法制备了镍铁氧体/聚苯乙烯和羰基铁/聚苯乙烯复合材料。随着镍铁氧体含量的增加,镍铁氧体/聚苯乙烯复合材料的复数介电常数和复数磁导率增大。随着羰基铁含量的增加,羰基铁/聚苯乙烯复合材料复数介电常数和复数磁导率增大。145 MPa压力下制备的羰基铁/聚苯乙烯复合材料具有较好的微波吸收性能。通过采用镍铁氧体/聚苯乙烯与羰基铁/聚苯乙烯双层复合的结构形式达到阻抗匹配、展宽频带和提高吸收峰值的效果,从而改善单一一种吸波材料在雷达波段的吸波性能。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章 绪论  14-35
  1.1 隐身技术  14-24
    1.1.1 微波  14
    1.1.2 吸波机理  14-16
    1.1.3 隐身技术的分类  16-17
    1.1.4 吸波材料的分类  17-20
    1.1.5 国内外隐身技术及吸波材料的研究现状  20-24
  1.2 纳米材料  24-26
  1.3 纳米铁氧体晶体结构、制备方法及其在吸波领域的应用  26-32
    1.3.1 尖晶石型铁氧体的晶体结构  26-29
    1.3.2 纳米铁氧体的制备方法  29-31
    1.3.3 纳米铁氧体材料在电磁和吸波领域里的应用  31-32
  1.4 复合吸波材料的制备方法  32-33
  1.5 本课题的意义及研究内容  33-35
第二章 纳米镍铁氧体的制备及吸波性能研究  35-55
  2.1 引言  35
  2.2 实验部分  35-40
    2.2.1 实验试剂和仪器  35-36
    2.2.2 高分子凝胶法制备NiFe_2O_4纳米粉体  36-39
    2.2.3 材料表征  39-40
  2.3 结果与讨论  40-52
    2.3.1 高分子凝胶法的工艺条件对凝胶性能的影响  40-42
    2.3.2 前驱体的热分解过程  42-43
    2.3.3 凝胶及其煅烧产物的红外光谱  43-45
    2.3.4 NiFe_2O_4的结构  45-46
    2.3.5 NiFe_2O_4的形貌  46-48
    2.3.6 NiFe_2O_4的电磁性能  48-50
    2.3.7 NiFe_2O_4的微波吸收性能  50-52
  2.4 高分子凝胶法制备纳米镍铁氧体的机理分析  52-54
    2.4.1 超细尺度粒子形成机制分析  52-53
    2.4.2 固相反应速度分析  53-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章 空心微珠表面镍铁氧体包覆层的制备及吸波性能研究  55-70
  3.1 引言  55
  3.2 实验部分  55-57
    3.2.1 实验试剂和仪器  55-56
    3.2.2 制备过程  56-57
    3.2.3 材料表征  57
  3.3 结果与讨论  57-69
    3.3.1 镍铁氧体在空心微珠表面的形核与长大  57-59
    3.3.2 复合粉前驱体的热分解过程  59-60
    3.3.3 煅烧产物的物相组成  60-62
    3.3.4 镍铁氧体包覆层的形貌  62-64
    3.3.5 煅烧产物的红外光谱  64-65
    3.3.6 空心微珠的含量对复合材料密度的影响  65-66
    3.3.7 空心微珠的含量对复合材料电磁性能的影响  66-68
    3.3.8 空心微珠的含量对复合材料微波吸收性能的影响  68-69
  3.4 本章小结  69-70
第四章 多孔陶瓷表面镍铁氧体包覆层的制备及吸波性能研究  70-83
  4.1 引言  70-71
  4.2 实验部分  71-73
    4.2.1 实验试剂和仪器  71
    4.2.2 制备过程  71-72
    4.2.3 材料表征  72-73
  4.3 结果与讨论  73-82
    4.3.1 煅烧产物的物相组成  73
    4.3.2 镍铁氧体包覆层的形貌  73-77
    4.3.3 包覆层数对镍铁氧体涂层附载量的影响  77
    4.3.4 煅烧温度对镍铁氧体包覆层牢固度的影响  77-78
    4.3.5 电磁性能分析  78-82
    4.3.6 镍铁氧体涂层对多孔陶瓷吸波性能的影响  82
  4.4 本章小结  82-83
第五章 镍铁氧体/聚苯胺复合材料的制备及吸波性能研究  83-102
  5.1 导电聚苯胺的制备及电性能研究  83-90
    5.1.1 引言  83-85
    5.1.2 实验部分  85-86
    5.1.3 结果与讨论  86-90
  5.2 铁氧体/聚苯胺复合材料的制备及性能  90-101
    5.2.1 引言  90-91
    5.2.2 实验部分  91-92
    5.2.3 结果与讨论  92-101
  5.3 本章小结  101-102
第六章 镍铁氧体/聚苯乙烯和羰基铁/聚苯乙烯复合材料的制备及吸波性能研究  102-119
  6.1 引言  102
  6.2 实验部分  102-103
    6.2.1 实验试剂和仪器  102
    6.2.2 制备过程  102-103
    6.2.3 材料表征  103
  6.3 结果与讨论  103-117
    6.3.1 镍铁氧体/聚苯乙烯复合材料的性能  103-107
    6.3.2 羰基铁/聚苯乙烯复合材料的性能  107-114
    6.3.3 双层材料设计及吸波性能  114-116
    6.3.4 羰基铁/聚苯乙烯涂层的吸波性能  116-117
  6.4 本章小结  117-119
第七章 结论  119-121
参考文献  121-133
致谢  133-134
攻读博士学位期间发表及待发表的论文  134-135
作者简介  135

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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