Co基双金属异质结构的界面调控及其电磁特性研究

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电磁波吸收材料是一类能将入射的电磁波能量吸收、衰减,并以热能或其他形式的能耗散或使其因干涉而消失的功能材料,已广泛应用于电磁辐射防护和军事隐身等方面。为解决传统磁性吸波材料密度大、质量重、吸收频带窄等问题,难以满足高效吸波材料“质量轻、厚度薄、吸收强、频带宽”的高要求。为此,我们提出:通过等离子体共振增强效应提高电磁参数,降低填充比,或选低密度、中空/多孔材料为吸收剂来降低面密度制备新型、高效轻质宽带微波吸收材料。本论文设计和制备了三种不同的Co基双金属磁性吸波材料,探究了形貌、组成、结构、表面与界面的调控方法及其对静磁和微波吸收性能的影响规律,阐明了等离子共振增强电磁和微波吸收机理,优化了材料的结构与组成,获得性能优异的吸收剂。具体研究内容如下:1.草莓状表面Co/C/Fe/C分级花的等离子体共振增强电磁和微波吸收特性采用两步法制备了草莓状表面Co/C/Fe/C分级花,将水热合成的花状Co与Fe(CO)5在氮气保护下热处理得到在Co表面生长单分散Fe/C纳米粒子的具有草莓状表面的Co/C/Fe/C核壳分级花(CSHFs)。改变Fe(CO)5的体积和分解温度可以控制Fe(CO)5和CO的分解速率,进而调节Fe/C纳米粒子的直径和颗粒间距,形成草莓状的表面。由于表面等离子共振和耦合,Fe/C颗粒间距/直径比为1.36–0.76时Co/C/Fe/C CSHFs显现了负的电磁参数和显著增强的介电常数和磁导率。在17.92 GHz处最小反射率(RL)为-45.06 dB,且在2-18 GHz频率范围内RL≤-20 dB(高达99%吸收)。我们的研究结果表明,优化设计等离子体异质结构对提高电磁参数和微波吸收性能具有重要意义。2.CoNi合金空心微球的可控制备与超宽频带吸波特性通过一锅液相还原法成功合成了组成和壁厚连续可调的双金属面心立方的CoxNi1-x(x=1,0.858,0.813,0.714,0.662,0.137)合金空心微球(AHMs)。改变Co2+/Ni2+物质的量之比可调控Co和Ni的组成;改变Co2+/Ni2+物质的量之比、金属离子浓度、反应时间和反应温度能连续调节中空微球的壁厚。结果表明中空微球的形成机理是由内到外的奥斯特瓦尔德熟化机理。静磁和微波电磁特性研究显示,饱和磁化强度(Ms)随着Ni含量的增加而线性下降。含有35wt%的Co0.81Ni0.19,45wt%的Co0.86Ni0.14或50wt%的Co0.66Ni0.34 AHMs的石蜡基复合材料表现出显著增强的吸收能力,最小反射率值为-35.3dB、-47.3 dB、-54.6 dB,有效吸收带宽(RL≤-10 dB)分别为8.16 GHz、9.2 GHz、10.08GHz,对应涂层厚度分别为1.9 mm,1.8 mm,2.6 mm。这些结果表明CoNi AHMs适用于吸收强、带宽宽、重量轻的微波吸收材料。3.Co纤维及Co/Cu双金属异质结构纤维的可控制备及电磁特性研究以水热法合成的单质Co纤维为前驱物,一水合醋酸铜为Cu源,采用液相还原合成得到Co/Cu异质结构纤维。研究了离子浓度、反应时间、磁场大小、反应温度对前驱纤维Co的尺寸和形貌的影响。调控Cu2+/Co2+物质的量之比(β)能调控Cu元素的含量、异质纤维的表面形貌,进而有效地调节Co/Cu异质结构纤维的静磁性能和微波吸收性能。发现:样品的Ms值随着β的增加而减小,而矫顽力(Hc)值则随着β增大先增大再减小,在β=3:10(S14)时有最大值131.3 Oe。Co/Cu异质纤维结构在β=0.5:10(S11)有最优微波吸收性能,当质量分数为20 wt%,涂层厚度为2.6 mm,在11.92 GHz处的最小的RL值为-52.5 dB,RL≤–10 dB的有效带宽最宽为6.64 GHz。该优异的微波吸收特性归因于异质结构纤维形成的导电网络、界面极化、取向极化以及金属–介质结构形成的等离子体共振增强电磁和微波吸收。我们的数据表明当少量的Cu与Co纤维复合能改善微波吸收特性。
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