掺杂钡铁氧体的制备与吸波性能研究

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近年来随着无线通信技术和高频电子器件在现代生活中的广泛应用,无线电磁波污染以及电磁波干扰问题日益严重,为解决电磁波污染等问题,电磁波吸波材料受到人们的广泛关注,特别是在GHz频段,而M型钡铁氧体(BaFe12O19)具有高磁晶各向异性、大电阻率和高磁导率成为在GHz频段内吸波材料的选择之一,但是M型BaFe12O19属于硬磁材料同时存在一系列问题,BaFe12O19吸波材料吸波带窄,材料厚度在低频下厚。为了减小吸波材料的厚度,根据公式t=nc/(28)4fme我们发现吸波材料的厚度不仅与材料本身的磁导率有关,而且还与材料本身的介电常数有关。本文主要研究了Mn-Co-Zr三元素掺杂对BaFe12O19磁性能的影响;研究了BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19掺杂ZrO2和BaFe12O19掺杂ZrO2的磁性能,介电性能和吸波性能等;研究了BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19复合CNTs和BaFe12O19复合CNTs的磁性,介电性能和吸波性能等。首先,为了实现BaFe12O19的软磁化目的,利用固相法制备Mn-Co-Zr掺杂BaFe12O19(BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19)和BaFe12O19,通过SEM测试发现制备的两种材料中均出现片状六边形结构,颗粒尺寸分布在300 nm1.8μm。BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19的VSM结果表明其矫顽力有明显下降,矫顽力最低可达50.4 Oe,材料从永磁变为软磁,其饱和磁化强度随着烧结温度的升高而升高。在对样品进行VNA测试,当烧结温度为1250℃,BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19的最大反射损耗峰出现在厚度为2.0 mm频率为14.3 GHz处,最大反射损耗值为-57.6dB,在-10 dB以下的有效吸波频带宽为2.5 GHz。随着材料的厚度增加,其最大反射损耗峰向低频进行移动。其次,为了减小吸波材料的使用厚度,利用ZrO2掺杂BaFe12O19与ZrO2掺杂BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19。为了提高材料的介电常数将ZrO2与第一部分的实验样品按照5%20%的比例掺杂,并制备成固定厚度的陶瓷片。通过测试发现材料内部的颗粒尺寸分布在750 nm1.3μm之间。当吸波材料中ZrO2的掺杂量逐渐增加时,其介电常数逐渐升高,利用matlab软件计算样品的吸波性能,当烧结温度为1250℃时,材料的最大反射损耗峰出现在频率为6.98 GHz处,最大反射损耗值为-38.14 dB,在-10 dB以下的有效吸波频带宽为2 GHz。由于ZrO2的掺杂使材料的介电常数提升小,所以对于减小吸波材料使用时的厚度影响不大,所以我们将目光转移到CNTs与钡铁氧体的复合材料。最后,为了进一步减小材料在使用中的厚度,提高其介电常数,我们利用CNTs与BaFe12O19或BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19按照比例进行复合。利用SEM对材料进行测试,其内部的晶粒尺寸随着烧结温度的提升而变大,晶粒尺寸分布在1.217.33μm。通过VNA的结果表明,CNTs的含量增加材料的介电常数有明显的提升,当烧结温度为1250℃BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19与5%CNTs的复合材料其介电常数的分布达到了19.8296.24。利用matleb计算其吸波性能,当烧结温度为1250℃BaFe12O19与3%CNTs相复合时,在频率为9.43 GHz处出现最大反射损耗峰,其最大反射损耗值为-45.97 dB。同样烧结温度为1250℃BaFe9.6Mn0.6Co0.6Zr1.2O19与3%CNTs相复合时,当厚度为2.0 mm时,其最大反射损耗峰出现在频率为8.55 GHz处,反射损耗值为-15.02 dB,与第一部分实验相比反射损耗峰向低频发生了移动,也就是相同频率下所需厚度减小。我们还发现材料的反射损耗峰随着CNTs含量的增加而减小,当达到一定值时,材料的吸波性能出现明显下降。本课题利用固相法成功制备了Mn-Co-Zr掺杂的BaFe12O19,并采用具有高介电常数的ZrO2或更高介电常数的CNTs与BaFe12O19相复合,样品测试结果表明在相同频率下吸波材料所需厚度变薄。
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