镧锰氧化物与铁氧体改性体系的微波吸收特性研究

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本文系统地阐述了微波吸收材料的理论基础,提出了稀土锰氧化物作为微波吸收材料的若干理论依据。通过等效电路原理分析了复介电常数、复磁导率、电磁损耗因子的物理实质,使吸波材料电磁损耗机制的理解更为直观。 掺杂镧锰氧体系因其奇异的电磁性质,正成为巨磁阻材料领域的最活跃的研究热点。正因为这种电磁性质,掺杂镧锰氧也可能成为一类新型微波吸收材料,但却鲜见报道。我们研究发现了几种镧锰氧化物掺杂改性体系具有优良的微波吸收性能,为其在吸波材料领域中的应用提供了依据,论文研究成果丰富了电磁波与物质相互作用的理论体系。 用溶胶-凝胶法制备了La1-xSrxMnO3,La1-xSrxMn1-yByO3(B=Fe,Co,Ni),La1-xBaxMnO3,La1-xCexMnO3,La1-xCexMn1-yFeyO3纳米粉晶样品,用物理共混制备了La0.8Ba0.2MnO3/Ni纳米复合粉晶样品,用XRD、SEM、TG-DTA或TG-DSC、IR对上述样品进行了表征,测量了样品的电导率、复介电常数、复磁导率和微波反射率,从理论上探讨了镧锰氧化物掺杂及复合改性体系的微波电磁损耗机制。研究结果表明,上述掺杂镧锰氧化物均具钙钛矿结构,颗粒大小均为纳米级,La1-xSrxMnO3颗粒形貌不规则,La1-xBaxMnO3颗粒形貌呈球状,La1-xSrxMn1-yFeyO3、La1-xCexMnO3、La0.6Ce0.4Mn1-yFeyO3颗粒形貌为短棒状。掺杂镧锰氧化物样品形成经历水分蒸发、凝胶分解和晶型形成等过程。上述改性镧锰氧化物纳米粉晶样品具良好的微波吸收性能:涂层厚度2mm的La1-xSrxMnO3(X=0.4,0.5)在8-14GHz范围的10dB吸收带宽达3.5GHz;厚度2mm的La0.8Sr0.2Mn1-yFeyO3(y=0.12,0.14)在2-18GHz范围的10dB吸收带宽达6.2GHz以上,La0.8Sr0.2Mn1-yCoyO3和La0.8Sr0.2Mn1-yNiyO3与La0.8Sr0.2Mn1-yFeyO3反射率曲线相似;厚度1.6mm的La0.8Ba0.2MnO3在2-18GHz范围的10dB吸收带宽为2.1GHz;厚度为2.20 mm的La0.6Ce0.4MnO3在2-18GHz范围的的10dB吸收带宽为3.2 GHz;厚度1.80 mm的La0.6Ce0.4Mn0.86Fe0.14O3在2-18GHz范围的10dB吸收带宽为4.3GHz;质量比62.5%、厚度1.8mm的La0.8Ba0.2MnO3/Ni复合体系在2-18GHz范围的10dB以上吸收带宽达3.4GHz(明显优于单一组分)。这些样品的电阻率均在靠近金属的半导体范围,有利于阻抗匹配和微波衰减。其中,介电损耗和磁损耗并存且有竞争,但介电损耗较大。这种竞争的微观机制可以理解为在微波电磁场作用下铁磁团簇和反铁磁团簇相互转化。 铁氧体是一类传统的吸波材料,但存在密度大、微波吸收频带窄的问题,因此,铁氧体吸波材料的改性仍然是目前的一个研究热点。针对这些问题,对六角W型钡铁氧体和尖晶石型铁氧体进行了掺杂、复合及超细化改性,以提高其微波吸收性能。 稀土元素具有特殊的电磁结构和性能,稀土掺杂能够调节铁氧体电磁参数和改善铁氧体的微波吸收性能,但镧掺杂W型六角钡铁氧体在2-18GHz内的微波吸收特性的研究少见报道。在本文工作中,用溶胶-凝胶法制备了Ba1-xLaxCo2Fe16O27超细粉晶,用XRD、SEM、TG-DTA、IR对样品进行了表征,测量了电导率、复介电常数、复磁导率和微波反射率,从理论上探讨了镧掺杂W型钡铁氧体改性体系的微波电磁损耗机制。研究结果表明:1200℃煅烧2小时的Ba1-xLaxCo2Fe16O27为平均粒径小于0.5μm的六角块状W相粉晶;室温电阻率约107Ω·cm量级,处于半导体范围;La掺杂能提高样品的微波吸收性能,厚度为1.9mm的Ba0.8La0.2Co2Fe16O27在2-18GHz范围的10 dB吸收带宽达到4.0GHz;样品兼具介电损耗和磁损耗,但以磁损耗为主。 BaTiO3是一种典型的以介电损耗为主的铁电性材料,掺杂聚苯胺(PAn)是一种低密度的电损耗型吸波材料,将磁损耗为主的铁氧体与BaTiO3或PAn复合是提高铁氧体微波吸收性能的一个有效途径。目前,Fe3O4/BaTiO3和Fe3O4/PAn复合吸波材料的研究缺乏。在本文工作中,用化学氧化法制备了导电聚苯胺(PAn),用物理共混法制备了Fe3O4/BaTiO3纳米复合粉体,用原位化学反应法制备了Fe3O4/PAn纳米复合粉体,通过XRD、SEM、IR等对上述样品进行了表征,研究了反应条件对PAn产物电导率的影响和Fe3O4质量比对Fe3O4/PAn复合体系电导率的影响,测量了样品的微波反射率,分析了Fe3O4/BaTiO3和Fe3O4/PAn复合改性体系的微波电磁损耗机制。研究结果表明:纳米Fe3O4和纳米BaTiO3分别为尖晶石和钙钛矿结构,PAn包覆在Fe3O4粒子表面;PAn和Fe3O4/PAn复合材料(Fe3O4质量比35%)的红外光谱相似,但后者吸收峰有红移;过硫酸铵与苯胺摩尔比为1-1.2、盐酸浓度为1mol/L时,PAn具有最大电导率0.282 S/cm;Fe3O4的质量比为35%时,Fe3O4/PAn具有最大电导率0.926S/cm;复合改性体系较单相的微波吸收性能有较大提高,质量比为3:2、厚度为2mm的Fe3O4/BaTiO3复合体系在2-18GHz范围的10dB吸收频宽达4GHz,Fe3O4质量比为35%、厚度2.48mm的Fe3O4/PAn在8-14GHz范围的10dB吸收频宽大于4GHz;Fe3O4/BaTiO3、Fe3O4/PAn复合体系具有电损耗和磁损耗协同作用机制。
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