一维氧化锌的制备及其吸波性能研究

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氧化锌是一种新型的Ⅱ-Ⅳ族直接带隙宽禁带半导体材料,纳米氧化锌具有纳米材料和优异半导体材料两方面的独特性质,在液晶显示器、太阳能电池、保护性涂层、气敏元件和紫外发光器件等领域表现出潜在的应用前景。最近几十年来,关于ZnO纳米材料制备方面的研究取得了巨大的进步。零维(0D)纳米氧化锌的合成与制备已经取得了很大的进展,但一维(1D)、准一维(quasi.1D)及二维(2D)纳米氧化锌及其相关结构的制备和研究仍面临着挑战。本文选择ZnO纳米体系为研究对象,侧重于一维(1D)纳米ZnO的制备及其电磁性能、吸波性能的研究。本文分别采用溶液生长法、电场辅助溶液生长法以及静电纺丝三种简单易行的制备方法制备了多针状、短棒状、超长棒状以及纤维网络状的准一维纳米氧化锌,并研究其电磁性能、吸波性能。利用扫描电子显微镜、超景深电子显微镜、X射线衍射仪和微波矢量网络分析仪分别对其结构、形貌、电磁性能和吸波性性能进行了表征,并对表征结果进行了分析与讨论:采用溶液生长法,研究了使用不同模板剂对氧化锌结构与形貌的影响;利用六亚甲基四胺体系合成了多针状氧化锌(直径约为500nm、长径比为10左右),并探索了不同反应时间、浓度对多针状氧化锌结构与形貌的影响;解释了多针状氧化锌的生长机理。采用电场辅助法制备得到了超大长径比的一维氧化锌棒(直径为300nm、长径比达100),研究了外加电压大小对棒状氧化锌形貌的影响,解释了电场辅助下氧化锌棒的生长机理。采用静电纺丝法获得了纤维网络状氧化锌(直径在300mn-500nm,交叉网络状纤维),研究了前驱液浓度、外加电压等静电纺丝参数对纤维网络形貌的影响。对获得的类球状、多针状、短棒状、超长棒状以及纤维网络状氧化锌进行了电磁性能与吸波性能分析。其中纤维网络状氧化锌具有较强的微波衰减特性,以其与石蜡按质量比3:1复合体在10.7GHz微波衰减达到最大值27.8dB;多针状氧化锌石蜡复合物微波衰减最大值为17dB左右;棒状氧化锌的长径比越大吸波性能稍强,衰减最大值在5dB~10dB之间;类球形氧化锌石蜡复合物有较弱的吸波性,衰减最大值在3dB以下。不同形貌氧化锌的吸波性能存在差异,本文中氧化锌材料损耗的机制是介电损耗,来源主要包括中间配位四面体ZnO46-发生转向极化的弛豫衰减、界面极化衰减以及空间导电网络效应衰减三个方面。一维氧化锌(长棒状、多针状、纤维网络状)较球形氧化锌具有更强烈的转向极化衰减、界面电荷极化衰减以及电导损耗。随着由类球形、短棒状、长棒状、多针状的形貌变化顺序,界面的缺陷增大、界面电荷极化效应增强,由此产生的衰减微波性能也逐渐增强;纤维网络状氧化锌存在空间导电网络效应,其中纤维网络状氧化锌空位缺陷大、空间网络复杂度高,电导损耗较大,对微波衰减能力较强。
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