铁氧体空心微球与磁性金属核壳粒子的制备和性能研究

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在微波吸收剂的研究过程中,大电磁损耗、阻抗匹配是研究者追求的目标。他应该具有高磁导率、介电常数适中,且频散特性可控的品质。  利用材料科学发展的前沿技术对传统的、技术成熟材料的结构、形状等方面进行重新构造,赋予其新的或更高的性能是材料研究的重要方向之一。  羰基铁和铁氧体是国外使用的较为成熟且性能良好的微波吸收剂,也是我国八五、九五期间研究使用的微波吸收剂中主要品种之一。但用它们组成吸波涂层材料存在比重大,并且不能很好地同时满足(1)电磁损耗大(2)阻抗匹配这两个条件,吸收频带不够宽,不能满足“薄、轻、宽、强”的需要。  核壳材料一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成。随着核壳材料的不断发展,其广义定义为,核与壳是由两种不同物质通过物理或化学作用相互连接的材料,都可称为核壳材料。核壳材料外貌一般为圆形粒子,也可以是其它形状。包覆在粒子外部的壳可以改变并赋予粒子光、电、磁、催化等特性。  空心微球是一类内核为空气或其它气体的特殊结构的核壳粒子,与其块体材料相比具有较大的比表面积、较小的密度以及特殊的力学、光、电等物理性质及应用价值。例如,空心微球的核层折光指数远低于壳层的折光指数,有可能对微波电磁场形成“黑洞”,可望获得高性能的雷达隐身材料;同时在生物、医药、生物工程等领域及保温、阻燃材料方面有潜在应用价值。  因此,核壳材料和空心微球材料的制备已成为材料研究领域目前研究的热点之一。  为了获得高磁导率,介电常数适中的吸收剂,我们首先利用纯铁的软磁性与晶体组织结构的关系,在羰基铁中引入杂质Ni,使FexNiy合金化形成无序固溶体,产生各向异性应变场,在交流磁场中由于磁弛豫以及共振等而产生能量损失,提高磁导率的实部与虚部,但介电常数偏高。介电常数高不利于阻抗匹配,用无机物与合金复合形成核壳结构,就有可能在保持FexNiy合金高磁导率的同时有效降低介电常数,满足阻抗匹配的要求,进而通过改变无机包覆物的性质控制复合粒子的电磁参数。  本文利用机械合金化方法制备FexNiy合金。研究结果表明,利用机械合金化方法制备FexNiy合金的电磁参数明显高于羰基铁;当合金化时间不变时,随镍含量增加,FexNiY合金相结构缺陷明显增多,介电常数降低,磁导率实部和虚部提高,镍含量为30%时效果较为显著;在合金组成不变的条件下,球磨时间增加,引起Fe0.7Ni03塑性形变,内应力增加,同时晶粒细化,Fe0.7Ni0.3合金化时间以30h为最佳;合理地缩短合金化时间,然后在空气中粉磨试样,可显著降低介电常数,磁导率虚部也随之降低,但对磁导率实部影响不大,通过优化获得了磁导率实部μ=4.59,磁导率虚部μ"=1.95的Fe0.7Ni0.3合金粉体,但介电常数较高,不利于阻抗匹配。  为降低Fe0.7Ni0.3合金的介电常数,选择非磁性的ZnO、Si和磁性Co2-W铁氧体为包覆物,本文首次利用机械合金化方法制备了无机物为壳,Fe0.7Ni0.3为核的核壳结构磁性粒子。当包覆物量不变,增加包覆时间时,Fe0.7Ni0.3晶粒的结晶程度略有提高;增加包覆物量,则Fe0.7Ni0.3晶粒细化。ZnO包覆Fe0.7Ni0.3可明显降低包覆其介电常数,同时降低磁导率虚部;磁导率实部随频率先降后升;包覆ZnO量提高,磁导率实部、虚部则相应降低;ZnO量不变,介电常数实部随包覆时间增加而呈上升趋势;磁导率虚部随包覆时间呈“∧”形变化;包覆时间以6h为宜。用Si粉包覆Fe0.7Ni0.3,同样降低介电常数,但磁导率降低幅度较小。  当用磁性Co2-W铁氧体包覆Fe0.7Ni0.3,核壳复合粒子的磁导率与Fe0.7Ni0.3基本相同,但其介电常数Fe0.7Ni0.3得到了有效控制。  因此,当用非磁性物质包覆Fe0.7Ni0.3,可同时降低介电常数和磁导率,但不同物质降低的幅度不同;当用磁性Co2-W铁氧体包覆Fe0.7Ni0.3,在控制磁导率基本不改变的情况下,介电常数降低,控制壳材料的性质,即可调控核壳复合粒子的电磁参数。  为了使吸波涂层阻抗匹配,满足“薄、轻、宽、强”要求,不同种类的吸收剂要搭配使用。金属及合金微波吸收剂与铁氧体微波吸收剂属互补型,经常搭配使用,但其密度大。在不改变铁氧体本征特性的条件下,制备铁氧体空心微球,将有效降低其密度。  由于空心球制备倍受各国学者重视,制备方法很多,但均只限于制备成分单一的氧化物微球,复杂化合物组成空心微球的制备、结构和性能研究尚未见报道。  在铁氧体微波吸收剂家族中,M型和W型铁氧体使用的最为广泛,由于其结构与工艺因素复杂,首先对六角铁氧体的形成进行了研究。结果表明,W型铁氧体的结构受工艺制度影响,快速升温慢速冷却可获得晶型完整的W型六角铁氧体。  本文根据对六角铁氧体形成的研究结果,首次利用氧乙炔焰/等离子焰喷烧结合高温回火制备了M型和W型六角铁氧体空心微球,研究了铁氧体空心微球的组成、结构和性能及先驱体制备对组成、结构的影响。研究结果表明,在保证铁氧体本征特点情况下,空心球的密度降低50%以上。  用氧乙炔火焰喷烧结合高温回火制备了10μm的M型和W型铁氧体空心微球。M型铁氧体空心微球表面的铁氧体结晶完整,大部晶粒的c轴为微球的切线方向,呈无序状态,空心球密度在2.5g/cm3左右,远低于M型铁氧体5.28g/cm3。W型铁氧体晶粒呈无规则分布。空心微球的密度为2.35g/cm3以下,远低于W型铁氧体的5.31g/cm3。  等离子喷烧浓度为2.5%W型铁氧体前驱物悬浮液后回火,制备了粒径5~8μm的Co2-W和Zn2-W型铁氧体空心微球,铁氧体晶粒呈无规则排布。
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