论文部分内容阅读
Fe纤维具有高比表面积、大长径比、高磁导率、显著的磁各向异性等特性,是一种高效的微波吸收剂。但是,处于交变磁场中的Fe纤维表面会产生涡流,高电导率使趋肤效应更明显,导致微波在Fe纤维表面形成强反射,不利于Fe纤维对微波的吸收。研究表明,将Fe纤维的尺寸控制在纳米级别,可以有效地减少涡流的产生,提高阻抗匹配特性,降低Fe纤维表面对微波的反射。然而,Fe纳米线在使用中存在一些问题,如易团聚形成导电网络、高温环境下晶粒会长大、以及在空气中容易氧化。为了解决这些问题,采用介电材料TiO2作为Fe纳米线的包覆层,形成皮芯结构的纳米管阵列,研究具有磁损耗特性的Fe纳米线和具有介电损耗特性的TiO2包覆层在微波损耗方面的协同作用,探索基于纳米Fe纤维的高效微波吸收材料的吸波机理、结构设计与制备方法。本文通过阳极氧化法和模板法实现了TiO2纳米管阵列的可控制备,采用电化学沉积技术在TiO2纳米管阵列中成功制备了Fe纳米线,获得了均匀、高填充和具有可控长径比的Fe/TiO2纳米管阵列。在对Fe/TiO2纳米管阵列的微结构和形成机理研究的基础上,对不同长径比Fe/TiO2纳米管阵列的微波吸收机理进行了探索,研究了其磁性能和微波吸收性能,结果表明该材料在磁记录和微波吸收领域具有潜在的应用价值。论文主要分为如下四个部分:1.TiO2纳米管阵列的阳极氧化法制备与形成机理研究采用电化学阳极氧化法,在Ti基底上制备了TiO2纳米管阵列。研究了制备工艺参数对TiO2纳米管阵列微结构的影响,探讨了其形成机理。结果表明TiO2纳米管阵列的形成和生长经历了氧化膜层的形成、纳米微孔的形成、纳米管的形成及稳定生长,纳米管破裂形成纳米线-纳米管分层结构四个阶段。确定了TiO2多孔结构向TiO2纳米管阵列结构转变、TiO2纳米管阵列结构向TiO2纳米线-纳米管分层结构转变的两个关键时间点（30min和7.5h）,获得了长度约为13μm、外径约为150nm、最大长径比约为90的TiO2纳米管阵列,为制备Fe/阳极氧化TiO2纳米管阵列提供参考。2.Fe/TiO2纳米管阵列的阳极氧化-电化学沉积法制备与形成机理研究由于阳极氧化法得到的TiO2纳米管底部阻挡层使纳米管底部和管壁具有相同的电导率,导致难以实现Fe在纳米管中的电化学沉积。为了解决这个问题,本文采用3种方法制备Fe/阳极氧化TiO2纳米管阵列:（1）采用腐蚀法获得了双通TiO2纳米管并在其一端溅射Cu用做电化学沉积的模板,使用直流法电沉积Fe;（2）采用降电势法减薄单通TiO2纳米管底部的阻挡层,利用较薄TiO2膜的整流特性和电子隧穿效应,使用交流法沉积Fe;（3）利用短时脉冲能加快电极附近Fe离子的补充和能抑制氢气产生的特性,采用脉冲法在阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列中沉积Fe。研究表明,以阳极氧化TiO2纳米管作为基材,采用脉冲法可以制备长径比较小（约6.4）的Fe/TiO2纳米管阵列,但难以实现大长径比的Fe/TiO2纳米管阵列。3.Fe/TiO2纳米管阵列的模板法制备与形成机理研究Fe纳米线长径比的增加对提高其微波磁损耗性能至关重要,而微波磁损耗是影响Fe纳米线微波吸收性能的主要因素。为了获得大长径比的Fe/TiO2纳米管阵列,采用两步可控电沉积在一端溅射有Cu导电层的双通阳极氧化铝（AAO）模板中制备了Fe/TiO2纳米管阵列。制备了均匀、高填充和长径比（110～620）可控的Fe/TiO2纳米管阵列。阐明了Fe/TiO2纳米管阵列形成机理,建立了制备工艺参数与Fe/TiO2纳米管阵列的长径比的关系。对其微观结构的研究表明,TiO2纳米管为非晶态,Fe纳米线为多晶态α-Fe,随退火温度的升高,不同直径的Fe/TiO2纳米管阵列中Fe的晶粒有不同程度的长大,小内径TiO2纳米管对Fe晶粒长大的束缚更明显。4.Fe/TiO2纳米管阵列的磁性能、微波吸收性能和吸波机理研究研究了Fe/TiO2纳米管阵列的磁性能。结果表明,随Fe/TiO2纳米管阵列长径比的增大,平行和垂直纳米管轴线方向的矫顽力Hc的差值和平行纳米管轴线方向的磁矩形比Mr/Ms增大,说明随长径比增大,磁各向异性增强。采用矢量网络分析仪,通过同轴环法和波导法研究了Fe/TiO2纳米管阵列的微波吸收性能。结果表明,介电材料TiO2的包覆能够有效抑制Fe纳米线表面的涡流效应,并且,随长径比增大,Fe/TiO2纳米管阵列的微波吸收性能增强。微波磁损耗机理研究表明,长径比不同的Fe/TiO2纳米管阵列的主要损耗因素不同,大长径比Fe/TiO2纳米管阵列的微波磁损耗主要来源于磁滞损耗和涡流损耗,而小长径比Fe/TiO2纳米管阵列的微波磁损耗主要来源于自然铁磁共振（NFR）。为了研究高温环境对Fe/TiO2纳米管阵列的微波吸收性能的影响,对其进行退火处理,结果表明,退火导致的Fe晶粒长大将使Fe纳米线微波吸收性能降低,而退火导致TiO2晶型变化,在晶-非晶界面形成的界面电场、晶界处的缺陷和极化增强了其微波吸收性能,最终,经300℃和500℃退火处理的Fe/TiO2纳米管阵列具有更好的微波吸收性能。研究了微波吸收性能与微波传播方向的关系,发现由于界面极化,当纳米管轴线方向与微波传播方向一致时,纳米管阵列具有最优的微波吸收性能。