磁性纳米材料的形状各向异性及微波电磁性能研究

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磁性纳米材料在GHz频段电磁性能优异,不仅能满足高频器件的要求,而且还可以解决伴随高频器件的电磁干扰问题。基于应用的考量,对磁性材料提出了高的磁导率和高的截止频率的要求,且二者受微波磁极限关系的制约。为了突破这一制约,调控磁性纳米材料的电磁性能,我们可以从其中的非本征参数——形状各向异性着手。为了调控磁性纳米材料的微波电磁性能,我们必须知晓材料体系的问题与形状各向异性之间的关系。对于传统的磁性软磁金属及合金而言,其磁晶各向异性决定了截止频率难以出现在GHz范围,而且高频下体系的涡流、以及介电常数过高产生的阻抗失配都会给其应用带来阻碍。合理地调节材料的形状各向异性是解决这些问题的关键。另外,材料的纳米化给体系各向异性带来新的变化,这对高频电磁性能又会有怎样的影响呢?带着这些问题,本文进行了以下几个方面的研究:1.以片状纳米晶FeCuNbSiB合金为例,研究了不规则片状合金微粉的磁导率和介电常数,并实现对其调控。(1)研究了片状化粉体的形状各向异性分布,提出了基于此分布的磁导率谱表达式并以此解析了磁导率谱的损耗峰宽化问题。(2)基于合金复合材料体系涡流效应的考量,我们分选了不同粒度的合金粉体,研究了其有效磁导率谱的机理并计算了它们的本征磁导率谱,进而以计算体系趋肤深度的方式量化了体系的涡流效应。(3)研究了不同粒度合金粉体介电常数,其弛豫机制包括合金与有机物的界面极化和电导的影响;结合其弛豫机制采用电导修正的Cole-Davidson模型和Lorentz模型分析了介电谱;通过对电导谱的分析,诠释了介电常数与极化和电导之间的关系。(4)基于合金粉体高电导导致的介电常数过高的问题,用高电阻的铁氧体对其进行包覆处理,极大地降低了介电常数值,实现了阻抗匹配,使得体系良好的电磁波吸收特性得以体现。2.制备了一系列高分散度的各向异性的磁性纳米材料,研究了纳米尺度对微波电磁性能的影响。(1)制备了一致性好、高饱和磁化强度的片状多孔Fe粉,同时实现GHz范围内的高磁导率和多共振现象。(2)制备了平均尺寸为17.2 nm×64.3 nm×939.1 nm的Fe3O4纳米片。研究其微波电磁性能发现在测试频段内磁谱出现4个共振峰,计算得到峰对应的损耗机制为自然共振和交换共振。其介电常数值很低,体系的损耗更是以磁损耗为主。而且由多共振引起的宽频带磁损耗导致了优秀的吸波性能,其吸收带宽(反射损失RL<-10 dB)高达4 GHz。微米级材料的涡流效应、高介电常数和窄的吸收峰的问题都得以解决。(3)制备了高分散度一致性较好的尺寸为239 nm×239 nm×239 nm的FeCo纳米立方块。其微波介电常数较微米级合金降低了5-6倍,且极大地降低了涡流效应,微波磁谱同样实现极宽的损耗,体系具有良好的吸波性能和吸收带宽。我们以微磁学的方法研究了体系的磁矩分布和磁导率谱的损耗机制。由于纳米小尺寸的原因,磁矩分布的表面态所占比例和体态可以比拟,表面态的影响不能忽略。xyz三个方向的磁导率呈现出各向异性,在测试频段范围内,多共振主要来源于自然共振、畴壁共振和表面效应带来的畴壁磁矩的非一致进动造成的交换共振。3.以恒压电沉积的方法制备了非晶FeP纳米线阵列,研究了热处理对体系磁各向异性、磁化过程和交换作用的调控性以及它们与矫顽力和矩形比的关系。最后以微磁学模拟的方法研究了不同长径比的纳米线阵列的微波磁导率的频率响应特性,特别是磁导率虚部的共振机制。
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