Cu基磁性复合材料的可控制备、电磁波吸收机理与性能

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随着电子信息技术的更新换代,电磁波技术在我们的生产、生活、农业、工业和军事等各个领域均得到了广泛的应用,其在方便我们生活的同时,也为我们带来很多危害,不仅威胁人体健康,还会影响电子设备的正常运行。因此,设计和制备新型高效的电磁波吸收材料就显得尤为重要。金属Cu纤维属于介电损耗型吸波材料,具有低逾渗阈值、高导电性、高丰度、低成本的优点,但同时又具有高反射、耐环境性差的缺点。因此,本文通过将其与磁性金属Co、Ni复合,可以使材料在具有高饱和磁化强度、强的磁各向异性的同时,又具有好的导电性。通过将材料设计成一维核壳纳米管、中空纳米花/球的异质结构,使材料在取向极化作用、界面极化作用、偶极和缺陷极化作用增强的同时,又易形成局域导电网络以及大的比表面积(多重散射效应),最终,合成了优秀的吸波材料。具体研究内容如下:1.宽带和强微波吸收CuxNi1-x/Ni核壳复合材料的可控制备采用一步液相还原-氧化法,即以水合肼为还原剂,Na OH为碱,乙二胺为体系中的晶面选择性促进剂,合成具有组成、结构可调的CuxNi1-x/Ni核壳复合材料。研究了反应温度、时间、搅拌速度、气流量大小、反应物浓度、Cu2+/Ni2+摩尔比对Cu和Ni的含量及磁性核壳复合材料的组成、形貌和结构的影响规律,揭示了其形成机理。其中,微纳米管的直径为0.1~2μm,长度为2~12μm,壁厚为10~140 nm;微纳米球直径为0.2~5μm,壁厚为10~180 nm。其中CuxNi1-x/Ni纳米管和杂化中空结构分别达到最大反射率(RL)值-64.69和-38.46 d B,RL(?)-20d B的宽频带分别为7.0和10.58 GHz,分别对应于2.1~3.3 mm和1.7~4.4 mm的厚度值。其优异的电磁波吸收性能是由于一维、中空和核壳结构,它们产生了多极化、自然共振、交换共振、高衰减和适当的阻抗匹配。2.Co1-xCux中空微球的可控制备与宽带微波吸收通过简单的一锅水热还原法制备了Co1-xCux中空微球结构,其直径为5~10μm。研究了反应温度、时间、表面活性剂之比、铜盐与钴盐的投料比对产物中Cu和Co的含量以及磁性中空微球的组成、形貌和结构的影响规律。随着反应温度的升高,产物在最小表面自由能的驱动下由单分散类海胆状超结构(其直径为0.5~1.0μm)组装成中空微球。由于Co在Cu核表面的沉积,产物中Co的峰强度随着反应时间的增长而逐渐加强。产物的饱和磁化强度也随着投料比中Cu2+的增加呈现一个递减的趋势。当Cu的摩尔含量为1.2%时,中空微球的最大吸收带宽达到9.68 GHz(RL≤–10 d B),其在15.87 GHz处的最大反射率为-37.94 d B,而样品的匹配厚度仅为1.3 mm。由此可见,合成的中空微球具有优异的微波吸收性能。本实验为制备异质中空纳米结构提供了一种简单、可控、低成本的方法。3.二维C/Cu Ni复合物的可控制备与微波吸收性能以油酸为碳源,硫酸钠为牺牲模板,通过一步自组装法合成了二维C/Cu Ni复合物。通过改变Cu2+/Ni2+不同比例、煅烧温度来调控产物的组成、结构与性能,采用XRD、EDX、XPS、SEM和拉曼光谱对样品进行了表征。随着煅烧温度的升高,二维C/Cu Ni复合物中Ni、Cu的含量增加,而C的含量逐渐减少;随着Cu2+/Ni2+比值的增加,形成复合物的尺寸逐渐增加。在600℃,和Cu2+/Ni2+=1:3时获得的C/Cu Ni复合物具有优异的微波吸收性能。产物的吸收带宽为9.68 GHz(RL≤–10 d B),在6.08 GHz处的最大反射率值为-49.99 d B,对应的样品厚度为2.1 mm,填充比为25%。
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