复合磁性纳米粒子制备及电磁响应特性研究

来源 :北京理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:Chinaxfhl
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随着光电子和计算机技术的发展,传统的烟幕、诱饵、箔条等无源干扰技术,因其功能单一、留空时间短、干扰效能受环境气象影响大等原因,在高技术战争中的应用受到限制。研制具有大规模信息压制能力的新型多功能无源干扰材料是当前从事光电对抗技术研究人员面对的重要机遇和挑战。在综合分析光电对抗器材发展需求的基础上,利用纳米复合材料制备技术将超顺磁纳米材料与消光材料、导电材料和含能材料复合,研制集定向趋附、多频段磁调控电磁干扰和毁伤压制于一体的多功能复合干扰粒子技术,为无源光电对抗技术适应现代作战需求,奠定了技术理论基础,具有重大的军事意义。主要研究内容如下:(1)结合纳米材料复合制备规律和消光规律,设计出了具有不同核壳结构的多功能复合粒子,采用FDTD消光计算模型深入优化了复合粒子结构,确定了材料选型和尺寸参数。计算结果表明,复合粒子的壳层仅为30 nm时就可完整继承消光材料的红外消光特性,而且磁组装后的复合粒子链的消光系数约为单个粒子的5倍;通过控制复合磁性粒子链的链长,可实现对粒子链消光峰值波段的精确调控。根据模拟计算结果优化了复合粒子的结构及组成,优选出以超顺磁簇为核,SiO2为保护介质,消光及导电材料为壳的复合磁性消光和电磁压制纳米核壳粒子;以及苦味酸钾微晶为核,超顺磁纳米微晶为磁修饰层的复合磁性含能粒子。(2)通过对溶剂热还原法的改进,制备出了粒径在100700 nm范围内可调节且具有优秀超顺磁特性的Fe3O4纳米簇粒子;以及饱和磁感应强度高达87.63 emu/g且具有超顺磁临界直径的Fe3O4纳米磁晶。探讨了不同表面活性剂对粒子结构和磁性的影响;研究了还原溶剂配比对纳米晶和簇型结构尺寸的影响。分别利用XRD,TEM,SEM,VSM,FTIR和XPS等测试技术表征了粒子的结构、磁性和组成。(3)分别用晶种生长法、原位均相聚合法和高温热解法、微晶共沉淀法制备出了Fe3O4@SiO2@Ag、Fe3O4@SiO2@C、KPA@Fe3O4复合磁性粒子,并对其结构、磁性和组成进行了表征。采用微波网络矢量仪和四探针电阻率测试仪分析了Fe3O4@SiO2@Ag和Fe3O4@SiO2@C两种复合粒子的导电性和电磁屏蔽特性,探讨了壳层材料厚度对其性能的影响,Ag壳层复合粒子的电阻率最低可达8.06×10-5Ω·cm,C壳层的复合粒子在-10 dB以下的微波屏蔽频段覆盖了较宽的1216 GHz;采用DSC分析了KPA@Fe3O4复合粒子的含能特性,得出了含能组分和磁性组分为最佳质量配比1:2时,可实现复合粒子同时具备较好的安定性和较强的能量输出特性。(4)结合粒子磁化方程,Navier-Stokes方程及粒子浓度扩散方程,建立了磁性粒子磁源趋附运动的有限元多物理场仿真模型,研究了复合磁性粒子在磁场和空气流场作用下的浓度分布和速度分布,探讨了磁源强度和粒子磁响应能力对磁性复合粒子磁源趋附效能的影响。数值计算结果表明,复合磁性粒子的浓度会随着到磁源距离的缩小而增加,40 mT的永磁体磁源可在其10 cm范围内引发磁致涡流,导致磁源附近粒子的富集浓度为初始粒子浓度的14倍;随着磁源磁感应强度Bx的降低,其附近捕集的磁粒子浓度Cv的变化规律大致服从(?)。(5)结合理论模型,设计了用于磁粒子磁源趋附性能测试的实验装置,实验研究了磁性含能复合粒子的磁趋附效能,10 mT的永磁体磁源附近聚集的复合磁性粒子质量是非磁场环境下的近20倍,证明了磁性复合粒子对弱磁性目标具有明显趋附作用。(6)开展了蒙特卡罗法仿真磁性复合粒子磁自组装机理及规律的理论研究和实验验证。模拟计算结果表明复合磁性粒子倾向于沿外磁场方向成链,磁组装链长度与磁粒子尺寸和浓度为正相关关系。实验研究结果表明粒径在400800 nm、体积浓度小于1%时的磁性复合粒子在外磁场中倾向于磁组装成含812个粒子的一维链结构,其消光峰值与长波红外窗口匹配,是远红外干扰的重要候选材料。
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