新型纳米氮化钛的磁性及微波吸收性能研究

摘要

在过渡金属氮化物中，氮化钛(TiN)作为一种性能优异的陶瓷材料引起人们广泛的关注。TiN具有高熔点(2950℃)、高硬度、良好的导电、导热性以及优异的环境稳定性，作为一种重要的导电陶瓷材料在电子技术领域得到了广泛的应用；而TiN涂层可以提高刀具的硬度、耐腐蚀性能及化学稳定性。然而，迄今未见关于TiN作为新型微波吸收材料和稀磁材料的相关研究报道。鉴于此，我们以纳米管钛酸(NTA)作为前驱体，将其在流动的氨气气氛中高温煅烧，制备了新型纳米TiN；利用高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等系统分析了产物的结构和组成，探讨了缺陷对其电磁性能和磁性能的影响。本文主要研究内容和结果如下：
　　 1.以NTA作为前驱体，将其在流动的氨气气氛中于900℃下氮化4h，使其管状结构完全破坏，转变为平均尺寸为20～30nm的TiN纳米微粒；分析了TiN纳米微粒的晶体结构和化学组成，并测定了其电磁损耗和微波吸收性能。结果表明，随着氮化时间的延长，TiN晶格中的N元素含量逐渐增加、晶格常数变大，XRD谱峰向低角度方向位移。有别于商品TiN，所制备的新型纳米TiN微粒对波长400～2500nm的光几乎具有完全吸收能力，并对2～18GHz范围内的电磁波具有明显的电磁损耗能力。当吸波层厚度为3mm时，相应的TiN-石蜡复合材料在6.6GHz处的最小反射损耗达-27dB，显示出良好的微波吸收性能。结合产物的晶体结构和化学组成分析结果，我们推测，这种新型纳米TiN微粒的奇特的电磁性能可能同其制备过程中产生大量的结构缺陷有关。考虑到TiN具有良好的高温稳定性，这种新型的纳米TiN很可能是一种潜在的耐高温微波吸收材料。
　　 2.采用超导量子干涉仪测定了新型纳米TiN微粒的磁性能。结果发现，所得到的纳米TiN在室温下表现出从抗磁性到铁磁性的转变；当氮化时间足够长时，未经任何磁性元素掺杂的纳米TiN具有清晰的室温铁磁性。作为一种超导转变温度较低的超导材料，这种新型纳米TiN微粒同时具有室温磁转变特性，实属罕见。我们推测，其特异的磁性能与其含有大量的结构缺陷相关，并可能同其组成存在某种内在的联系。
　　 3.对新型纳米TiN微粒进行了掺杂研究，尝试利用异质元素掺杂在TiN微粒中引入不同种类、不同数量的缺陷，着重考察了掺杂元素种类和数量对纳米TiN磁性和电磁性能的影响。结果发现，掺杂元素可以均匀地进入TiN的晶格，导致晶格畸变。与此同时，不论是掺杂磁性元素Fe，还是掺杂非磁性元素Li或B，掺杂后的纳米TiN均显示室温铁磁性；而Fe掺杂使得TiN的微波吸收性能得到提高。这说明掺杂TiN微粒的铁磁有序性同其结构缺陷密切相关。