几种铁磁金属微纳米吸收剂的制备及宽带吸波涂层的设计

摘要

铁磁金属基微纳米吸收剂材料凭借良好的电磁匹配特性与高效的电磁损耗能力，已发展成为吸波材料领域内的研究热点。本文以微纳米CoFe2O4、BaFe12O19等铁氧体颗粒为前驱体，利用氢热还原法制备了CoFe纳米颗粒、CoFe/Al2O3纳米复合颗粒以及Fe/BaFeO2.5微米复合颗粒等铁磁金属以及铁磁金属/氧化物复合颗粒吸收剂材料，通过前驱体形貌、物相成份以及还原温度、时间等工艺参数的控制，实现了铁磁金属基吸收剂材料形貌以及物相成份的可控调节。研究了铁磁金属颗粒形状、尺寸、铁磁元素相对含量以及绝缘性氧化物的引入等组织结构因素对电磁性能的影响规律，并掌握了电磁参数调控方法，改善了吸收剂材料的电磁匹配特性，提高了吸波性能。本文还利用遗传算法针对多层吸波涂层进行了优化设计，获得了具有超宽频带电磁波吸收特性的多层结构吸波涂层，并利用周期性微带吸波阵列对涂层的低频吸波性能以及大角度斜入射吸波性能进行了改善。
　　CoFe纳米颗粒的制备工艺表明，通过还原前驱体的形貌控制，可以成功合成尺寸细小的球形与片状CoFe纳米颗粒，其中片状CoFe颗粒具有极高的比表面积。还原温度、时间等工艺参数是保留前驱体形貌特征的关键因素。当还原温度过高、还原时间过长时，由于高活性的Co、Fe原子的迁移扩散，还原产物间团聚现象较为严重，产物颗粒尺寸较大，前驱体的形状、尺寸特征难以很好的保留。Al2O3、BaFeO2.5等稳定氧化物的引入可以起到“骨架”作用，阻碍还原过程中Co、Fe等金属原子的扩散迁移，有效地抑制还原产物间的团聚、长大，更好地保留前驱体形状、尺寸特征，提高氢热处理温度及时间上限。
　　电导率测试结果表明，铁磁金属颗粒尺寸纳米化以及Al2O3、BaFeO2.5等绝缘性氧化物的引入均可以有效地降低颗粒的电导率。纳米CoFe颗粒的电导率小于块体CoFe约3-4个数量级，微米Fe/BaFeO2.5复合颗粒相比于同尺寸 Fe颗粒电导率下降了约8-9个数量级。电磁参数测试结果还表明，铁磁金属颗粒形状、尺寸以及铁磁元素相对含量等组织结构因素对其电磁性能有显著影响。由于涡流效应的抑制，球形CoFe颗粒的磁导率随颗粒尺寸的减小而显著升高；片状CoFe颗粒由于具有较高的比表面积以及较薄的颗粒厚度，其介电常数与磁导率水平远高于相同尺寸的球形CoFe颗粒；铁磁合金颗粒的磁导率会随Fe元素相对含量的增加而升高。另外，Al2O3、BaFeO2.5等绝缘性氧化物的引入可以抑制颗粒内的涡流损耗，有效地提高颗粒的磁导率。
　　通过电磁参数的调控，可以控制吸收剂材料的工作频带特性，拓宽其有效吸收带宽。研究结果表明，高介电常数的片状CoFe颗粒的有效吸收带位于2-4GHz的低频波段，而低介电常数的球形CoFe颗粒的有效吸收带则位于10-18GHz的高频波段；由于电磁匹配特性的改善，微米Fe/BaFeO2.5复合颗粒吸收剂的最大有效吸收带宽远大于同尺寸微米Fe颗粒吸收剂，纳米CoFe/Al2O3复合颗粒吸收剂更是在10-18GHz范围内实现了-10dB吸收。
　　多层结构吸波涂层可以有效地综合多种吸收剂的工作频带特性，经遗传算法优化设计后，涂层有效吸收频带可以获得进一步拓宽。利用遗传算法优化设计所得的7层吸波涂层在2-18GHz整个测试频率范围内，电磁波吸收系数均超过了-10dB，而且在大角度斜入射情况下仍能保持良好的吸波性能，适用于曲面、斜面等复杂形状目标。电磁仿真运算结果表明，7层涂层对金属平板、圆柱体以及锥体的RCS缩减在2-18GHz全波段内均达到了-10dB。

目录

几种铁磁金属微纳米吸收剂的制备及宽带

PREPARATION OF FERROMAGNETIC METAL

摘要

Abstract

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 材料电磁波吸收性能的影响机制

1.2.1 电磁波吸收的物理机制

1.2.2 吸波涂层的工作原理

1.2.3 理想吸收剂材料的电磁参数

1.2.4 吸收剂材料电磁参数的影响机制

1.3 吸波材料的种类

1.3.1 结构型吸波材料

1.3.2 涂覆型吸波材料

1.4 纳米铁磁金属及金属/氧化物复合吸波材料研究现状

1.4.1 纳米铁磁金属吸波材料

1.4.2 纳米铁磁金属/氧化物复合吸波材料

1.5 计算机辅助吸波涂层设计

1.6 主要研究内容

第2 章 材料及试验方法

2.1 试验用化学试剂

2.2 吸收剂材料合成方法

2.2.1 前驱体的水热合成

2.2.2 铁磁金属以及铁磁金属/氧化物复合颗粒的氢热合成

2.3 吸收剂材料的组织结构表征

2.3.1 物相表征

2.3.2 形貌和结构分析

2.4 吸收剂材料性能测试

2.4.1 电导率测试

2.4.2 静态磁性能测试

2.4.3 比表面积测试

2.4.4 电磁性能测试

2.5 多层吸波涂层的设计方法

2.6 吸波性能评价方法

第3 章 纳米铁磁金属及微纳米铁磁金属/氧化物复合颗粒的制备及组织结构表征

3.1 球形钴铁合金纳米颗粒的制备

3.1.1 球形CoFe2O4 前驱体的水热合成

3.1.2 球形CoFe 纳米颗粒的氢热合成

3.2 片状钴铁合金纳米颗粒的制备

3.2.1 片状CoFe2O4 前驱体的水热合成

3.2.2 片状CoFe 纳米颗粒的氢热合成

3.3 微米铁/钡铁氧体复合颗粒的制备

3.3.1 BaFe12O19 前驱体粉体的组织结构表征

3.3.2 Fe/BaFeO2.5 微米复合颗粒的氢热还原

3.3.3 Fe/BaFeO2.5 微米复合颗粒内叠层组织的形成机制

3.4 纳米钴铁/氧化铝复合颗粒的制备

3.4.1 CoFeAlO4 前驱体的水热合成

3.4.2 CoFe/Al2O3 纳米复合颗粒的氢热还原

3.5 本章小结

第4 章 纳米铁磁金属及微纳米铁磁金属/氧化物复合颗粒的电磁性能研究

4.1 颗粒尺寸对铁磁金属吸收剂电磁性能的影响

4.2 颗粒形状对铁磁金属吸收剂电磁性能的影响

4.3 绝缘性氧化物的引入对铁磁金属吸收剂电磁性能的影响

4.4 铁磁元素相对含量对铁磁金属吸收剂电磁性能的影响

4.5 本章小结

第5 章 超宽带吸波涂层的设计及电磁仿真研究

5.1 超宽带多层结构吸波涂层的设计

5.1.1 遗传算法优化流程

5.1.2 双层吸波涂层的设计

5.1.3 多层吸波涂层的设计

5.2 多层吸波涂层吸收剂材料的选择

5.2.1 阻抗匹配层吸收剂材料

5.2.2 电磁损耗层吸收剂材料

5.3 多层结构吸波涂层对复杂形状目标的RCS 缩减

5.4 周期阵列对涂层吸波性能的改善

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历