羰基铁吸收剂电磁参数调控与面内复合扩展超材料吸波带宽研究

摘要

微波吸收材料在电磁辐射防护、电磁污染治理及军事反探测等领域具有重要应用。随着微波电子设备向小型化、宽频化、灵敏化的方向发展，极端的应用条件和环境对吸波材料的厚度、重量、吸收带宽和吸收强度等提出了更高的要求。本文的研究工作围绕着微波吸收材料展开，以实现在微波频段内薄层、宽带、强吸收为目标，在羰基铁吸收剂电磁参数调控、超材料吸波带宽扩展两个方向展开研究。 分别使用Ce和ZnO为添加剂，通过高能球磨制备了具有弥散型和包覆型复合粒子，调控了复合粒子介电常数，增强了磁导率。金属Ce具有强还原性，高能球磨提供的能量使其与羰基铁粒子均匀混合，并与羰基铁粒子中的氧化铁杂质发生氧化还原反应，生成CeO2弥散分布于羰基铁粒子内部的Fe/CeO2复合粒子。弥散分布的CeO2阻碍了粒子内部的电子传输，增大了复合粒子电阻率，抑制了涡流效应，使得磁导率增强，Ce含量为1%时磁导率最大，与不含Ce的粒子相比，磁导率提升了10%。Fe/CeO2复合粒子的体积分数为28vol%，吸波材料厚度为1.4mm时，在8-20GHz反射率小于-8dB，最小反射率达到-15dB。六边纤锌矿层型结构的ZnO在球磨过程中黏附在羰基铁粒子表面，形成了Fe/ZnO核壳结构，阻止了羰基铁粒子间的冷焊，高电阻率的ZnO壳层降低了粒子间的涡流效应，起到了降低介电常数，增强磁导率的作用。ZnO含量为10%，球磨10h的Fe/ZnO复合粒子体积分数为15vol%，材料的厚度为1.9mm时获得了在8.5-18GHz小于-8dB的吸波性能，最小反射率为-19dB。 研究了搅磨过程中初始晶粒尺寸及原位表面氧化后处理对片状羰基铁粒子结构和电磁性能的影响。通过搅磨法制备了不同宽厚比的片状羰基铁粒子，并研究了这些粒子在介质基体中的填充性质：粒子宽厚比增加，形状各向异性增加，本征磁导率增加；而宽厚比增加导致粒子比表面积增加，当粒子随机取向分布在介质基体中时，其最大填充率随着宽厚比和比表面积增加而降低，从而导致复合材料有效磁导率降低，因此，比表面积较小且宽厚比适中的片状粒子具有最大的有效磁导率。通过在空气中对片状羰基铁粒子进行热处理的方式，在粒子表面生成了一层Fe3O4/FeOOH的氧化膜，在保持磁导率基本不变的情况下大幅降低了介电损耗。因而，在材料厚度为1.2mm时，获得了在2.5-8GHz小于-6dB，吸收峰值为-11dB的吸波性能。研究了初始晶粒尺寸对湿法搅磨过程中羰基铁粒子内部晶粒结构的演变的影响，实现了对羰基铁粒子晶粒的易磁化方向取向，并研究了晶粒取向的机制及其对电磁性能的影响。初始晶粒尺寸决定晶界和晶粒对搅磨过程中塑性形变的贡献，其中，晶界产生的形变是无定向的，而晶粒的形变则与块体材料类似，在外力作用下沿着易滑移面发生滑移与旋转，产生晶体取向。因而初始晶粒尺寸小于15nm时，不出现晶粒取向；初始晶粒尺寸大于15nm时，初始晶粒尺寸越大，搅磨进程中粒子片状化程度越高，晶粒取向度越大。晶粒取向度为22%的样品与只存在片状粒子取向的样品相比，磁导率实部在0.1-3GHz提升了23%。经表面处理后，在材料厚度为1mm，吸收剂体积分数为40vol%时获得了在2-4GHz小于-8dB,在1-10GHz小于-3dB，峰值为-14dB的吸波性能。 利用超材料吸波理论，通过对材料进行面内结构设计，扩展了其吸波带宽。在相位叠加原理基础上提出了一种相位耦合增强吸波机制，并利用该机制设计出了在垂直于波矢量方向进行相位设计的磁性材料-超材料复合吸波体。当相邻单元的相位差在90?-180?之间时，反射波被抑制。基于此，采用FR4单元与羰基铁磁性吸波单元组成了棋盘状排列的二维阵列吸波体，在材料厚度为2mm时获得了在8-18GHz反射率小于-12dB的吸波性能。相位耦合吸波增强机制在水平方向设计单元的反射相位与强度，突破了传统吸波材料利用1/4波长干涉相消原理设计吸波材料时只能在竖直方向设计的限制。我们首次在金属-介质-金属谐振腔中发现TM210模，研究了TM210模的激发和增强机制，并在叠层金字塔型超材料吸波体的基础上，利用驻波共振的高阶模在面内的叠加扩展了超材料吸波体的吸收带宽。在不增加厚度的条件下，将金字塔型超材料吸波体的带宽拓展了2倍。 本论文所提出的添加剂作用下的高能球磨法、铁纳米晶粒子磁晶易磁化取向法、空气中原位表面氧化法拓展了高磁导率吸收剂的制备方法；所提出的面内相位耦合吸波增强机制与高次模共振拓展吸波带宽机制增加了宽带超材料吸波体的设计方法，对于传统磁性吸波材料设计和基于超材料的宽带吸波结构设计具有指导意义。

目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2传统吸波材料

1.2.1 电损耗型吸波材料

1.2.2 磁损耗型吸波材料

1.3吸波材料的电磁参数特征分析

1.3.1 电磁参数复平面上单频点反射率分析

1.3.2 匹配频率和匹配厚度下宽频反射率分析

1.4磁性金属吸收剂磁导率的增强机制

1.4.1 抑制涡流效应

1.4.2 增强交换耦合与交换共振

1.4.3 抑制内应力

1.4.4 增强磁晶各向异性

1.4.5 增强形状各向异性

1.5超材料吸波体

1.5.1 面内复合扩展超材料吸波带宽

1.5.2 面外复合扩展超材料吸波带宽

1.6本课题的主要内容

第2章羰基铁复合粒子的制备及其电磁性能

2.1引言

2.2实验材料及方法

2.2.1 实验原材料和实验设备

2.2.2 实验方法

2.2.3 测试及分析方法

2.3弥散型Fe/CeO2复合粒子的制备及电磁性能

2.3.1 Fe/CeO2复合粒子的典型结构

2.3.2 Fe/CeO2复合粒子的形成机理

2.3.3 Fe/CeO2复合粒子的静态/准静态电磁性质

2.3.4 Fe/CeO2复合粒子的电磁性能

2.4核壳型Fe/ZnO复合粒子的制备及电磁性能

2.4.1 Fe/ZnO核壳粒子的典型结构

2.4.2 Fe/ZnO核壳粒子的形成机理

2.4.3 Fe/ZnO核壳粒子的电磁性能

2.4.4 Fe/ZnO核壳粒子电磁性能优化

2.5本章小结

第3章 初始晶粒尺寸与表面氧化状态对羰基铁粒子的结构及电磁性能的影响

3.1引言

3.2实验材料及方法

3.2.1 实验原材料和实验设备

3.2.2 热处理制备不同初始晶粒尺寸的羰基铁粒子

3.2.3 搅磨法制备不同宽厚比的片状羰基铁粒子

3.2.4 空气中原位表面氧化法制备羰基铁核壳粒子

3.2.5 粒子取向的片状羰基铁-聚合物复合材料的制备

3.2.6 测试及分析方法

3.3搅磨时间和原位表面氧化后处理对羰基铁粒子的电磁性能的影响

3.3.1 宽厚比对片状羰基铁粒子的最大填充率及电磁参数的影响

3.3.2 不同填充率下片状羰基铁粒子的电磁参数

3.3.3 原位表面氧化对片状羰基铁粒子结构与电磁参数的影响

3.4初始晶粒尺寸对片状羰基铁粒子晶粒取向及电磁性能的影响

3.4.1 热处理温度对羰基铁粒子晶粒尺寸的影响

3.4.2 片状羰基铁粒子的晶粒取向机理研究

3.4.3 晶粒取向对片状羰基铁粒子电磁性能的影响

3.5本章小结

第4章 面内结构设计拓展超材料吸波带宽研究

4.1引言

4.2面内相位耦合微波吸收增强研究

4.2.1 相位耦合机理分析

4.2.2 基于面相位内耦合的磁性吸波材料-超材料复合设计

4.3高次模谐振拓展超材料吸波体吸收带宽研究

4.3.1 典型结构与性能

4.3.2 TM210吸收机理分析

4.3.3 金字塔型宽带吸波体的构建

4.3.4 利用TM210模拓展金字塔型超材料吸收带宽的策略

4.3.5 金字塔型宽带吸波体的特性

4.3.6 混合高次模对金字塔型吸波体带宽的拓宽

4.4本章小结

第5章总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果