Fe-Co合金分级结构的制备及电磁性能研究

摘要

传统的球形和片状铁磁性金属吸收剂的性能主要来源于受Snoek关系限制的一致铁磁共振，难以满足宽频、轻质微波吸收材料性能的需要。具有分级结构的铁磁金属粒子由于系统交换能和界面的增加，出现额外的非一致交换共振和高的介电极化，有望突破Snoek限制并在较低体积分数下实现微波波段内的宽频磁介电匹配，成为高效吸收剂。本论文的研究思路是:以高饱和磁化强度、高磁导率的Fe-Co合金为研究体系，可控制备了沿易磁化轴生长的由共面贯穿晶体组成的棒状、羽叶状和球表面长片的分级结构，研究了分级结构的形成机理、可控制备的影响因素以及其微观结构与电磁性能之间的关系。主要研究内容和结果如下:
　　 首先，以FeCl2·4H2O和CoSO4·7H2O为原料、柠檬酸钠为络合剂和形状控制剂，首次制备了由共面贯穿晶体组成的棒状Fe3Co7分级结构。通过对其生长影响因素的研究，发现柠檬酸根在三维结构的形成过程中起着关键性作用;[Fe2+]/[Co2+]的比值是调控次级单元形成方块结构的主要因素。其形成机理为:最小表面自由能和最小磁各向异性能的协同作用使Fe-Co合金形核后沿着[111]方向取向生长，进而形成由“共面贯穿”纳米方块组装的棒状分级结构。以FeCl3·6H2O为铁源，制备了羽叶状和球表面长片的Fe-Co合金分级结构。羽叶状分级结构形成机理可以用扩散限制聚集理论解释，即前期纳米晶核在没有柠檬酸根吸附的晶面上定向聚集形成松散的枝状结构，最后经过奥斯特瓦尔德熟化成羽叶状分级结构;球表面生长片的分级结构的形成可能是溶液中过量的OH-离子对不同晶面的择优吸附作用所致。
　　 其次，研究了Fe-Co合金分级结构的电磁性能。研究表明，棒状Fe3Co7分级结构较其它分级结构具有最优的电磁性能:仅在60 wt％下的磁导率就表现出强的非一致交换共振（15和22 GHz），且在1-10 GHz范围内磁导率实部也高于球形Fe3Co7和球形羰基铁(CI)粒子，表现出明显的自然共振。该分级结构具有大比表面积与形状各向异性，因而其介电常数较片状羰基铁(FCI)粒子提高了2.93倍。随着分级结构由棒状、羽叶状分级结构到球表面长片的分级结构的转变，磁导率的非一致交换共振峰逐渐减弱，同时介电常数逐渐降低。通过传输线理论拟合研究分级结构的吸波性能发现，棒状Fe3Co7分级结构是一种高效的吸收剂;在1-35 GHz范围内与CI和FCI相比，其单层吸波材料在60 wt％、厚度0.8 mm时，小于-6 dB的吸收带宽由0 GHz提高到15 GHz。以小于-10 dB的吸波带宽大于20 GHz为目标优化的2mm双层吸波材料，底、面层最佳用量分别由45 v％和11.5 v％下降到18.8 v％和4 v％、面密度降幅达到38％。以棒状Fe3Co7分级结构为面层、FCI为底层优化设计的双层吸波材料，小于-10 dB的吸收带宽由20.5 GHz大幅提高到28 GHz，而面密度下降了11％(4.69 kg/m2)。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 微波吸收材料理论基础

1．2．1 磁损耗机制

1．2．2 Snoek关系与非一致交换共振

1．2．3 阻抗匹配与衰减特性

1．3 分级结构材料概述

1．3．1 分级结构概述

1．3．2 分级结构吸波材料概述

1．4 Fe-Co合金微纳结构研究现状

1．4．1 Fe-Co合金的结构及性质

1．4．2 Fe-Co合金分级结构的制备方法

1．5 本论文主要研究思路和研究内

第2章 Fe-Co合金分级结构的可控制备及生长机理研究

2．1 引言

2．2 实验试剂、实验仪器及测试方法

2．3 棒状Fe3Co7合金分级结构的可控制备

2．3．1 样品的制备

2．3．2 结构表征

2．3．3 反应条件对产物形貌的影响

2．3．4 棒状Fe3Co7合金分级结构的形成机理

2．4 羽叶状Fe-Co合金分级结构的控制制备

2．4．1 样品的制备

2．4．2 样品的结构表征

2．4．3 反应条件对产物形貌的影响

2．4．4 羽叶状Fe-Co分级结构形成机理

2．5 球表面长片的Fe-Co合金分级结构的控制制备

2．5．1 样品的制备

2．5．2 样品的结构表征

2．5．3 反应条件对产物形貌的影响

2．5．4 球表面长片的Fe-Co合金粒子的形成机理

2．6 本章小结

第3章 Fe-Co合金分级结构的电磁性能研究

3．1 引言

3．2 测试方法

3．3 样品的制备

3．3．1 静磁性能样品制备

3．3．2 微波电磁性能样品制备

3．4 静磁性能

3．4．1 不同合金组分的Fe-Co合金材料静磁性能

3．4．2 羽叶状Fe-Co合金分级结构的静磁性能

3．4．3 球表面长片Fe-Co合金的静磁性能

3．5 微波电磁性能

3．5．1 棒状Fe3Co7分级结构的微波电磁性能

3．5．2 羽叶状Fe-Co分级结构的微波电磁性能

3．5．3 球表面长片的Fe-Co分级结构的微波电磁性能

3．6 本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢