基于磁性金属、铁氧体及其纳米复合微米纤维的多层结构设计及微波吸收性能研究

摘要

磁性纤维材料具有形状各向异性、密度小、电磁特性良好等特点，因此作为微波吸收材料受到了广泛的关注。本文采用溶胶-凝胶转化法与热还原法制备了直径在1-4μm、晶粒尺寸为纳米级的Fe0.2(Co0.2Ni0.8)0.8、α-Fe、Ni0.5Zn0.5Fe2O4微米纤维及BaFe12O19/α-Fe复合微米纤维。利用X-射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜SEM、振动样品磁强计(VSM)等测试手段对所制备纤维的物相结构、微观形貌、磁性能进行了表征。采用网络矢量分析仪测试了所制备纤维在2-18GHz频率范围内的电磁参数。并在此基础上设计设计了上述微米纤维的单层和多层结构吸波体，并研究了其吸波性能。
　　结果表明，基于Fe0.2(Co0.2Ni0.8)0.8、α-Fe和Ni0.5Zn0.5Fe2O4微米纤维及BaFe12O19/α-Fe复合微米纤维设计的单层结构吸波体对2-18 GHz频率范围内的电磁波都具有一定吸收效果。在单层结构中，BaFe12O19/α-Fe复合微米纤维的吸波效果最好。这主要得益于其内部高电阻率的BaFe12O19与较高Snoek's极限的α-Fe的复合。在相同厚度条件下，双层微米纤维结构的微波吸收性能要优于单层结构。在双层结构吸波体中，以BaFe12O19/α-Fe复合微米纤维作为匹配层和Fe0.2(Co0.2Ni0.8)0.8微米纤维作为吸收层的吸波性能最好。在匹配层厚度与吸收层厚度分别为0.9mm和1.1mm时，有效吸收频带宽度(反射率小于-20dB)达到5.8GHz(从12.2到18 GHz)，并且在15.2 GHz处的最小反射率达到-61.2 dB。此外，发现，当具有高电阻率的Ni0.5Zn0.5Fe2O4微米纤维或BaFe12O19/α-Fe复合微米纤维用作双层结构中的匹配层时，双层结构吸波体的吸波效果较好。
　　根据以上的研究基础，我们用α-Fe、Fe0.2(Co0.2Ni0.8)0.8、Ni0.5Zn0.5Fe2O4微米纤维或BaFe12O19/α-Fe复合微米纤维设计了三层结构吸波体，与单层和双层结构的吸波体相比，三层结构吸波体在相同厚度条件下同在较宽的频率范围内表现出更强的吸波效果。当以0.4mm厚的Ni0.5Zn0.5Fe2O4微米纤维作匹配层，0.9mm厚的Fe0.2(Co0.2Ni0.8)0.8微米纤维作中间层，0.7mm厚的α-Fe微米纤维作最内层时，三层结构吸波体在较宽的频带范围内具有较强的吸波效果。其中，在7.8GHz到18 GHz频率范围内反射率小于-10 dB，频带宽度达10.2 GHz，在11.1 GHz到15.5GHz频率范围内反射率小于-20 dB，频带宽度为4.4 GHz。研究表明，多层结构吸波体的吸波性能主要受各层所用吸波剂的匹配特性、微波吸收强度和各层厚度的影响。我们设计的具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽的吸波体可以用于军事隐身与民用通信领域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 吸波材料简介

1．2．1 按材料成型工艺和承载能力的分类

1．2．2 按吸波原理分类

1．2．3 按材料对电磁波的耗损机理分类

1．3 新型吸波材料吸波性能研究进展

1．3．1 纳米吸波材料

1．3．2 手性材料

1．3．3 等离子体吸波材料

1．4 微波吸收电磁理论基础

1．4．1 微波的电磁性质

1．4．2 电磁波在有耗介质空间的传播

1．4．3 微波在分界面的垂直入射

1．5 课题选题与方案

1．5．1 研究思路

1．5．2 本论文主要工作

第二章 实验

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 微米纤维制备

2．4 纤维物相结构、形貌、磁性能表征及主要设备

2．4．1 X-射线衍射分析(XRD)

2．4．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．3 振动样品磁强计(VSM)

2．4．4 网络矢量分析仪(Network Analyzer)

2．5 微米纤维微波电磁参数测量

第三章 微米纤维结构、形貌及磁性能表征

3．1 微米纤维的物相结构分析

3．2 微米纤维的微观形貌表征

3．3 微米纤维的磁性能分析

3．4 小结

第四章 微米纤维的电磁特性及其单层结构微波吸收性能研究

4．1 Fe0．2(Co0．2Ni0．8)0．8微米纤维在2-18GHz频率范围内的介电常数和磁导率

4．2 α-Fe微米纤维在2-18GHz频率范围内的介电常数和磁导率

4．3 BaFe12O19／α-Fe复合微米纤维在2-18GHz频率范围内的介电常数和磁导率

4．4 Ni0．5Zn0．5Fe2O4微米纤维在2-18GHz频率范围内的介电常数和磁导率

4．5 单层微米纤维吸波特性

4．6 小结

第五章 基于微米纤维多层结构及微波吸收性能研究

5．1 多层吸波材料反射率的计算

5．2 微米纤维双层吸波材料的吸波性能

5．2．1 基于Fe0．2(Co0．2Ni0．8)0．8微米纤维与BaFe12O19／α-Fe复合微米纤维的双层吸波材料的吸波性能

5．2．2 基于Fe0．2(Co0．2Ni0．8)0．8微米纤维、α-Fe微米纤维及Ni0．5Zn0．5Fe2O4微米纤维的双层吸波材料的吸波性能

5．2．3 基于α-Fe微米纤维与BaFe12O19／α-Fe复合微米纤维的双层吸波材料的吸波性能

5．3 基于微米纤维的三层结构吸波材料的吸波性能

5．3．1 基于Fe0．2(Co0．2Ni0．8)0．8微米纤维、α-Fe微米纤维及Ni0．5Zn0．5Fe2O4微米纤维的三层吸波材料的吸波性能

5．3．2 基于Fe0．2(Co0．2Ni0．8)0．8微米纤维、α-Fe微米纤维及BaFe12O19／α-Fe复合微米纤维的三层吸波材料的吸波性能

5．4 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文