合肥金星智控科技股份有限公司
宣傳

位置:中冶有色 >

有色技術頻道 >

> 復合材料技術

> FeCo/SnO2 復合納米纖維的制備及其吸波性能

FeCo/SnO2 復合納米纖維的制備及其吸波性能

775   編輯:中冶有色技術網   來源:張開銀,王秋玲,向軍  
2024-04-16 16:46:10
微波通訊和高頻電子設備的應用,產生了嚴重的電磁干擾和輻射污染 吸波材料,通過多種損耗機制可將電磁能轉化成熱量或其他形式的能量 高性能吸波材料,是材料科學和物理學的一個研究熱點 [1~4] 理論和實驗表明,高吸波性能吸波材料必須同時具有良好的阻抗匹配和較強的電磁損耗能力,前者使盡可能多的入射電磁波進入吸波涂層內部,后者則使進入材料內部的電磁波在有限的涂層厚度內完全衰減吸收 決定吸波材料阻抗匹配程度和衰減能力的是其電磁參數,包括相對復磁導率和復介電常數 電磁參數,受材料的組成、尺寸、形貌及微觀結構的影響 單一組分吸波材料,難以同時具有良好的阻抗匹配和較強的電磁衰減性能 通過可調組成和異質界面可設計由不同電磁特性組元構成的復合吸波材料,如介電/介電、介電/磁性、磁性/磁性等體系 調控電磁參數,可同時平衡材料的阻抗匹配和電磁能量轉換能力,使其具有強吸收、寬頻帶和低厚度等性能[5~7] 磁性與介電材料相結合,克使復合材料兼具高磁損耗和介電損耗,產生磁/介電損耗協同效應而使其具有更好的阻抗匹配和綜合吸波效果

吸波材料的微觀形態和顆粒尺寸,對材料的介電和磁性能有顯著影響,從而影響其電磁特性和吸波性能 一維納米結構材料,如納米纖維和納米管等,其較高的形狀各向異性使其具有比各向同性粉體更高的磁損耗或介電損耗能力,較大的長徑比使較低的填充量即可構成三維網絡結構,有利于微流、多重反射和散射等方式消耗更多的電磁能[8] FeCo合金具有較高的飽和磁化強度,是一種性能優良的磁性微波吸收劑[9,10] 用FeCo合金與介電材料制備的納米復合吸波材料備受關注 Liu等[11]合成FeCo/C復合材料,研究了Fe/Co比例對其吸波性能的影響,發現Fe/Co比例為1:1的樣品厚度為2.0 mm時的最小反射損耗達到-32.9 dB,有效吸收帶寬為3.3 GHz(8.8~12.1 GHz);Zhou等[12]報道了多孔FeCo/ZnO納米片的吸波性能,填充量為5 vol%、涂層厚度為2.3 mm時的最小反射損耗為-21.99 dB,具有7.92 GHz (10.08~18.00 GHz)的有效吸收帶寬 現有基于FeCo合金的納米復合吸波材料主要集中在與各種碳質材料,如多孔碳、碳納米管、碳納米纖維或石墨烯等的復合,與介電氧化物材料的復合主要有零維和二維結構 關于一維FeCo/介電氧化物復合納米結構的電磁及吸波性能的研究,鮮有報道[13~15]

二氧化錫(SnO2)是一種寬禁帶n型半導體材料,具有獨特的物理化學性能 SnO2還具有良好的介電性能和頻響特性,不同結構和形貌的SnO2及其復合材料均具有較好的吸波性能[16] 本文設計FeCo/SnO2復合納米纖維吸波材料,研究SnO2的含量對其結構、形貌、靜磁以及微波電磁性能的影響

1 實驗方法1.1 樣品制備

按照各目標產物的化學計量比,稱取共計2 g的Co(CH3COO)2·4H2O、Fe(NO3)3·9H2O和SnCl4·5H2O (SnO2摩爾含量為0%時Co(CH3COO)2·4H2O:Fe(NO3)3·9H2O=1:2(摩爾比,下同);20%時Co(CH3COO)2·4H2O:Fe(NO3)3·9H2O:SnCl4·5H2O=4:8:1;40%時Co(CH3COO)2·4H2O:Fe(NO3)3·9H2O:SnCl4·5H2O=3:6:2),將其先溶于10.1 mL的無水乙醇和8.5 mL的N, N-二甲基甲酰胺組成的混合溶劑中,金屬鹽完全溶解后再加入2 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)并在室溫下繼續磁力攪拌約10 h,生成質量分數均為10%的PVP和金屬鹽紡絲溶液

將紡絲溶液倒入帶不銹鋼針頭的塑料注射器中,用自制靜電紡絲裝置在電壓為20 kV、針尖與接收板間距離為20 cm、溶液推進速度為0.3 mL·h–1的條件下電紡出PVP/金屬鹽前驅體纖維 將制備出的前驅體纖維收集并干燥后先在(空氣中)700℃焙燒4 h(升溫速率為3℃·min–1),最后在450℃氫氣氣氛中于還原1 h,制備出SnO2摩爾含量分別為0%、20%和40%的FeCo/SnO2復合納米纖維,分別記為FCSO0、FCSO1和FCSO2

1.2 性能表征

用XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)分析樣品的晶體結構和相組成,X射線源為Cu Kα線(λ=0.1542 nm),管電壓為40 kV,管電流為30 mA,掃描范圍為20°~70°,掃描速率為5°·min–1,步長為0.02° 用JSM-7001F場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察纖維材料的微觀形貌,工作電壓為10 kV 用HH-20型振動樣品磁強計測量樣品的室溫磁滯回線,施加的外磁場為1.2×105 A/m 將按質量比1:1制備的FeCo/SnO2復合納米纖維與道康寧Sylgard 184硅橡膠均勻混合,填入專用模具后將其在120℃固化2 h,形成外徑為7.00 mm、內徑為3.04 mm、高為2.00 mm的同軸環形試樣 基于同軸傳輸/反射法用E5071C矢量網絡分析儀測試其復介電常數(εr=ε'+jε″)和復磁導率(μr=μ'+jμ″),頻率范圍為2.00~18.00 GHz

2 結果和討論

圖1給出了FeCo/SnO2復合納米纖維的XRD 譜 在FCSO0樣品的衍射譜中2θ等于44.6°和65.1°附近出現兩個較強的衍射峰,其位置和相對強度與體心立方結構(bcc)FeCo合金的XRD標準卡片(PDF No.48-1816)記錄結果匹配,分別對應(110)和(200)晶面,表明該樣品為結晶較好的多晶FeCo合金納米纖維 而在FCSO1和FCSO2的衍射譜中,除了包含bcc項FeCo合金的衍射峰之外其余的衍射峰與金紅石相SnO2 (JCPDS No.41-1445)完全吻合,表明這兩個纖維樣品由FeCo合金和SnO2兩相構成,而且隨著SnO2含量的提高其衍射峰的強度隨之提高,而FeCo合金相的衍射峰強度則有所降低 基于所測的XRD數據,用Scherrer公式[15]可估算得出三種材料中FeCo合金的晶粒尺寸約為30 nm,表明SnO2的引入沒有對FeCo合金晶粒的生長產生不利影響

圖1



圖1FeCo/SnO2納米復合纖維的XRD譜

Fig.1XRD patterns of the prepared FeCo/SnO2 composite nanofibers

進一步的掃描電鏡表征結果表明,SnO2的引入有利于納米纖維的生成 圖2給出了三個纖維樣品的FESEM照片 可以看出,所有纖維樣品的長徑比都比較高,純FeCo納米纖維FCSO0呈鏈狀結構,由粒徑較大的多晶FeCo合金納米顆粒沿纖維長軸方向聚集構成,纖維的平均直徑約為120 nm 隨著SnO2的引入纖維的直徑逐漸減小,復合納米纖維FCSO1和FCSO2的平均直徑分別約為100和70 nm,同時其表面粗糙程度明顯降低,反映出復合納米纖維中FeCo單晶組成的團粒尺寸大幅度減小 其原因是,在熱處理過程中形成的SnO2納米晶粒分散在FeCo合金納米晶粒及其前驅物之間,產生的空間限域效應阻止了FeCo合金納米晶粒的團聚和互相融合 隨著SnO2含量的提高這樣的抑制更加明顯,使構成復合納米纖維的FeCo合金顆粒粒徑逐漸減小、纖維表面也變得較為平滑

圖2



圖2FCSO0、FCSO1和FCSO2的FESEM照片

Fig.2FESEM images of FCSO0 (a), FCSO1 (b), and FCSO2 (c)

介電氧化物SnO2的引入除了有利于改善納米纖維的形貌,對復合材料的磁性也有一定的影響 圖3給出了三個纖維樣品的室溫磁滯回線 可以看出,三個樣品都具有典型的鐵磁特征:磁滯明顯、矯頑力較大 但是,非磁性SnO2的引入使復合體系的比飽和磁化強度(Ms)逐漸降低 FCSO0、FCSO1和FCSO2在1200 A/m時的Ms值分別為163.4、132.8和93.1 Am2/kg,而與之相反,矯頑力(Hc)卻顯著增大,其值分別約為55.3、82.0和93.0 kA/m 矯頑力不僅與磁性材料的顆粒大小有關,還與顆粒間的相互作用有關 矯頑力隨著SnO2含量的提高而單調增大的原因:一是復合納米纖維中磁性相的非連續分布,即磁性FeCo納米顆粒被非磁性介電SnO2納米顆粒隔開,降低了磁性納米顆粒間的交換耦合作用并釘扎磁化反轉;二是FeCo納米纖維直徑的減小使表面各向異性增強,從而使磁各向異性場及矯頑力增大 與FeCo合金體材的矯頑力相比,本文制備的純FeCo納米纖維和FeCo/SnO2復合納米纖維的矯頑力均顯著提高,這可能是納米磁性材料的小尺寸效應所致 較高的矯頑力意味著較高的自然共振頻率,有助于提高材料對高頻電磁波的吸收

圖3



圖3FeCo/SnO2納米復合纖維的室溫磁滯回線

Fig.3Room-temperature magnetic hysteresis loops of the FeCo/SnO2 composite nanofibers

為了研究SnO2含量對納米纖維樣品電磁和吸波性能的影響,圖4給出了三個樣品在2.00~18.00 GHz頻率范圍內的復介電常數、復磁導率和電/磁損耗角正切 復介電常數(εr=ε'+jε″)和復磁導率(μr=μ'+jμ″)的實部ε′和μ′分別反映了材料對電能與磁能的存儲能力,而虛部ε″與μ″則分別表征材料對電能和磁能的損耗能力[16] 由圖4a可見,隨著纖維中SnO2含量的提高ε′和ε″均有不同程度的減小,反映出復合納米纖維整體的介電損耗能力降低 其原因是SnO2的介電常數比FeCo合金的介電常數小,半導體性質SnO2的引入也降低了復合納米纖維的導電能力,根據自由電子理論(ε″=σ/2πε0 f )復介電常數和介電損耗都隨之下降 雖然FCSO0樣品在大多數頻率范圍內具有更高的介電損耗角正切值(tanδe=ε″/ε′),但是FeCo/SnO2界面極化和SnO2偶極子極化的共同作用反而增大了極化損耗,從而使樣品FCSO1和FCSO2在部分頻段的介電損耗能力略高于FCSO0(圖4b) 同時,隨著頻率的提高FCSO0、FCSO1和FCSO2的ε′值基本上不變,分別為27.7~28.6、18.6~19.4和15.2~15.7,它們的ε″和tan δe值的變化趨勢相似,即隨頻率的提高而增大,損耗也逐漸增大 特別是FCSO1和FCSO2兩個樣品的ε″與tanδe曲線出現了明顯的起伏,其原因可能是FeCo/SnO2界面極化和SnO2偶極子極化的馳豫

圖4



圖4FeCo/SnO2納米復合纖維的復介電常數、介電損耗正切、復磁導率和磁損耗正切的頻率依賴性

Fig.4Frequency dependence of the complex permittivity (a), dielectric loss tangent (b), complex permeability (c) and magnetic loss tangent (d) for the FeCo/SnO2 composite nanofibers

在微波頻段,介電損耗的主要機制是極化損耗和電導損耗,且兩者之間存在著協同競爭關系 可用德拜馳豫理論分析吸波材料與電磁波相互作用產生的極化馳豫 根據德拜理論,ε′和ε″可表示為[19]

ε'=ε∞+εs-ε∞1+ω2τ2

(1)

ε″=ωτεs-ε∞1+ω2τ2

(2)

式中ω、τ、εs和ε∞分別為角頻率、極化馳豫時間、靜態介電常數和光頻介電常數 聯立(1)和(2)式可得ε′與ε″的關系

ε'-εs+ε∞22+ε″2=εs-ε∞22

(3)

這表明,ε″-ε′曲線在理論上應該是一個半圓,通常稱為Cole-Cole半圓 不同的德拜偶極馳豫過程其靜態介電常數和光頻介電常數不同,因此對應不同的Cole-Cole半圓 圖5a~b分別給出了FCSO0、FCSO1和FCSO2的Cole-Cole圖 在FCSO0的ε″-ε′曲線上出現一個扭曲的半圓弧,而在FCSO1和FCSO2的ε″-ε′曲線上都出現了多個扭曲的半圓弧,表明復合納米纖維中存在多重極化損耗機制 這些多重極化馳豫過程主要來自電偶極極化和界面極化,如FeCo合金納米粒子表面大量的懸掛鍵在交流電場作用下產生偶極取向極化,在ε″與tan δe曲線的高頻區域(15.5 GHz附近)產生一個介電共振及損耗峰 同樣地,在SnO2納米粒子的表面也有大量的不飽和鍵,其內部晶格中還可能有本征缺陷,包括氧空位、錫空位、氧填隙以及錫填隙 這些晶體缺陷都能形成偶極子并產生偶極取向極化,對應中頻區(9.5~13.8 GHz)的介電共振及損耗峰 同時,FeCo合金與SnO2納米粒子因電導率的不同能形成類電容結構的異質界面,這些微電容結構在與電磁場的相互作用過程中將導致空間電荷的積累和重排,從而產生界面極化,其結果是在低頻段(約5.5~9.5 GHz)產生介電共振及損耗峰 雖然SnO2的引入降低了復合納米纖維的電導損耗,但是異質界面和晶格缺陷的出現以及FeCo合金粒徑的減小反而增強了極化損耗,增大了極化損耗對介電損耗的貢獻 上述極化損耗的協同作用有利于增強微波吸收和拓寬吸收頻帶

圖5



圖5FCSO0、FCSO1和FCSO2的Cole-Cole曲線及其μ″(μ' )–2f–1值

Fig.5Cole-Cole curves of FCSO0 (a), FCSO1 (b) and FCSO2 (c); (d) μ″(μ' )–2f–1 values of the FeCo/SnO2 composite nanofibers

與復介電常數的變化不同,復磁導率實部μ′在整個測量頻率范圍內隨著SnO2含量的提高而單調降低,虛部μ″的最大值也相應逐漸減小,如圖4c所示 這與樣品的比飽和磁化強度隨SnO2含量的變化一致 式μ=4πMs / Ha(Ha為磁各向異性場)表明,較低的Ms或較高的Ha導致較小的磁導率和磁損耗 在FCSO0、FCSO1和FCSO2的μ″曲線上均可觀察到兩個磁共振峰,分別在4.50和12.14 GHz、8.57和13.33 GHz以及9.67和14.52 GHz附近 另外,從圖4d可見三個樣品的磁損耗角正切(tanδm=μ″/μ′)分別與其μ″值的變化相似,在對應共振峰的位置也出現了較明顯的磁損耗峰 在GHz頻段,磁損耗主要包括自然共振、交換共振和渦流損耗 如果磁損耗僅來自于渦流效應,μ″(μ′)-2f -1值在整個測量頻率范圍內將是一個常數[20] 但是圖5d表明,所有樣品的μ″(μ′)-2f-1值都隨著頻率的變化發生顯著變化 這意味著,渦流損耗不是主要的磁損耗機制,自然共振和交換共振在磁損耗中起著主導作用 針對磁共振,可通過下式估算共振峰的頻率(fr) [21]

πfr=γ02π(Ha+cμkn2R2Ms)

(4)

式中γ0、c、μkn和R分別為旋磁比、交換常數、球形貝塞爾函數的根和磁性粒子的半徑,右邊第一和第二項分別對應自然共振和交換共振的頻率 從 公式(4)可見,自然共振頻率正比于磁各向異性場Ha,而磁各向異性包括磁晶各向異性、形狀各向異性和表面各向異性等 傳統磁性塊材的自然共振發生在MHz范圍,但是隨著顆粒尺寸降低到納米尺度,小尺寸效應使其表面各向異性比塊材提高了幾個數量級,使自然共振頻率移向GHz范圍 磁各向異性決定了矯頑力 隨著SnO2的引入和含量的提高,FeCo/SnO2復合納米纖維的Hc增大即Ha也相應增強,從而使自然共振頻率按FCSO0<FCSO1<FCSO2的順序逐漸提高 另根據 式(4),交換共振頻率反比于飽和磁化強度(Ms)和顆粒尺寸的平方(R2),且其變化主要與R有關 SnO2的添加使Ms和R都減小,因此交換共振頻率也按FCSO0<FCSO1<FCSO2的順序增大 根據Aharoni理論和先前的研究報道,自然共振頻率低于交換共振頻率,因此這三個樣品在低頻區域的共振峰(4.50、8.57和9.67 GHz)可能歸因于自然共振,而在高頻段的共振峰(12.14、13.33和14.52 GHz)則是交換共振所致[22] 磁共振與FeCo/SnO2界面極化馳豫和SnO2偶極極化馳豫的互補,有望使FeCo/SnO2復合納米纖維表現出更好的微波吸收性能 比較tanδm和tanδe曲線可見,在2.00~18.00 GHz頻率范圍內,三個樣品的tanδm值都大于相應的tanδe值,表明盡管它們有一定的介電損耗能力,但對電磁波衰減和吸收的主要貢獻是磁損耗

根據傳輸線理論,可以用反射損耗(RL)值對材料的吸波性能進行量化分析[23]:

πZin=Z0μr/εr1/2tanhj2πfd/cμrεr1/2

(5)

RL=20lg(Zin-Z0)/(Zin+Z0)

(6)

其中Z0為空氣的阻抗,Zin為吸波體的輸入阻抗,f為電磁波的頻率,d為吸波體的厚度,c為真空中的光速 RL值等于-10 dB對應90%的微波吸收,此值常作為確定吸波材料是否具有實際應用價值的一個判據:RL值低于-10 dB的頻率范圍通常定義為有效吸收帶寬(EAB) 根據 式(5)和(6),用測出的電磁參數計算出FCSO0、FCSO1和FCSO2在厚度為1.0~3.0 mm條件下的反射損耗曲線,結果如圖6所示 對于FCSO0純FeCo納米纖維樣品(圖6a),匹配厚度為1.2 mm,最小RL值位于9.84 GHz處達到-26.7 dB,相應EAB為1.81 GHz(9.07~10.88 GHz),當其厚度為1.0 mm時可得到最大EAB為2.42 GHz(10.56~12.98 GHz) 當與摩爾含量為20%的SnO2復合后,吸波能力顯著加強(圖6b),FCSO1樣品的厚度為1.4 mm時在10.95 GHz取得最小RL值-40.2 dB,對應EAB為2.64 GH(9.75~12.39 GHz);厚度間小為1.0 mm時最大EAB達到4.16 GHz,頻率范圍為13.84~18.00 GHz;當厚度在1.0~3.0 mm之間調控時RL≤-10 dB的吸收帶覆蓋6.50~18.00 GHz的頻率區間,基本上包含了近一半的C波段以及整個X和Ku波段 但是,引入過多的SnO2使介電損耗和磁損耗在高頻區產生一定程度的降低,使相應復合納米纖維的吸波效果減弱 圖6c表明,厚度為2.1 mm的FCSO2樣品在8.48 GHz處得到僅-19.8 dB的最小反射損耗,且EAB為1.62 GHz(7.71~9.33 GHz);厚度為1.5 mm時,EAB擴展到2.51 GHz(10.74~13.25 GHz) 上述結果表明,在FeCo納米纖維中摻入適量的SnO2可提高吸收強度和擴大吸收帶寬,從而提高材料的綜合吸波性能 同時,由圖6a~c可見,隨著樣品厚度的增大所有樣品的吸收峰都向低頻方向移動,而且每個樣品的涂層厚度(d)與吸收峰頻率(fm)之間很好地滿足公式d=c/(4fmεrμr)(見圖6d~f) 這意味著,在介電損耗和磁損耗之外,吸波涂層上下表面反射波的干涉相消也是一個重要的吸波機制[24] 表1列出了最近文獻報道的一些鐵磁金屬/介電氧化物復合吸波材料的性能 與其相比,SnO2填充量較低的FCSO1表現出了相當或更好的綜合吸波性能 這表明,優化組成的FeCo/SnO2復合納米纖維是一種有前景的新型微波吸收劑

圖6



圖6FCSO0、FCSO1和FCSO2的RL曲線以及λ/4條件下厚度與RL峰值頻率的關系

Fig.6RL curves and relationships between the matching thickness and RL peak frequency under λ/4 condition for FCSO0 (a, d), FCSO1 (b, e) and (c, f) FCSO2

Table 1

表1

表1部分鐵磁金屬/介電氧化物復合材料的吸波性能

Table 1Absorption properties of some ferromagnetic metal/dielectric oxide composites

Sample Loading /%, mass fraction RLmin (dB)/ Thickness (mm) EABmax (GHz)/Thickness (mm) Ref.
FeCo@SnO2 nanosheets 70 -49.1 / 1.75 11.7 / 1.75 25
Flower-like ZnO@Ni 60 -48.0/2.0 5.3/1.5 26
Co@SiO2 75 -15.0/2.89 4.5 / 2.89 27
Fe/ZnO 50 -48.28 / 1.59 5.1 / 1.9 28
Ni@SnO2 50 -50.2 / 1.5 4.8 / 1.7 29
FeCo@TiO2@Fe3O4 70 -35.4 / 2.5 3.0 / 2.5 30
FCSO1 50 -40.2 / 1.4 4.16 / 1.0 This work


理論和實驗結果表明,阻抗匹配和電磁衰減能力是電磁參數影響材料吸波性能的兩個關鍵因素,可分別用阻抗匹配率Zr(Zr=εr/μr)和衰減常數α表征,其中衰減常數為 [31]

πα=2πfc×μ″ε″-μ'ε'+μ″ε″-μ'ε'2+μ'ε″+μ″ε'2

(7)

此式表明,更大的ε″和μ″值能產生更大的α值即更強的電磁衰減能力,有利于進入材料內電磁波的衰減 μr越接近于εr時Zr就越接近于1,就會使更多的入射電磁波進入吸波體內 圖7a和b分別給出了FCSO0、FCSO1和FCSO2在2~18 GHz的α和Zr值 可以看出,隨著SnO2含量的提高α值在幾乎整個測量頻率區間內呈下降趨勢,即電磁衰減能力減弱,而Zr值的變化則相反,呈增大趨勢,即阻抗匹配度逐漸提高 在這三個樣品中,雖然FCSO0的電磁衰減能力最強,但是其阻抗匹配最差,而FCSO2的阻抗匹配性能最好,但是電磁衰減能力卻最弱,結果它們的吸波性能都相對較差 這表明,FCSO1的吸波性能最高的原因是阻抗匹配和電磁衰減能力更好的平衡 即較好的阻抗匹配結合足夠強的衰減能力,使其具有更大的有效吸收帶寬和更高的吸波強度

圖7



圖7FeCo/SnO2復合納米纖維的衰減常數和阻抗匹配率

Fig.7Attenuation constants (a) and impedance matching rations (b) of the FeCo/SnO2 composite nanofibers

基于以上分析,FeCo/SnO2復合納米纖維的吸波機理可概括為:(1)FeCo合金納米顆粒的自然共振和交換共振引起的磁損耗;(2)介電損耗包括納米纖維形成的3D導電網絡產生的電導損耗、聚集于FeCo/SnO2界面的空間電荷產生的界面極化和源自SnO2本征缺陷以及納米粒子表面缺陷的偶極極化等;(3)3D網絡結構有利于加強入射電磁波與吸波材料的相互作用,產生多重反射和散射等延長電磁波的傳播路徑,耗散了更多的電磁波能 電磁損耗機制的協同/互補以及良好的阻抗匹配,使厚度較小的FeCo/SnO2復合納米纖維產生出高效寬頻的吸波效果

3 結論

采用靜電紡絲和兩步熱處理制備的FeCo/SnO2復合納米纖維,其FeCo/SnO2的摩爾比對其電磁特性和吸波性能有顯著的影響,適量的SnO2能顯著提高其吸收強度和增大有效吸收帶寬 SnO2含量為20%(原子分數)的FCSO1復合納米纖維具有最好的綜合吸波性能 厚度為1.4 mm的FeCo/SnO2復合納米纖維,其最小RL值達到-40.2 dB,厚度為1.0 mm時的最大有效吸收帶寬為4.16 GHz (13.84~18.00 GHz) 在1.0~3.0 mm調控材料厚度可使其有效吸收覆蓋近一半的C波段以及整個X和Ku波段 FeCo/SnO2復合納米纖維的優異吸波性能,可歸因于電磁阻抗匹配與衰減能力的最佳平衡

參考文獻

View Option 原文順序文獻年度倒序文中引用次數倒序被引期刊影響因子

[1]

Green M, Chen X.

Recent progress of nanomaterials for microwave absorption

[J]. J. Materiomics. 2019, 5: 503

DOI [本文引用: 1] " />

An economic and green approach for the controllable synthesis of porous functionalized graphene materials as microwave absorbers was proposed in this paper. POROUS RGO@Ni nanocomposites were synthesized by a simple one-pot method based on solvothermal treatment of Ni(acac)2 and graphene oxide without adding additional reducing agents. The structure and morphology of the as-prepared hybrid materials were characterized by XRD, Raman spectroscopy, XPS, VSM, SEM and TEM. The results show that uniform Ni spheres of about 900 nm in diameter homogeneously distributed on graphene sheets and form a porous structure. The electromagnetic data demonstrated that RGO@Ni nanocomposites exhibited significantly excellent electromagnetic wave (EMW) absorption properties, probably originating from the unique 3D porous structure and synergistic effect. The minimum reflection loss (RLmin) and maximum effective absorption bandwidth (EAB) of RGO@Ni nanocomposites are -61.2 dB and 6.6 GHz, respectively.

劉佳良, 陳 平, 徐東衛 等.

磁性多孔RGO@Ni復合材料的制備和吸波性能

[J]. 材料研究學報, 2020, 34(9): 641

DOI [本文引用: 1]

以氧化石墨烯和乙酰丙酮鎳為原料,用溶劑熱法合成了三維多孔RGO@Ni納米復合材料 采用X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)表征了材料的晶體結構和組成,根據拉曼譜分析了材料內部的石墨化程度和結構缺陷,用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察了材料的形貌和微觀結構 結果表明,當RGO@Ni納米復合材料的填充量(質量分數)為25%時在最小反射損耗(RL<sub>min</sub>)和最大有效吸收帶寬(EAB)方面顯示出優異的EMW吸收性能;厚度為2.2 mm的RGO@Ni納米復合材料其RL<sub>min</sub>為-61.2 dB,而在2.5 mm匹配厚度下覆蓋的EAB范圍最廣,為6.6 GHz(10.5~17.1 GHz) 這種復合材料優異的微波吸收性能,歸因于協同效應的增強和特殊的多孔結構

[5]

Chen Z W, Fan X M, Huang X X, et al.

Research progress and prospestion on high-temperature wave-absorbing ceramic materials

[J]. Adv. Ceram., 2020, 41(1-2): 1

[本文引用: 1]

陳政偉, 范曉孟, 黃小蕭 等.

高溫吸波陶瓷材料研究進展

[J]. 現代技術陶瓷, 2020, 41(1-2): 1

[本文引用: 1]

[6]

Xiang J, Li J L, Zhang X H, et al.

Magnetic carbon nanofibers containing uniformly dispersed Fe/Co/Ni nanoparticles as stable and high-performance electromagnetic wave absorbers

[J]. J.Mater.Chem.A., 2014, 2: 16905

[7]

Quan B, Liang X H, Xu G Y, et al.

A permittivity regulating strategy to achieve high-performance electromagnetic wave absorbers with compatibility of impedance matching and energy conservation

[J]. New J. Chem., 2017, 41: 1259

DOIURL [本文引用: 1]

[8]

Zhu X Y, Qiu H F, Chen P.

Preparation and electromagnetic wave absorbing properties of composites of cobalt coated graphitic carbon nitride Co@CNTs

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2021, 35(11): 811

DOI [本文引用: 1] " />

以石墨相氮化碳(g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)和六水合硝酸鈷為原料制備Co@CNT復合電磁波吸收劑,調節Co元素含量以提高其電磁波吸收性能 采用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和透射電鏡(TEM)等手段表征其微結構和物相組成,使用矢量網絡分析儀測量復合物電磁參數并進行Matlab模擬得到反射損耗圖 結果表明,Co@CNT-1與石蠟質量比為1:3的材料,其吸波性能最優,厚度為4.1 mm時對電磁波的吸收最強,最小反射損耗(RL<sub>min</sub>)為-45.5 dB;厚度僅為1.5 mm的材料,有效吸收帶寬(RL&lt;-10 dB)最大為4.42 GHz

[9]

Chu H R, Chen P, Yu Q, et al.

Preparation and microwave absorption properties of FeCo/Graphene

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2018, 32(3): 161

DOI [本文引用: 1] " />

用共沉淀和高溫退火相結合的方法制備了晶態FeCo/石墨烯吸波粒子,使用XRD、FESEM和TEM等手段對其晶體結構和微觀形貌進行了表征 結果表明,向石蠟中添加不同質量的FeCo/石墨烯吸波粒子可制備不同含量吸波粒子的復合材料 使用微波矢量網絡分析儀對不同含量吸波粒子的復合材料的電磁參數的測試和不同厚度吸波性能的模擬結果表明,吸波粒子含量為50%的材料,其吸波性能最優;厚度僅為1.6 mm的材料,有效吸收帶寬為5.0 GHz(12.3~17.3 GHz) 吸波粒子優異的吸波性能,源于介電損耗和磁損耗的協同作用以及合適的阻抗匹配率和衰減常數

[10]

Wang Y, Gao X, Lin C H, et al.

Metal organic frameworks-derived Fe-Co nanoporous carbon/graphene composite as a high-performance electromagnetic wave absorber

[J]. J. Alloy. Comp., 2019, 785: 765

DOIURL [本文引用: 1]

[11]

Liu D W, Qiang R, Du Y C, et al.

Prussian blue analogues derived magnetic FeCo alloy/carbon composites with tunable chemical composition and enhanced microwave absorption

[J]. J. Colloid. Interf. Sci., 2018, 514: 10

DOIPMID [本文引用: 1] class="outline_tb" " />

Microwave absorbing materials have received considerable interest over the years for their applications in stealth, communications, and information processing technologies. These materials often require functionalization at the nanoscale so to achieve desirable dielectric and magnetic properties which induce interaction with incident electromagnetic radiation. This article presents a comprehensive review on the recent research progress of nanomaterials for microwave absorption, including the basic mechanism of microwave absorption (e.g., dielectric loss, magnetic loss, dielectric/magnetic loss coupling), measurement principle (e.g., fundamentals of analysis, performance evaluation, common interaction pathways: Debye relaxation, Eddy current loss, natural resonance, size and shape factors), and the advances and performance review in microwave absorption (e.g., absorption bandwidth, reflection loss values, absorption peak position) using various nanomaterials, such as carbon nanotubes, carbon fibers, graphenes, oxides, sulfides, phosphides, carbides, polymers and metal organic frameworks. Overall, this article not only provides an introduction on the fundamentals of microwave absorption research, but also presents a timely update on the research progress of the microwave absorption performance of various nanomaterials. (C) 2019 The Chinese Ceramic Society. Production and hosting by Elsevier B.V.

[2]

Kong J, Gao H, Li Y, et al.

Research progress of electromagnetic shielding mechanism and lightweight and broadband wave-absorbing materials

[J]. Mater. Rep., 2020, 34(5): 09055

孔 靜, 高 鴻, 李 巖 等.

電磁屏蔽機理及輕質寬頻吸波材料的研究進展

[J]. 材料導報, 2020, 34(5): 09055

[3]

Lv T, Zhang C W, Liu J, et al.

Research progress in metamaterial absorber

[J]. Acta. Mater. Compos. Sin., 2021, 38(1): 25

呂 通, 張辰威, 劉 甲 等.

吸波材料研究進展

[J]. 復合材料學報, 2021, 38(1): 25

[4]

Liu J L, Chen P, Xu D W, et al.

Preparation and microwave absorption properties of magnetic porous RGO@Ni composites

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2020, 34(9): 641

" />

以氧化石墨烯和乙酰丙酮鎳為原料,用溶劑熱法合成了三維多孔RGO@Ni納米復合材料 采用X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)表征了材料的晶體結構和組成,根據拉曼譜分析了材料內部的石墨化程度和結構缺陷,用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察了材料的形貌和微觀結構 結果表明,當RGO@Ni納米復合材料的填充量(質量分數)為25%時在最小反射損耗(RL<sub>min</sub>)和最大有效吸收帶寬(EAB)方面顯示出優異的EMW吸收性能;厚度為2.2 mm的RGO@Ni納米復合材料其RL<sub>min</sub>為-61.2 dB,而在2.5 mm匹配厚度下覆蓋的EAB范圍最廣,為6.6 GHz(10.5~17.1 GHz) 這種復合材料優異的微波吸收性能,歸因于協同效應的增強和特殊的多孔結構

[5]

Chen Z W, Fan X M, Huang X X, et al.

Research progress and prospestion on high-temperature wave-absorbing ceramic materials

[J]. Adv. Ceram., 2020, 41(1-2): 1

陳政偉, 范曉孟, 黃小蕭 等.

高溫吸波陶瓷材料研究進展

[J]. 現代技術陶瓷, 2020, 41(1-2): 1

[6]

Xiang J, Li J L, Zhang X H, et al.

Magnetic carbon nanofibers containing uniformly dispersed Fe/Co/Ni nanoparticles as stable and high-performance electromagnetic wave absorbers

[J]. J.Mater.Chem.A., 2014, 2: 16905

[7]

Quan B, Liang X H, Xu G Y, et al.

A permittivity regulating strategy to achieve high-performance electromagnetic wave absorbers with compatibility of impedance matching and energy conservation

[J]. New J. Chem., 2017, 41: 1259

[8]

Zhu X Y, Qiu H F, Chen P.

Preparation and electromagnetic wave absorbing properties of composites of cobalt coated graphitic carbon nitride Co@CNTs

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2021, 35(11): 811

" />

以石墨相氮化碳(g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)和六水合硝酸鈷為原料制備Co@CNT復合電磁波吸收劑,調節Co元素含量以提高其電磁波吸收性能 采用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和透射電鏡(TEM)等手段表征其微結構和物相組成,使用矢量網絡分析儀測量復合物電磁參數并進行Matlab模擬得到反射損耗圖 結果表明,Co@CNT-1與石蠟質量比為1:3的材料,其吸波性能最優,厚度為4.1 mm時對電磁波的吸收最強,最小反射損耗(RL<sub>min</sub>)為-45.5 dB;厚度僅為1.5 mm的材料,有效吸收帶寬(RL&lt;-10 dB)最大為4.42 GHz

[9]

Chu H R, Chen P, Yu Q, et al.

Preparation and microwave absorption properties of FeCo/Graphene

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2018, 32(3): 161

" />

用共沉淀和高溫退火相結合的方法制備了晶態FeCo/石墨烯吸波粒子,使用XRD、FESEM和TEM等手段對其晶體結構和微觀形貌進行了表征 結果表明,向石蠟中添加不同質量的FeCo/石墨烯吸波粒子可制備不同含量吸波粒子的復合材料 使用微波矢量網絡分析儀對不同含量吸波粒子的復合材料的電磁參數的測試和不同厚度吸波性能的模擬結果表明,吸波粒子含量為50%的材料,其吸波性能最優;厚度僅為1.6 mm的材料,有效吸收帶寬為5.0 GHz(12.3~17.3 GHz) 吸波粒子優異的吸波性能,源于介電損耗和磁損耗的協同作用以及合適的阻抗匹配率和衰減常數

[10]

Wang Y, Gao X, Lin C H, et al.

Metal organic frameworks-derived Fe-Co nanoporous carbon/graphene composite as a high-performance electromagnetic wave absorber

[J]. J. Alloy. Comp., 2019, 785: 765

[11]

Liu D W, Qiang R, Du Y C, et al.

Prussian blue analogues derived magnetic FeCo alloy/carbon composites with tunable chemical composition and enhanced microwave absorption

[J]. J. Colloid. Interf. Sci., 2018, 514: 10

PMID

A series of magnetic FeCo alloy/carbon composites have been successfully prepared through in situ pyrolysis of Prussian blue analogues (PBAs) with different Fe/Co ratios. The Fe/Co ratio can affect the crystalline phase, particle size, and magnetic property of the FeCo alloy particles, as well as the relative graphitization degree of the carbon frameworks. As a result, the electromagnetic functions of these composites will be highly associated with the Fe/Co ratio, where high Co content is beneficial to the formation of strong dielectric loss and moderate Co content can facilitate the magnetic loss. When Fe/Co ratio reaches 1:1, the as-obtained composite (sample S4) displays excellent reflection loss characteristics with powerful absorption in a very broad frequency range (over -10u202fdB in 3.2-18.0u202fGHz), which is superior to those of single magnetic metal (Fe or Co)/carbon composite derived from PBAs, as well as many previously reported FeCo alloy/carbon composites. Electromagnetic analysis reveals that the excellent microwave absorption of sample S4 benefits from its preferable matching of characteristic impedance and good attenuation ability toward incident electromagnetic waves. These results provide new insight into the fabrication of carbon-based magnetic composites with enhanced microwave absorption by rationally manipulating the chemical composition of magnetic components.Copyright ? 2017 Elsevier Inc. All rights reserved.

[12]

Zhou C H, Wu C, Yan M.

A versatile strategy towards magnetic/dielectric porous heterostructure with confinement effect for lightweight and broadband electromagnetic wave absorption

[J]. Chem. Eng. J., 2019, 370: 988

[13]

Yang B, Wu Y, Li X P, et al.

Surface-oxidized FeCo/carbon nanotubes nanorods for lightweight and efficient microwave absorbers

[J]. Mater. Design., 2017, 136: 13

[14]

Song W Z.

Design, preparation and microwave absorbing properties of FeCo/ZnO Composites

[D].

Zhengzhou:

Zhengzhou University of Aeronautics, 2019

宋文正.

FeCo/ZnO復合材料的設計制備及吸波性能研究

[D].

鄭州:

鄭州航空工業管理學院, 2019

[15]

Xu Z J, Guo J, Du B S, et al.

Influence of microstructure on waves resonance of FeCo/TiO2 nanocomposites

[J]. J. Funct. Mater., 2016, 47(): 148

[本文引用: 2]

徐志潔, 郭 杰, 杜寶盛 等.

微觀結構對FeCo/TiO2納米復合材料微波共振的影響

[J]. 功能材料, 2016, 47(): 148

[本文引用: 2]

[16]

Zhou X W, Wang Z G, Wang Q, et al.

Preparation and microwave absorbing properties of graphene/SnO2 nanofiber hybrids

[J]. 2019, Met. Funct. Mater., 2019, 26(2): 11

[本文引用: 2]

周小文, 王志國, 王 倩 等.

石墨烯/SnO2 納米纖維復合材料的制備及吸波性能的研究

[J]. 金屬功能材料, 2019, 26(2): 11

[本文引用: 2]

[17]

Bokuiaeva A O, Vorokh A S.

Estimation of particle size using the Debye equation and the Scherrer formula for polyphasic TiO2 powder

[J]. J. Phys.: Conf. Ser., 2019, 1410: 012057

[18]

Li D W, Du Y C, Li Z N, et al.,

Facile synthesis of 3D flower-like Ni microspheres with enhanced microwave absorption properties

[J]. J. Mater. Chem. C., 2018, 6: 9615

[19]

Zhang X, Rao Y, Guo J, et al.

Multiple-phase carbon-coated FeSn2/Sn nanocomposites for high-frequency microwave absorption

[J]. Carbon, 2016, 96: 972

[20]

Ma J, Li J G, Ni X, et al.

Microwave resonance in Fe/SiO2 nanocomposite

[J]. Appl. Phys. Lett., 2009, 95:102505

[21]

Wang H, Daiy Y, Gong W J, et al.

Broadband microwave absorption of CoNi@C nanocapsules enhanced by dual dielectric relaxation and multiple magnetic resonances

[J]. Appl. Phys. Lett., 2013, 102: 223113

[22]

Aharoni A.

Exchange resonance modes in a ferromagnetic sphere

[J]. J. Appl. Phys., 1991, 69: 7762

[23]

Green M, Tran T V, Chen X.

Obtaining strong, broadband microwave absorption of polyaniline through data-driven materials discovery

[J]. Adv. Mater. Interfaces., 2020, 7(18): 2000658

[24]

Huang X G, Zhang J, Lai M, et al.

Preparation and microwave absorption mechanisms of the NiZn ferrite nanofibers

[J]. J. Alloy. Compd., 2015, 627: 367

[25]

Lv H P, Wu C, Qin F X, et al.

Extra-wide bandwidth via complementary exchange resonance and dielectric polarization of sandwiched FeNi@SnO2 nanosheets for electromagnetic wave absorption

[J]. J. Mat. Sci. Tech., 2021, 90: 1

[26]

Wang G Z, Peng X G, Yu L, et al.

Enhanced microwave absorption of ZnO coated with Ni nanoparticles produced by atomic layer deposition

[J]. J. Mater. Chem. A, 2015, 3: 2734

[27]

Yuan Y, Liu C, Jiang J T, et al.

Study on properties of Co/SiO2 composite particles of micron scale

[J]. Aerospace Shanghai, 2018, 35(1): 75

袁 勇, 劉 超, 姜建堂, 甄 良.

微米級Co/SiO2復合顆粒性能研究

[J]. 上海航天, 2018, 35(1): 75

[28]

Liu Q, Dai J X, Hu F, et al.

Core-shell structured Fe/ZnO composite with superior electromagnetic wave absorption performance

[J]. Ceram. Inter., 2021, 47: 14506

[29]

Zhao B, Guo X, Zhao W, et al.

Yolk-shell Ni@ SnO2 composites with a designable interspace to improve electromagnetic wave absorption properties

[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 28917

[30]

Chen P A, Wang X, Zhu Y L, et al.

Antioxidation and microwave absorption of flattened FeCo@TiO2@Fe3O4 core-shell composites

[J]. J Chin Ceram Soc, 2021, 49(10): 2203

陳平安, 王 昕, 朱穎麗.

扁平FeCo@TiO2@Fe3O4核殼結構抗氧化和微波吸收性能

[J]. 硅酸鹽學報, 2021, 49(10): 2203

[31]

Guan G G, Gao G J, Xiang J, et al.

CoFe2/BaTiO3 hybrid nanofibers for microwave absorption

[J]. ACS Appl. Nano Mater., 2020, 3: 8424

Recent progress of nanomaterials for microwave absorption

1

2019

聲明:
“FeCo/SnO2 復合納米纖維的制備及其吸波性能” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究,如用于商業用途,請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
分享 0
         
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
全國熱門有色金屬技術推薦
展開更多 +

 

中冶有色技術平臺微信公眾號
了解更多信息請您掃碼關注官方微信
中冶有色技術平臺微信公眾號中冶有色技術平臺

最新更新技術

報名參會
更多+

報告下載

第二屆關鍵基礎材料模擬、制備與評價技術交流會
推廣

熱門技術
更多+

衡水宏運壓濾機有限公司
宣傳
環磨科技控股(集團)有限公司
宣傳

發布

在線客服

公眾號

電話

頂部
咨詢電話:
010-88793500-807
專利人/作者信息登記
337p粉嫩大胆噜噜噜