稀土取代W型铁氧体及其聚苯胺复合材料的制备及性能研究

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微波吸收材料是为解决电磁波干扰和辐射问题应运而生的一类特殊功能材料。它在航空航天、军事战略装备、卫星通讯、微波暗室以及各种科技测试仪器、电子设备、家用电器等方面都有着广泛的应用。但随着科技的发展,对其功能提出了更多更高的要求。磁铅石型铁氧体是一种具有较高的饱和磁化强度的磁性材料,因其在高频时还具有较高的磁损耗特性,也常被用作高频微波吸收材料,但由于铁氧体的质量大,吸收频带窄等缺点限制了其在实际当中的应用。因此有必要对铁氧体的性能进行优化和调整,以制备适用范围更广的微波吸收材料。本文首先利用不同的稀土离子取代了磁铅石W型铁氧体中的Ba2+离子,制备出各种稀土离子取代的W型铁氧体。然后使之与导电聚苯胺复合,制备出聚苯胺-W型铁氧体复合材料。以期利用稀土离子优良的磁性和较强的自旋-轨道耦合作用和导电聚苯胺优良的介电特性,来改善W型铁氧体的静磁性能、电磁性能和微波吸收性能。根据微观结构和电磁性能之间的内在联系探讨了稀土离子影响的一般规律。利用多种表征手段,如X射线衍射、振动样品磁强计、X射线光电子能谱和微波矢量网络分析仪等对所制备产物的性能进行了表征。主要得出以下结论:1.采用高温固相法制备了轻稀土离子取代Ba2+的W型铁氧体Ba0.9RE0.1Co2Fe16O27(RE=La3+,Nd3+,Sm3+,相应产物分别标记为LaBF,NdBF,SmBF)。产物的XRD和微观结构参数的研究结果显示,稀土离子取代使W型铁氧体的晶胞参数减小,并且取代后产物的晶胞参数a、c和晶胞体积Vcell随稀土离子半径的减小而有规律的减小,空隙率P随稀土离子半径的减小而增大。对产物静磁性能的研究结果表明,三种稀土离子取代都改善了产物的静磁性能,并随着稀土离子半径的增大呈规律性变化,其饱和磁化强度Ms增大的顺序为:SmBF<NdBF<LaBF。利用微波矢量网络分析仪在0.5-18GHz频率范围内测试了轻稀土离子取代产物的复介电常数和复磁导率。根据三种取代产物离子磁矩、空隙率、饱和磁化强度等因素之间的相互作用,以及电磁性能的作用机制,讨论了不同轻稀土离子取代对产物电磁性能和微波吸收性能的影响规律。与未掺杂稀土铁氧体相比,取代产物的复介电常数的实部(’)和虚部(”)升高,复磁导率的实部(μ’)略有减小,虚部(μ”)升高,随着稀土离子半径的增加,三种稀土离子La3+, Nd3+和Sm3+掺杂样品的’、”和μ”增加的顺序为:SmBF<NdBF<LaBF。由于取代产物电磁性能的提高,使取代产物LaBF,NdBF和SmBF的介电损耗角正切tan得到有效提高,微波吸收性能得到加强。与未掺杂稀土铁氧体相比,介电损耗角正切tan分别提高了约31%,24%和12%,从而使样品的微波吸收性能得到加强。2.采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备不同La3+掺量的W型铁氧体Ba1-xLaxCo2Fe16O27(x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20)。此法制备纯相La3+取代W型铁氧体的最佳热处理条件是1200℃/1h,有效的降低了烧结温度,缩短了烧结时间,减小了能耗。对产物的微观结构参数和静磁性能研究发现,随着La3+掺量的增加,样品的晶胞参数和晶胞体积减小,空隙率增加;由于La3+离子对Fe离子亚晶位超精细场的作用,使饱和磁化强度Ms先增加后减小,矫顽力Hc先减小后增加。X射线光电子能谱测试La3+取代Ba2+前后Fe和Co离子的存在价态发现,取代前Fe和Co分别主要以Fe(III)和Co(II)价态存在,取代后,Fe则以Fe(III)+Fe(II)混合价态存在,而Co的存在价态没有改变。利用X射线光电子能谱实验数据验证了La3+取代能使部分Fe3+转变成Fe2+。3.合成了不同聚苯胺含量的聚苯胺-La掺杂W型铁氧体复合材料PANI/Ba0.85La0.15Co2Fe16O27。振动样品磁强计的测试结果发现,复合产物的饱和磁化强度随着聚苯胺含量的增加而逐渐减小;复合产物的复介电常数随着聚苯胺含量在增加而有规律的增加,当PANI:Ba0.85La0.15Co2Fe16O27的质量比为7:5时,复合产物在~9.3GHz处的反射损耗RL达到最大-14.95dB,比单相铁氧体Ba0.85La0.15Co2Fe16O27的反射损耗(RL=-7.1dB)增高近2.1倍。对其性能主要影响机制的研究发现,聚苯胺加强了复合材料的取向极化和界面极化作用,使复合材料的介电损耗部分得到加强,从而使复合材料反射损耗RL提高,微波吸收性能加强。4.采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备不同重稀土离子取代Ba2+的W型铁氧体Ba0.85RE0.15Co2Fe16O27(RE=Gd3+,Tb3+,Ho3+)。根据Gd3+, Tb3+和Ho3+之间的离子半径和离子磁矩的差异,对产物的微观结构参数的和静磁性能的研究发现,产物的晶胞参数a、c和晶胞体积Vcell随稀土离子半径的减小而逐渐增大,饱和磁化强度随稀土离子半径的减小而逐渐增大。将三种稀土离子取代产物分别与等量的聚苯胺复合,制备了PANI/Ba0.85RE0.15Co2Fe16O27复合材料。用微波矢量网络分析仪测试复合产物的复介电常数和复磁导率,结果发现,聚苯胺复合产物的取向极化、界面极化作用和阻抗匹配都有所加强,从而使复介电常数提高,介电损耗加强,改善了复合材料的微波吸收性能。比较三种稀土离子取代铁氧体的聚苯胺复合产物,稀土离子Ho3+掺杂的复合产物PANI/Ba0.85Ho0.15Co2Fe16O27在~9GHz处的反射损耗RL为-15.1dB,反射损耗RL最高,微波吸收性能最佳。
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