铁氧体/表面碳层结构控制及其电磁特性研究

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伴随着信息技术的快速发展,微波、毫米波器件大量使用,这也带来了对抗电磁干扰与电磁波吸收、防护等技术日益增长的需求,为此,开发宽频、高效、轻质、多功能化的电磁波吸收材料受到了持续的关注。M型六角铁氧体由于具有良好的高频段电磁特性而常作为一种可用的微波吸收介质,然而其吸收频带窄,自身密度大以及在阻抗匹配上的不足极大地限制了其广泛应用。为了改善单一六角铁氧体吸波性能,可通过元素掺杂、纳米化以及表面修饰改性等方法。本文以稀土掺杂M-六角钡铁氧体纳米粉体为起始原料,设计通过高分子表面修饰、表面碳化对六角铁氧体纳米颗粒表面改性,探究表面修饰方法与碳化工艺对于铁氧体表面结构形成的调控关系,进而研究铁氧体表面修饰层对于六角铁氧体电磁特性的影响。为此,本文开展的研究工作主要包括:1)采用溶胶-凝胶自燃烧法制备镧掺杂六角钡铁氧体纳米粉体,进而利用原位聚合工艺实现聚苯胺对铁氧体表面改性,研究聚合工艺及聚合体系配方组成对于铁氧体表面聚苯胺结构的影响;2)利用热碳化对表面修饰聚苯胺的铁氧体进行碳化处理,形成表面碳化层结构,并研究包括碳化温度、碳化时间、升温速率、气氛条件等碳化工艺条件对于铁氧体表面聚苯胺碳化过程及最终碳化产物与结构的影响关系,探究纳米铁氧体表面聚苯胺碳化机制;3)研究不同碳化工艺条件六角铁氧体表面聚苯胺碳化所形成碳化层组成与结构对于铁氧体电磁特性的影响关系,建立基于表面结构调控电磁特性的规律:4)探索葡萄糖水热碳化一步实施铁氧体表面碳化层修饰的工艺方法,建立碳化结构对于六角铁氧体电磁特性的影响关系。得到的主要结论如下:1.采用溶胶-凝胶自燃烧法制备了单相的镧掺杂M-六角钡铁氧体纳米粉体,颗粒呈片状,粒径约为130nm;进而采用苯胺原位聚合,对六角铁氧体表面进行聚苯胺修饰,随着铁氧体与苯胺单体比例从10:3增加至10:7,六角铁氧体表面聚苯胺层厚度从53nm增加值133nm;2.基于聚苯胺修饰的六角铁氧体,通过热处理工艺制备表面具有碳化结构的六角纳米铁氧体。随着碳化温度从200℃增加500℃,表面聚苯胺经历掺杂态、本征态、交联态直至碳化。真空气氛条件,可有效地提高碳化程度,优化碳化工艺包括碳化温度、升温速率、碳化时间,得到最佳的碳化条件为:碳化温度500℃、升温速率2℃/min、碳化时间2h。改变六角铁氧体表面聚苯胺不同厚度,经碳化后,获得碳化层50-120nm的六角铁氧体3.聚苯胺表面修饰的M-六角钡铁氧体,其介电常数会明显变高,介电损耗由于界面极化增加而增大,磁导率基本不变;经热碳化后所得具有表面碳化结构的M-六角钡铁氧体,当碳化层厚度为50nm时其介电常数较大。碳化层的存在增加了界面损耗,使得介电损耗随之相应增加;4.利用葡萄糖水热法成功地一步在M-六角钡铁氧体表面修饰碳化层结构,所得产物表面碳化层均匀。增加葡萄糖加入量,调节碳化层厚度从10nm增加至50nm。电磁特性研究表明:表面碳化层存在使得六角铁氧体介电常数但由于界面极化,其介电损耗增加。
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