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介孔材料具有较高的比表面积和丰富的孔道结构,孔径介于2~50nm,主要应用于催化分离、离子吸附、药物缓释等领域。目前,介孔材料主要是利用化学试剂合成,但该方法制备的介孔材料存在水热稳定性差、机械强度差等问题。近年来,以介孔材料为载体,复合纳米磁性材料越来越受到人们的关注。纳米镍锌铁氧体是一种纳米磁性材料,具有亚铁磁性和介电性能,铁氧体的晶粒细小、化学活性强、密度较小,在高频段吸波性能较好,被广泛应用于航空航天、电磁屏蔽等领域。本论文是在国家自然科学基金面上项目“基于外模板法天然丝光沸石制备介孔材料及吸波性能研究(51372108)”资助下完成的,论文以天然丝光沸石为原料,进行了介孔材料、纳米镍锌铁氧体的制备与表征,并研究了介孔材料与纳米镍锌铁氧体的复合,阐明了天然丝光沸石制备介孔材料的形成机制及纳米复合材料的吸波性能与制备、吸波机理。
(1)介孔材料制备:以天然丝光沸石为原料,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚环氧乙烷-环氧丙烷-环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为模板剂,水热法分别制备了MCM-41型和SBA-15型介孔材料。利用X-射线衍射仪(XRD)、比表面和孔隙度分析仪、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、矢量网络分析仪(VNA)等对样品进行表征。系统研究了模板剂种类、模板剂浓度、反应温度、晶化温度、晶化时间及扩孔剂的加入对介孔材料物相结构、比表面积、孔径、孔容与微观形貌的影响,提出了天然丝光沸石煅烧-酸碱处理衍生介孔结构的机制及介孔材料的形成机理。
结果表明:以浓度为3.6g/L的CTAB为模板剂,在pH值为10.5,晶化温度100℃,晶化时间60h条件下,制备出比表面积1016.723m2/g,平均孔径3.716nm,孔容1.087cm3/g的MCM-41型有序介孔材料。以浓度为6g/L的P123为模板剂,在反应温度35℃,晶化温度110℃,晶化时间48h条件下,制备出比表面积560.276m2/g,平均孔径8.802nm,孔容1.167cm3/g的介孔材料,通过添加扩孔剂均三甲苯,平均孔径扩大至23.529nm,孔容增大到1.46cm3/g。
(2)纳米镍锌铁氧体的制备:采用水热法制备了晶粒细小、粒径分布均匀、分散性较好的纳米镍锌铁氧体,利用XRD、SEM、TEM、VNA对样品进行表征。系统研究了镍锌比例、铁盐浓度、晶化温度、晶化时间对纳米镍锌铁氧体的物相结构、微观形貌与吸波性能的影响。
结果表明:以聚乙二醇为表面活性剂,镍锌比例为Ni0.6Zn0.4Fe2O4,铁盐浓度0.40mol/L,晶化温度180℃,晶化时间8h条件下制备出晶粒呈类球形,粒径约为15nm的纳米镍锌铁氧体。制备的纳米镍锌铁氧体在3.21GHz处损耗因子达到最大值1.15,1~6GHz频率范围内吸波反射率最小值为-10.69dB,在高频L(1~2GHz)、S(2~4GHz)、C(4~8GHz)波段具有较好的吸波性能。
(3)介孔材料封装纳米镍锌铁氧体:实现以介孔材料为载体分散纳米镍锌铁氧体,解决了纳米镍锌铁氧体利用过程中的团聚问题。通过化学共沉淀法和悬浮聚合法完成了介孔材料封装纳米镍锌铁氧体复合材料的制备,利用XRD、比表面和孔隙度分析仪、SEM、TEM、VNA对纳米复合材料的物相结构、孔结构参数、微观形貌与吸波性能进行了表征。
结果表明:悬浮聚合法制备的复合材料比表面积为330.385m2/g,而原料介孔材料的比表面积为530.739m2/g,比表面积减少了200.354m2/g,平均孔径由23.529nm降低到9.725nm,减小了13.804nm,复合的纳米镍锌铁氧体晶粒较为完整,相对结晶度较高。悬浮聚合法封装的纳米镍锌铁氧体较多,封装效果优于共沉淀法。悬浮聚合法制备的复合材料在L、S、C波段吸波性能得到加强,在X和Ku波段也具有一定的吸波性能。介孔材料与纳米镍锌铁氧体复合后产生协同效应,吸波频率段拓宽,吸波性能增强,纳米复合材料的吸波性能得到提高,小于-10dB的有效吸波频段由1.19GHz拓宽至2.89GHz。纳米复合材料的吸波性能主要来源于纳米镍锌铁氧体,而微观结构引发的共振损耗是复合材料具有吸波性能的关键,周期性介电损耗符合本征振动的规律,计算出本征振动频率公式。
该论文有图113幅,表22个,参考文献181篇。
(1)介孔材料制备:以天然丝光沸石为原料,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚环氧乙烷-环氧丙烷-环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为模板剂,水热法分别制备了MCM-41型和SBA-15型介孔材料。利用X-射线衍射仪(XRD)、比表面和孔隙度分析仪、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、矢量网络分析仪(VNA)等对样品进行表征。系统研究了模板剂种类、模板剂浓度、反应温度、晶化温度、晶化时间及扩孔剂的加入对介孔材料物相结构、比表面积、孔径、孔容与微观形貌的影响,提出了天然丝光沸石煅烧-酸碱处理衍生介孔结构的机制及介孔材料的形成机理。
结果表明:以浓度为3.6g/L的CTAB为模板剂,在pH值为10.5,晶化温度100℃,晶化时间60h条件下,制备出比表面积1016.723m2/g,平均孔径3.716nm,孔容1.087cm3/g的MCM-41型有序介孔材料。以浓度为6g/L的P123为模板剂,在反应温度35℃,晶化温度110℃,晶化时间48h条件下,制备出比表面积560.276m2/g,平均孔径8.802nm,孔容1.167cm3/g的介孔材料,通过添加扩孔剂均三甲苯,平均孔径扩大至23.529nm,孔容增大到1.46cm3/g。
(2)纳米镍锌铁氧体的制备:采用水热法制备了晶粒细小、粒径分布均匀、分散性较好的纳米镍锌铁氧体,利用XRD、SEM、TEM、VNA对样品进行表征。系统研究了镍锌比例、铁盐浓度、晶化温度、晶化时间对纳米镍锌铁氧体的物相结构、微观形貌与吸波性能的影响。
结果表明:以聚乙二醇为表面活性剂,镍锌比例为Ni0.6Zn0.4Fe2O4,铁盐浓度0.40mol/L,晶化温度180℃,晶化时间8h条件下制备出晶粒呈类球形,粒径约为15nm的纳米镍锌铁氧体。制备的纳米镍锌铁氧体在3.21GHz处损耗因子达到最大值1.15,1~6GHz频率范围内吸波反射率最小值为-10.69dB,在高频L(1~2GHz)、S(2~4GHz)、C(4~8GHz)波段具有较好的吸波性能。
(3)介孔材料封装纳米镍锌铁氧体:实现以介孔材料为载体分散纳米镍锌铁氧体,解决了纳米镍锌铁氧体利用过程中的团聚问题。通过化学共沉淀法和悬浮聚合法完成了介孔材料封装纳米镍锌铁氧体复合材料的制备,利用XRD、比表面和孔隙度分析仪、SEM、TEM、VNA对纳米复合材料的物相结构、孔结构参数、微观形貌与吸波性能进行了表征。
结果表明:悬浮聚合法制备的复合材料比表面积为330.385m2/g,而原料介孔材料的比表面积为530.739m2/g,比表面积减少了200.354m2/g,平均孔径由23.529nm降低到9.725nm,减小了13.804nm,复合的纳米镍锌铁氧体晶粒较为完整,相对结晶度较高。悬浮聚合法封装的纳米镍锌铁氧体较多,封装效果优于共沉淀法。悬浮聚合法制备的复合材料在L、S、C波段吸波性能得到加强,在X和Ku波段也具有一定的吸波性能。介孔材料与纳米镍锌铁氧体复合后产生协同效应,吸波频率段拓宽,吸波性能增强,纳米复合材料的吸波性能得到提高,小于-10dB的有效吸波频段由1.19GHz拓宽至2.89GHz。纳米复合材料的吸波性能主要来源于纳米镍锌铁氧体,而微观结构引发的共振损耗是复合材料具有吸波性能的关键,周期性介电损耗符合本征振动的规律,计算出本征振动频率公式。
该论文有图113幅,表22个,参考文献181篇。