基于原子层沉积的核壳结构复合材料设计及吸波性能研究

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伴随着军事技术的飞速发展,世界各国军事系统的探测、跟踪、攻击能力日趋先进,武器装备的战场生存能力受到了严重威胁。另一方面,电子系统的小型化和复杂化使其所处的电磁环境日益复杂,电磁干扰问题成为困扰系统集成的难题。使用吸波材料可以有效解决军事装备的隐身问题和电磁干扰问题。磁性材料作为传统的吸波材料,已经广泛应用在军事装备上和电子系统中。然而磁性吸波材料还存在吸收频带窄、耐环境性能差、易团聚等问题,因此有必要对其进行修饰和改性。原子层沉积技术(ALD)是一种先进薄膜沉积技术,它具有的极佳均匀性、台阶覆盖率、保形性、以及厚度、组成原子尺度精确可控等优势。本论文利用ALD技术的优势,以准一维磁性材料为基材,设计开发新型结构吸波材料(同轴多界面空心材料、核壳材料),并研究其的吸波性能及吸收机理。本论文主要开展了以下工作:  首次运用ALD技术设计并制备了同轴多界面空心Ni-Al2O3-ZnO纳米线。采用TEM、XRD等表征了不同ZnO厚度的纳米线的形貌和结构,并研究了其电磁波吸收性能。样品Ni-Al2O3-100ZnO纳米线具有优异的微波吸收性能,其最小反射损耗(RL)约在9.44GHz频率处可达-50dB,是Ni-Al2O3纳米线的10倍。通过简单改变ZnO沉积循环数,可以有效地调节微波吸收频率。Ni-Al2O3-100ZnO纳米线和Ni-Al2O3-150ZnO纳米线的吸收峰较Ni-Al2O3纳米线分别向低频移动了5.5和6.8GHz,占所研究频带带宽的三分之一。样品吸收性能的增强来源于其独特的同轴界面结构,并由此产生了多种损耗机制,如:多界面极化弛豫,自然和交换共振,以及多重内部反射和多重散射。这一结果表明,采用ALD方法可以实现量身定制的纳米结构。因此,ALD是一种非常具有前景的微波吸收剂的设计和制备方法,为电磁波吸收频率的调节和微波成像领域开辟了一个新的途径。  氧化分子层沉积(oMLD)是ALD一个分支。首次采用oMLD制备导电聚合物-磁性材料核-壳微波吸收剂。成功地合成了壳层厚度可控的准一维磁性Fe3O4-聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)纳米纺锤体,并研究了其在2~18GHz频率范围内的吸收性能。利用随着oMLD优势,可以精确控制PEDOT的壳层厚度。随着PEDOT循环数的增加,Fe3O4-PEDOT纺锤体的介电常数明显增加而其磁导率略有下降,因此可以通过调节PEDOT循环周期数来调节Fe3O4-PEDOT纺锤体的吸收性能。当PEDOT壳层厚度合适时,可以得到性能优异的电磁波吸收剂。样品Fe3O4-60PEDOT纳米纺锤体的吸收峰值可在16.2GHz达到-55dB,小于-10dB吸收带宽可达4.34GHz,该性能优于之前报道的大多数磁性材料基吸收剂。由于oMLD方法的精确可控性和其制备材料的优异吸波性能,认为oMLD是可以作为微波吸收剂的制备新途径。
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