等离子体快速制备中间相炭微球磁性复合材料及其吸波性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金重大研究计划()作者简介:吴延龙()男黑龙江牡丹江人高级工程师主要从事等离子体特种推进技术研究 电话:.通信作者:孔春才()男副教授博士生导师主要从事化工新材料开发和应用研究 电话:.等离子体快速制备中间相炭微球磁性复合材料及其吸波性能研究吴延龙白一鸣杨志懋孔春才(.中国空间技术研究院北京.西安交通大学 物理学院陕西 西安)摘 要:利用高温等离子体一步快速制备了中间相炭微球()负载的磁性纳米颗粒复合材料磁性纳米颗粒生在 表面在.厚度为.时该复合材料最佳反射损耗值可达 .当厚度降至.时材料最佳反射损耗值为.有效吸收带宽拓宽为.(.)结果表明通过等离子快速高效制备纳米复合吸波材料具备可行性关键词:等离子体中间相炭微球磁性纳米颗粒电磁波吸收中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().(.).:等离子体能够产生高能电子、离子、自由基、激发态分子等具有反应活性的粒子这些活性物质可在极短的时间内与反应物发生反应促进材料合成和改性 气体电弧法作为等离子体技术的一种由于工艺参数易调控、产物生长速度快、晶化程度高等优点在碳纳米材料的合成与改性领域研究受到越来越多关注 此外等离子体还可以将化合态金属元素还原成单质碳基磁性材料成为轻质、高效电磁波吸收材料重要研究对象 本文通过等离子体快速制备了中间相炭微球()复合磁性纳米颗粒分析了不同配比下复合材料的微观形貌和成分特征并研究了其吸波性能 实验部分.试剂与仪器 无水氯化铁、硝酸钴均为分析纯中间相炭微球上海卜微应用材料技术有限公司生产的生料实验用水均为去离子水第 期吴延龙等:等离子体快速制备中间相炭微球磁性复合材料及其吸波性能研究 扫描电子显微镜 射线衍射仪 射线光电子能谱仪 激光拉曼谱仪 磁学测量系统 矢量网络分析仪.实验平台搭建等离子体实验平台示意图见图 主要包括等离子体产生系统和水冷装置 等离子体产生系统由阴极碳棒、阳极铜板、供气装置、供电装置以及电子计时器组成 通电后氩气在阴极处被电离产生等离子体通过改变电流大小、氩气流速等参数可调整等离子体作用效果 实验用电子计时器控制等离子体作用时长以满足不同的实验要求图 复合材料制备流程()及等离子体实验平台示意图().()().材料制备称取 份样品分别为:.()质量比 .质量比 .()质量比 将 加入至一定比例的超纯水中使用超声清洗器使 在超纯水中均匀分散 然后将 份样品中的金属盐加入至相对应的 与水的混合物中使用磁力搅拌器搅拌 至均匀 搅拌均匀后将混合物迅速移入塑料试管中用液氮将其快速冷却至固态 再使用冷冻干燥机进行干燥干燥时间 将干燥好的粉末称量若干份每份 分次通过等离子体作用将氩气的流速设定为 /电流大小设置为 作用时间为 使、磁性纳米颗粒在 表面生长 将 种样品分别命名为、.吸波性能研究吸波性能的测试样品由 的石蜡与 的原样品复合制备而成使用矢量网络分析仪测试其吸波性能 矢量网络分析仪所测试出的原始数据为样品的复介电常数(实部和虚部分别为 和)及复磁导率(实部和虚部分别为 和)通过公式()和()计算出介电损耗正切()和磁损耗正切():/()/()通过公式()和()可计算出样品的反射损耗:()()式中 反射损耗 吸波材料的输入阻抗 自由空间的波阻抗用反射损耗来评价吸波材料的吸波性能 当 时表明吸波材料已经可以吸收 应用化工第 卷以上的电磁波能量将所对应的电磁波吸收频段称为有效吸收带宽 结果与讨论.复合材料的形貌表征样品 表征结果见图 图中大片状为基底其表面生长的球型小颗粒为、磁性颗粒 由图 可知 样品中的磁性颗粒数目较少尺寸较大且大都为不规则形状的块体可能是在制备过程中 对还原出的、颗粒产生了一定的包覆作用由图 和图 可知单一磁性组分的样品、颗粒以球形颗粒的形式生长并且颗粒尺寸也比较均匀图 负载磁性纳米颗粒的.复合材料的结构和组分分析.利用 对样品进行物相分析结果见图 图 负载磁性纳米颗粒的.由图 可知 的.和.处第 期吴延龙等:等离子体快速制备中间相炭微球磁性复合材料及其吸波性能研究的衍射峰对应于 的()和()晶面()由图 可知 的.附近的衍射峰分别对应于 的()()()()()晶面()这可能是由于实验过程处于空气气氛导致金属纳米颗粒发生了一定程度的氧化 的衍射图样(图)中.的特征峰对应于 的()晶面()表明该样品中还原出了单质 但衍射图样中仍有 的特征衍射峰再次表明 存在一定的氧化现象 的衍射图样(图)中在.的特征峰分别对应 的()()()晶面()表明该样品中成功还原出了单质 且未发现 的氧化物的特征峰表明 没有氧化现象或氧化现象极小.图 为不同组分的 负载磁性纳米颗粒的 图 负载磁性纳米颗粒的.由三个样品的全谱(图)可知 和 的峰强相对 和 明显微弱 由 谱(图)可知.和 分别对应 和 键由 谱中(图)可知 对应 键与 精细谱中所显示的结果一致表明碳材料中有 与 的键合 对于 与 谱(图、)图谱中几乎没有明显的峰型表明可识别到的 与 含量极低可能是由于金属颗粒表面包覆了碳层.拉曼光谱 图 为不同组分的 负载磁性纳米颗粒的拉曼光谱图 负载磁性纳米颗粒拉曼光谱.由图 可知所有样品的 和 分别对应着碳材料的 峰和 峰其中 峰与碳结构中的缺陷或晶格缺陷有关而 峰涉及到以 杂化成键的碳的 键的平面内伸缩振动通常以两个峰的强度比来评价碳材料的结构紊乱程应用化工第 卷度 经过计算、四种样品的 峰和 峰的强度比(/)分别为.这说明 本身的缺陷较多在经过高温作用后与、复合的和与 复合的材料的缺陷减少而与 复合的材料缺陷增加 适当的缺陷可以增强极化弛豫提高材料的介电损耗能力有利于电磁波的吸收 但磁性纳米颗粒的加入又会提升材料的磁损耗能力因此材料最终的吸波性能需要进一步分析.复合材料的电磁特性分析.磁滞回线图、为不同组分的 负载磁性纳米颗粒的磁滞回线图 负载磁性纳米颗粒的磁滞回线及电磁参数.的磁滞回线.三种不同成分的 负载磁性纳米颗粒的磁滞回线.复介电常数实部.复介电常数虚部.复磁导率实部.复磁导率虚部.介电损耗正切角.磁损耗正切角 由图 可知 的磁化强度与所加磁场强度的方向相反外加磁场使得 中的碳原子中运动的电子轨道动量矩绕磁场进动产生与磁场强度相反的附加磁矩因此 表现出抗磁性 由图 可知当 与、复合后三种样品的磁化强度与所加磁场强度方向相同都表现出一定第 期吴延龙等:等离子体快速制备中间相炭微球磁性复合材料及其吸波性能研究的铁磁性、三种样品的饱和磁化强度()分别是./矫顽力()分别为.这表明的饱和磁化强度和矫顽力在三个样品中最低 的饱和磁化强度最高 的矫顽力最高.电磁参数 负载磁性纳米颗粒的电磁参数其中复介电常数的实部表示材料对于电能的储存能力虚部表示材料对于电能的损耗能力同理复磁导率的实部表示材料对于磁能的储存能力虚部表示材料对于磁能的损耗能力 由图 和图 可知 的介电常数实部()和虚部()都非常低在.左右接近于 而在负载了、颗粒后其 和 都有了很明显的提高其中 样品的 和 最高 这表明在 与、复合后使得材料与电场的相互作用更加强烈 由图 和 可知 和负载磁性纳米颗粒后的样品的磁导率实部()和虚部()没有明显变化其中 样品的 和在四个样品中最高 通过计算得到每个样品的介电损耗角正切(/)和磁损耗角正切(/)如图、所示 结果表明的 在 .的范围内而在负载了、颗粒后 有明显的提高其中 样品在.处达到了.和负载磁性纳米颗粒后的样品的 没有太大区别但是 样 品 有 两 处 较 为 明 显 的 峰 值 分 别 是.处和.反射损耗介电损耗正切角和磁损耗正切角可以在一定程度上代表材料的介电损耗能力和磁损耗能力但仍应通过反射损耗这一参数来对材料的吸波能力进行更准确的分析 反射损耗是表示吸波材料吸波性能的一个关键指标 根据所测材料的复介电常数和复磁导率计算出每个样品在不同匹配厚度(以.为间隔)下的反射损耗()结果见图、.、.、.应用化工第 卷、.图 负载磁性纳米颗粒的反射损耗.由图 可知 的反射损耗()的最小值不超过.未达到 的标准不具备有效的吸波性能 由图 、可知负载了、颗粒后材料的 最小值均 表明材料已经可以吸收超过 的电磁波能量将反射损耗值 的频率宽度定义为有效吸收带宽 其中 样品具有最佳的 值为.此时厚度为.但是有效吸收带宽较窄只有.(.)而厚度为.时 值最小为.有效吸收带宽为.(.)可吸收的电磁波频率范围明显提升 和 样品的最小 值均不超过 有效吸收带宽也无明显优势 为了更加直观地了解每个样品的吸波性能本文绘制了三维反射损耗曲线见图、对于每个样品当厚度增加时其有效吸收的频率范围则会向着频率更低的方向移动针对不同的应用领域可选择不同厚度的吸波材料实现对不同波段电磁波的吸收.阻抗匹配为了更加直观地分析材料的吸波性能对各个样品的阻抗匹配进行了分析见图、由图可知 的 值均大于 且随着频率增大 值越来越远离 阻抗匹配较差这也是 几乎没有吸波性能的原因之一 而在 与、复合后阻抗匹配明显改善其中 样品的 值最接近于在 范围内其 值在.范围表现出最优异的吸波性能基于/波长匹配机制本文分析了匹配厚度()和对应的匹配频率 如图 所示(不具备有效的吸波性能因此不纳入分析范围)黑色星表示匹配厚度与来自 曲线的匹配频率由图可知每个样品的实验匹配厚度均接近/波长曲线表明所获得的材料符合/波长匹配机制这也是随着吸收层厚度的增加 峰值逐渐向较低的频率移动的原因第 期吴延龙等:等离子体快速制备中间相炭微球磁性复合材料及其吸波性能研究图 ()和三种 负载、磁性纳米颗粒()的阻抗匹配()、()、()的反射损耗及波长匹配.()()()()()结论通过等离子体作用一步法快速将 与、磁性纳米颗粒复合得到的 样品具有最佳的反射损耗值为.对应的样品厚度为.但有效吸收带宽较窄为.(.)当厚度降至.时 样品的最佳反射损耗值为 .有效吸收带宽为.(.)吸波能力略有降低但有效吸收带宽明显增加 通过磁性纳米颗粒的加入提高了材料的磁损耗性能优化阻抗匹配得到性能优异的吸波材料参考文献:.():.():.():.金晴徐建杨自然等.等离子体辅助快速合成磁性/复合材料及其 吸附性能.化工进展():.张国平张连红吴洪波等.非热等离子体在二氧化钛材料制备中的应用研究进展.应用化工():.():.():.张达张传琪李少龙等.等离子体技术应用于碳载体改性及铂基催化剂制备的研究进展.材料导报:.:./.():().():.宗妍李肇鑫邢宏娜.碳包覆空心 纳米球的制备及其电磁波吸收特性研究.应用化工():.()/.:.():.():.():.谢文瀚耿浩然柳扬等./生物质碳复合材料的制备 与 吸 波 性 能 .复 合 材 料 学 报 :.:.():.