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基本信息

項(xiàng)目名稱：
寬帶-輕質(zhì)Fe基吸波材料的可控制備與電磁特性研究
小類：
能源化工
簡介：
本項(xiàng)目組提出以鐵、碳納米管、膨脹石墨等為原料分別建立片狀鐵、鐵/碳納米管、鐵/膨脹石墨的高能球磨、共混復(fù)合、插層復(fù)合等技術(shù)。探索形成鐵基吸波材料的微觀過程與控制技術(shù)；揭示鐵基吸波材料的組成、結(jié)構(gòu)對其靜磁、電導(dǎo)率、微波電磁等性能的影響規(guī)律，闡明鐵基吸波材料與外加磁場和微波電磁場的相互作用機(jī)制。從而為進(jìn)一步用它們制備“薄、輕、寬、強(qiáng)”的吸波涂層材料提供理論基礎(chǔ)。
詳細(xì)介紹：
近年來，各種電子設(shè)備、家用電器、通訊設(shè)施的廣泛使用使電磁波污染日益嚴(yán)重。為了減小透射和反射電磁波對環(huán)境的危害，開發(fā)反射-吸收型（特別是低反射、高吸收型）的新型電磁波吸收與屏蔽材料在目前尤為重要。考慮到從納米尺度上設(shè)計(jì)和控制鐵基吸波材料的組成和結(jié)構(gòu)有可能賦予其特殊的電、磁功能，解決當(dāng)前微波吸波材料存在成分和形貌單一、密度大、抗腐蝕性能差、成本高等問題，實(shí)現(xiàn)“薄、輕、寬、強(qiáng)”的吸波涂層材料的高要求。為此，本項(xiàng)目組提出以鐵、碳納米管、膨脹石墨等為原料分別建立片狀鐵、鐵/碳納米管、鐵/膨脹石墨的高能球磨、共混復(fù)合、插層復(fù)合等技術(shù)。探索形成鐵基吸波材料的微觀過程與控制技術(shù)；揭示鐵基吸波材料的組成、結(jié)構(gòu)對其靜磁、電導(dǎo)率、微波電磁等性能的影響規(guī)律，闡明鐵基吸波材料與外加磁場和微波電磁場的相互作用機(jī)制。從而為進(jìn)一步用它們制備“薄、輕、寬、強(qiáng)”的吸波涂層材料提供理論基礎(chǔ)。 針對磁導(dǎo)率低的問題，本研究建立了高磁導(dǎo)率片狀鐵粒子高能球磨法制備技術(shù)和吸收機(jī)制。通過改變固液比、球磨頻率調(diào)控鐵粒子的厚/徑比、晶粒尺寸、結(jié)晶度，獲得成本低、磁導(dǎo)率高，性能優(yōu)異的微波吸收材料。 為了獲得寬帶-輕質(zhì)吸波涂層材料，本研究將填充劑的體積分?jǐn)?shù)從40 %減少到35 %，保持磁導(dǎo)率幾乎不變，通過將少量低密度、高介電常數(shù)的單壁碳納米管與羰基鐵粉共混可提高吸收性能。且所得的碳納米管/羰基鐵粉復(fù)合吸收劑在范圍6.4?14.8 GHz頻率范圍內(nèi)對應(yīng)1.2?2.5 mm的涂層厚度的反射損耗(RL)小于?20 dB。特別是，在11.2 GHz對應(yīng)1.5 mm的匹配后的最低RL = ? 33.3 dB。這種優(yōu)良的微波吸收特性是由于少量高導(dǎo)電性、介電常數(shù)、介電損耗的碳納米管的添加，導(dǎo)致電磁匹配與吸收特性的增強(qiáng)。 為克服已有制備方法存在周期長、復(fù)雜多步等問題，本研究以膨脹石墨為宿主材料，以Fe為插層劑，采用簡易的吸附-還原法制備雙損耗型石墨層間復(fù)合物，研究插層劑Fe的含量對插層復(fù)合物的微波電磁與吸收特性的影響。對插層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電路模擬，并闡明了其作用機(jī)制。該研究填補(bǔ)了在插層復(fù)合物的可控制備、電磁參數(shù)的調(diào)控方法及插層結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制等研究上的空白。 該研究開拓了高磁、高導(dǎo)率和寬帶-輕質(zhì)的吸波材料研制的新思路，具有很好的理論探索價值和應(yīng)用前景。

作品圖片

  • 寬帶-輕質(zhì)Fe基吸波材料的可控制備與電磁特性研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

減小電磁波的危害，開發(fā)反射-吸收型的新型電磁波吸收與屏蔽材料在目前尤為重要。羰基鐵具有比飽和磁化強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為吸波材料的主流，但密度大、有效頻帶較窄、頻散特性和化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)使其難以滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”吸波涂層材料的高要求。本項(xiàng)目組采用高能球磨、共混復(fù)合、插層復(fù)合等技術(shù)，改變吸收劑的結(jié)構(gòu)、形貌、組成來調(diào)制傳統(tǒng)羰基鐵粉吸波劑的電和磁特性，制備“薄、輕、寬、強(qiáng)”的吸波涂層材料

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

建立高磁導(dǎo)率片狀鐵粒子高能球磨法制備技術(shù)和吸收機(jī)制。提出一種寬帶-輕質(zhì)復(fù)合微波吸收材料制備的簡易方法。即在降低羰基鐵粉的填充分?jǐn)?shù)(或面密度)的條件下，將少量輕質(zhì)、高介電常數(shù)的碳納米管與高磁損耗的羰基鐵共混，獲得吸波性能優(yōu)異的碳納米管/羰基鐵粉復(fù)合吸收劑。對插層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電路模擬，并闡明了其作用機(jī)制。同時系統(tǒng)地研究插層劑對插層復(fù)合物的電磁特性的影響規(guī)律。提出的吸附-還原法克服周期長等缺點(diǎn)。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

所獲的Fe基吸收劑是一種吸收強(qiáng)、厚度薄、質(zhì)量輕、成本低的微波吸收材料。它有望以涂料、貼片或織物等形式應(yīng)用在服飾、建筑內(nèi)外墻、其它電子設(shè)備以及軍用設(shè)施，能吸收和反射電子設(shè)備、家用電器和通訊設(shè)備等釋放的電磁波，保護(hù)人體免受電磁波的傷害、防止電磁干擾和信息泄露。這為浙江省材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和城市居民的身體健康提供有力的保證，符合浙江省“十二五”科技發(fā)展計(jì)劃。

學(xué)術(shù)論文摘要

考慮到從納米尺度上設(shè)計(jì)和控制鐵基吸波材料的組成和結(jié)構(gòu)有可能賦予其特殊的電、磁功能，解決當(dāng)前微波吸波材料存在成分和形貌單一、密度大、抗腐蝕性能差、成本高等問題，實(shí)現(xiàn)“薄、輕、寬、強(qiáng)”的吸波涂層材料的高要求。為此，本項(xiàng)目組提出以鐵、碳納米管、膨脹石墨等為原料分別建立片狀鐵、鐵/碳納米管、鐵/膨脹石墨的高能球磨、共混復(fù)合、插層復(fù)合等技術(shù)。探索形成鐵基吸波材料的微觀過程與控制技術(shù)；揭示鐵基吸波材料的組成、結(jié)構(gòu)對其靜磁、電導(dǎo)率、微波電磁等性能的影響規(guī)律，闡明鐵基吸波材料與外加磁場和微波電磁場的相互作用機(jī)制。從而為進(jìn)一步用它們制備“薄、輕、寬、強(qiáng)”的吸波涂層材料提供理論基礎(chǔ)。該項(xiàng)目的研究對促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)和磁性材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有效地防止電磁波污染，提高城鎮(zhèn)居民的健康水平都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

獲獎情況

論文在《Journal of Alloys and Compound》（SCI 三區(qū)IF=2.135）、《Journal of Materials Research》(SCI 二區(qū)Top IF=1.743)、《SCIENCE CHINA Technological Sciences》、《中國科學(xué)E》、《中國科學(xué)B》、《功能材料》上發(fā)表。 獲浙江師范大學(xué)第四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎。

鑒定結(jié)果

同意

參考文獻(xiàn)

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同類課題研究水平概述

傳統(tǒng)的羰基鐵粉吸波劑由于密度大、介電常數(shù)低難以滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”吸波涂層材料的要求。為此，人們先后采用涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸波劑的復(fù)合等多種技術(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)的羰基鐵粉吸波劑的性能。與單層吸波涂層相比，具有特殊結(jié)構(gòu)的多層吸波涂層可大大提高吸波性能，但復(fù)雜的涂層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致成本高、施工性差。而通過吸波劑的復(fù)合來調(diào)節(jié)其微波電磁參數(shù)更易于獲得吸波性能優(yōu)良、施工性好的吸波涂層。大量的研究表明，組成、結(jié)構(gòu)、形貌和損耗機(jī)理單一的微波吸收材料難實(shí)現(xiàn)“薄、輕、寬、強(qiáng)”吸波涂層材料的高要求。 本文針對羰基鐵粉吸波劑存在的問題，本項(xiàng)目組提出以鐵、碳納米管、膨脹石墨等為原料分別建立片狀鐵、鐵/碳納米管、鐵/膨脹石墨的高能球磨、共混復(fù)合、插層復(fù)合等技術(shù)。揭示鐵基吸波材料的組成、結(jié)構(gòu)對其靜磁、電導(dǎo)率、微波電磁等性能的影響規(guī)律，闡明鐵基吸波材料與外加磁場和微波電磁場的相互作用機(jī)制。從而為進(jìn)一步用它們制備“寬帶-輕質(zhì)”的吸波涂層材料提供理論基礎(chǔ)。與當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究相比： （1） 本研究的制備工藝簡單、成本低，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)； （2） 電磁參數(shù)（特別是磁導(dǎo)率）可在大范圍內(nèi)調(diào)控，這解決當(dāng)前科技難題； （3） 所獲鐵基材料性能更優(yōu)異。 如，所得的碳納米管/羰基鐵粉復(fù)合吸收劑在范圍6.4?14.8 GHz頻率范圍內(nèi)對應(yīng)1.2?2.5 mm的涂層厚度的反射損耗(RL)小于?20 dB。這明顯優(yōu)于報(bào)道的文獻(xiàn)，如，F(xiàn)e/SmO(0.73?1.3 GHz)，F(xiàn)e/Fe3B/Y2O3(2.7?6.5 GHz)，F(xiàn)e/C(4.4?8.3 GHz)，鈷填充碳納米管(15.3?16.5 GHz)，Co/碳納米管，(Fe, Ni)/碳納米球(13.6?16.6 GHz)，鐵填充碳納米管（15.3?16.2 GHz)，?-Fe2O3-MWCNT和Fe/Fe3C-MWCNT，碳納米管/CoFe2O4尖晶石納米復(fù)合材料。因此，所獲高磁導(dǎo)率Fe基磁性納微粒子是一種吸收強(qiáng)、涂層薄、質(zhì)輕、成本低的微波吸收材料。這為改善傳統(tǒng)的吸波材料的性能、設(shè)計(jì)和制備薄、輕、寬、強(qiáng)吸收涂層提供了有效的途徑。對改善傳統(tǒng)電磁吸收與屏蔽材料的功能特性具有重要的指導(dǎo)意義，同時也為浙江省材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和城市居民的身體健康提供有力的保證。該項(xiàng)目符合浙江省“十二五”科技發(fā)展計(jì)劃的要求。
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