基本信息
- 项目名称：
- 宽带-轻质Fe基吸波材料的可控制备与电磁特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目组提出以铁、碳纳米管、膨胀石墨等为原料分别建立片状铁、铁/碳纳米管、铁/膨胀石墨的高能球磨、共混复合、插层复合等技术。探索形成铁基吸波材料的微观过程与控制技术；揭示铁基吸波材料的组成、结构对其静磁、电导率、微波电磁等性能的影响规律，阐明铁基吸波材料与外加磁场和微波电磁场的相互作用机制。从而为进一步用它们制备“薄、轻、宽、强”的吸波涂层材料提供理论基础。
- 详细介绍：
- 近年来，各种电子设备、家用电器、通讯设施的广泛使用使电磁波污染日益严重。为了减小透射和反射电磁波对环境的危害，开发反射-吸收型（特别是低反射、高吸收型）的新型电磁波吸收与屏蔽材料在目前尤为重要。考虑到从纳米尺度上设计和控制铁基吸波材料的组成和结构有可能赋予其特殊的电、磁功能，解决当前微波吸波材料存在成分和形貌单一、密度大、抗腐蚀性能差、成本高等问题，实现“薄、轻、宽、强”的吸波涂层材料的高要求。为此，本项目组提出以铁、碳纳米管、膨胀石墨等为原料分别建立片状铁、铁/碳纳米管、铁/膨胀石墨的高能球磨、共混复合、插层复合等技术。探索形成铁基吸波材料的微观过程与控制技术；揭示铁基吸波材料的组成、结构对其静磁、电导率、微波电磁等性能的影响规律，阐明铁基吸波材料与外加磁场和微波电磁场的相互作用机制。从而为进一步用它们制备“薄、轻、宽、强”的吸波涂层材料提供理论基础。 针对磁导率低的问题，本研究建立了高磁导率片状铁粒子高能球磨法制备技术和吸收机制。通过改变固液比、球磨频率调控铁粒子的厚/径比、晶粒尺寸、结晶度，获得成本低、磁导率高，性能优异的微波吸收材料。 为了获得宽带-轻质吸波涂层材料，本研究将填充剂的体积分数从40 %减少到35 %，保持磁导率几乎不变，通过将少量低密度、高介电常数的单壁碳纳米管与羰基铁粉共混可提高吸收性能。且所得的碳纳米管/羰基铁粉复合吸收剂在范围6.4−14.8 GHz频率范围内对应1.2−2.5 mm的涂层厚度的反射损耗(RL)小于−20 dB。特别是，在11.2 GHz对应1.5 mm的匹配后的最低RL = − 33.3 dB。这种优良的微波吸收特性是由于少量高导电性、介电常数、介电损耗的碳纳米管的添加，导致电磁匹配与吸收特性的增强。 为克服已有制备方法存在周期长、复杂多步等问题，本研究以膨胀石墨为宿主材料，以Fe为插层剂，采用简易的吸附-还原法制备双损耗型石墨层间复合物，研究插层剂Fe的含量对插层复合物的微波电磁与吸收特性的影响。对插层结构进行了电路模拟，并阐明了其作用机制。该研究填补了在插层复合物的可控制备、电磁参数的调控方法及插层结构的作用机制等研究上的空白。 该研究开拓了高磁、高导率和宽带-轻质的吸波材料研制的新思路，具有很好的理论探索价值和应用前景。
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撰写目的和基本思路
- 减小电磁波的危害，开发反射-吸收型的新型电磁波吸收与屏蔽材料在目前尤为重要。羰基铁具有比饱和磁化强度高、成本低等优点成为吸波材料的主流，但密度大、有效频带较窄、频散特性和化学稳定性差等缺点使其难以满足“薄、轻、宽、强”吸波涂层材料的高要求。本项目组采用高能球磨、共混复合、插层复合等技术，改变吸收剂的结构、形貌、组成来调制传统羰基铁粉吸波剂的电和磁特性，制备“薄、轻、宽、强”的吸波涂层材料
科学性、先进性及独特之处
- 建立高磁导率片状铁粒子高能球磨法制备技术和吸收机制。提出一种宽带-轻质复合微波吸收材料制备的简易方法。即在降低羰基铁粉的填充分数(或面密度)的条件下，将少量轻质、高介电常数的碳纳米管与高磁损耗的羰基铁共混，获得吸波性能优异的碳纳米管/羰基铁粉复合吸收剂。对插层结构进行了电路模拟，并阐明了其作用机制。同时系统地研究插层剂对插层复合物的电磁特性的影响规律。提出的吸附-还原法克服周期长等缺点。
应用价值和现实意义
- 所获的Fe基吸收剂是一种吸收强、厚度薄、质量轻、成本低的微波吸收材料。它有望以涂料、贴片或织物等形式应用在服饰、建筑内外墙、其它电子设备以及军用设施，能吸收和反射电子设备、家用电器和通讯设备等释放的电磁波，保护人体免受电磁波的伤害、防止电磁干扰和信息泄露。这为浙江省材料产业的可持续发展和城市居民的身体健康提供有力的保证，符合浙江省“十二五”科技发展计划。
学术论文摘要
- 考虑到从纳米尺度上设计和控制铁基吸波材料的组成和结构有可能赋予其特殊的电、磁功能，解决当前微波吸波材料存在成分和形貌单一、密度大、抗腐蚀性能差、成本高等问题，实现“薄、轻、宽、强”的吸波涂层材料的高要求。为此，本项目组提出以铁、碳纳米管、膨胀石墨等为原料分别建立片状铁、铁/碳纳米管、铁/膨胀石墨的高能球磨、共混复合、插层复合等技术。探索形成铁基吸波材料的微观过程与控制技术；揭示铁基吸波材料的组成、结构对其静磁、电导率、微波电磁等性能的影响规律，阐明铁基吸波材料与外加磁场和微波电磁场的相互作用机制。从而为进一步用它们制备“薄、轻、宽、强”的吸波涂层材料提供理论基础。该项目的研究对促进我国的经济和磁性材料产业的可持续发展，有效地防止电磁波污染，提高城镇居民的健康水平都具有十分重要的现实意义。
获奖情况
- 论文在《Journal of Alloys and Compound》（SCI 三区IF=2.135）、《Journal of Materials Research》(SCI 二区Top IF=1.743)、《SCIENCE CHINA Technological Sciences》、《中国科学E》、《中国科学B》、《功能材料》上发表。 获浙江师范大学第四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。
鉴定结果
- 同意
参考文献
- [1] G.X. Tong, J.G. Guan, Z.D. Xiao, F.Z. Mou, W. Wang, G.Q. Yan, In Situ Generated H2 Bubble-Engaged Assembly: A One-step Approach for Shape-controlled Growth of Fe nanostructures. Chem. Mater. 20 (2008) 3535−3539. [2] X.A. Fan, J.G. Guan, Z.Z. Li, F.Z. Mou, G.X. Tong, W. Wang, One-pot low temperature solution synthesis, magnetic and microwave electromagnetic properties of single-crystal iron submicron cubes.J. Mater. Chem. 20 (2010) 1676−1682. [3] J.R. Liu, M. Itoh, M. Terada, T. Horikawa, K. Machida, Enhanced electromagnetic wave absorption properties of Fe nanowires in gigaherz range. Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 093101.1−093101.3. [4] X.A. Fan, J.G. Guan, W. Wang, G.X. Tong, Morphology evolution, magnetic and microwave absorption properties of nano/submicron iron particles reduced at different temperature.J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 75006−75012.
同类课题研究水平概述
- 传统的羰基铁粉吸波剂由于密度大、介电常数低难以满足“薄、轻、宽、强”吸波涂层材料的要求。为此，人们先后采用涂层的结构设计和吸波剂的复合等多种技术来改进传统的羰基铁粉吸波剂的性能。与单层吸波涂层相比，具有特殊结构的多层吸波涂层可大大提高吸波性能，但复杂的涂层结构导致成本高、施工性差。而通过吸波剂的复合来调节其微波电磁参数更易于获得吸波性能优良、施工性好的吸波涂层。大量的研究表明，组成、结构、形貌和损耗机理单一的微波吸收材料难实现“薄、轻、宽、强”吸波涂层材料的高要求。 本文针对羰基铁粉吸波剂存在的问题，本项目组提出以铁、碳纳米管、膨胀石墨等为原料分别建立片状铁、铁/碳纳米管、铁/膨胀石墨的高能球磨、共混复合、插层复合等技术。揭示铁基吸波材料的组成、结构对其静磁、电导率、微波电磁等性能的影响规律，阐明铁基吸波材料与外加磁场和微波电磁场的相互作用机制。从而为进一步用它们制备“宽带-轻质”的吸波涂层材料提供理论基础。与当前国内外同类课题研究相比： （1） 本研究的制备工艺简单、成本低，可实现规模化生产； （2） 电磁参数（特别是磁导率）可在大范围内调控，这解决当前科技难题； （3） 所获铁基材料性能更优异。 如，所得的碳纳米管/羰基铁粉复合吸收剂在范围6.4−14.8 GHz频率范围内对应1.2−2.5 mm的涂层厚度的反射损耗(RL)小于−20 dB。这明显优于报道的文献，如，Fe/SmO(0.73−1.3 GHz)，Fe/Fe3B/Y2O3(2.7−6.5 GHz)，Fe/C(4.4−8.3 GHz)，钴填充碳纳米管(15.3−16.5 GHz)，Co/碳纳米管，(Fe, Ni)/碳纳米球(13.6−16.6 GHz)，铁填充碳纳米管（15.3−16.2 GHz)，-Fe2O3-MWCNT和Fe/Fe3C-MWCNT，碳纳米管/CoFe2O4尖晶石纳米复合材料。因此，所获高磁导率Fe基磁性纳微粒子是一种吸收强、涂层薄、质轻、成本低的微波吸收材料。这为改善传统的吸波材料的性能、设计和制备薄、轻、宽、强吸收涂层提供了有效的途径。对改善传统电磁吸收与屏蔽材料的功能特性具有重要的指导意义，同时也为浙江省材料产业的可持续发展和城市居民的身体健康提供有力的保证。该项目符合浙江省“十二五”科技发展计划的要求。
