【摘 要】
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近年来,微波吸收材料在隐身、通信和信息处理技术中的应用引起了人们的极大兴趣。作为一种传统的介电损耗型电磁波吸收材料,ZnO具有半导体性能出色、质量轻、制备工艺简单、稳定性高等优点。但是损耗机制单一、介电常数较大的缺点也导致其特征阻抗不匹配、吸收性能不理想。目前通常采用形貌调控、金属离子掺杂、复合体系的构建等方法改善ZnO吸波性能。稀土元素因其独特的外层电子结构,具有很好的顺磁磁化率和磁晶各向异性,
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近年来,微波吸收材料在隐身、通信和信息处理技术中的应用引起了人们的极大兴趣。作为一种传统的介电损耗型电磁波吸收材料,ZnO具有半导体性能出色、质量轻、制备工艺简单、稳定性高等优点。但是损耗机制单一、介电常数较大的缺点也导致其特征阻抗不匹配、吸收性能不理想。目前通常采用形貌调控、金属离子掺杂、复合体系的构建等方法改善ZnO吸波性能。稀土元素因其独特的外层电子结构,具有很好的顺磁磁化率和磁晶各向异性,不仅可以掺杂到铁氧体中调节、优化其电磁参数,而且稀土化合物与其他吸波材料复合时也展现出损耗机制多元化,既有磁损耗,也有介电损耗,在不断的研究过程中证明稀土吸波材料具有可观的吸波性能。将稀土离子以及稀土化合物与ZnO结合,有助于提高微波吸收性能。本论文通过制备方法的调控,获得不同尺寸、不同结构、不同界面结合状况的氧化锌/稀土化合物复合材料,探究组成、形貌、尺寸与性能之间的关系,调节复合材料的电磁参数,并讨论了材料中磁损耗、介电弛豫损耗等机制,这些机制协同作用明显改善了氧化锌的吸波性能。本论文的具体研究内容如下:(1)ZnO花状微球负载Na YF4:Yb,Tm复合吸波材料的制备及其电磁性能采用微波辅助溶剂热-超声浸渍两步法制备了ZnO花状微球负载Na YF4:Yb,Tm纳米颗粒(ZnO/Na YF4:Yb,Tm)复合材料。通过改变Na YF4:Yb,Tm的沉积量以及后续煅烧温度优化该复合材料的吸波性能。实验结果表明:当Na YF4:Yb,Tm的沉积量为0.15 mmol、煅烧温度为500 oC时,所得复合材料在10 GHz处最小反射损耗值达到-39.38 d B,厚度为2.9 mm(与基底材料石蜡混合压制,质量分数为50 wt%),其有效吸收带宽(RL<-10 d B)为2.48 GHz(9.04-11.52 GHz)。有效的微波吸收性能源于独特的分层结构,从而导致大量散射和界面极化。稀土离子掺杂制备出的氟基上转换材料有助于缺陷极化产生。Zn和O之间的电负性的差异将在交替的电磁场下引起偶极子极化。(2)Gd2O3修饰ZnO中空微球的制备及其电磁性能首先,采用水热法一步合成了C/ZnO复合微球,随后采用高温煅烧方法去除C模板得到ZnO中空多孔微球;最后利用化学浴沉积法将Gd2O3纳米颗粒装饰在中空多孔ZnO微球上得到Gd2O3修饰ZnO复合材料(ZnO/Gd2O3)。实验考察了改变Gd2O3沉积量对复合材料的电磁波吸收性能的影响。实验结果表明:ZnO/Gd2O3-2厚度为3.5 mm(与基底材料石蜡混合压制,质量分数为50 wt%)时,在12.64 GHz处达到最小反射损耗值-40.8 d B,而有效吸收带宽(RL<-10 d B)为7.12 GHz(8.96-16.08 GHz)。由于ZnO/Gd2O3的独特中空多孔结构,大量界面的存在会导致界面上电荷的积聚,孔的存在可以诱发偶极矩作为点缺陷,均提供了增强的界面偶极极化,从而增加了介电弛豫。Gd2O3的引入使复合材料拥有磁损耗,阻抗匹配较好,电磁波可以进入材料内部,各成分的协同作用带来双重损耗。(3)Ce掺杂ZnO片层堆积空心立方体的制备及其电磁性能以Cu2O为模板,采用协同刻蚀沉积法制备得到Ce掺杂ZnO片层堆积空心立方体结构吸波材料,并对其合成机理及电磁波吸收性能进行了研究。实验结果显示:Ce-ZnO样品在厚度为3.0 mm(与基底材料石蜡混合压制,质量分数为50 wt%)时,在9.28 GHz处达到最小反射损耗值-43.26 d B,RL在-10 d B以下的有效吸收带宽为2.88 GHz(8.08-10.96 GHz)。这种增强的微波吸收性能归因于片层堆积空心立方体结构强的形状各向异性及Ce3+/Ce4+掺杂导致电荷极化增强。
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