面向磁控吸波涂层的Fe基复合材料制备及电磁性能研究

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1、面向磁控吸波涂层的Fe基复合材料制备及电磁性能研究重庆大学博士学位论文学生姓名：杨平安指导教师：余淼教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一七年十月PreparationandElectromagneticPropertiesofIronBasedCompositesforMagnetronabsorbingcoatingsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’DegreeofEngineeringByYangP

2、inganSupervisedbyProf.YuMiaoSpecialty:InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2017中文摘要摘要随着现代电子信息和雷达探测技术的飞速创新发展，使得各种电子设备，特别是工作频率处于X波段（8～12GHz）的关键电子设备在军事与民用中广泛应用，导致人们的生活环境中充斥着各种电磁波。如何解决电磁波带来的电磁辐射污染以及实现武器装备的雷达隐身受到了普遍的关注，而

3、其核心技术之一是相关电磁波吸收材料的研发。铁磁吸波剂颗粒材料具有良好的阻抗匹配特性，高的Snoek’s截止频率、饱和磁矩以及居里温度，表现出优异的电磁波损耗能力，一直是吸波材料发展的重要方向。然而目前的铁磁吸波剂还无法满足理想吸波材料频带宽、吸收强、厚度薄、质量轻的要求，同时智能化是雷达隐身技术应对复杂多变战场环境必然的发展趋势。为此，本文旨在采用简单的方法制备具有优异吸波性能的Fe吸波剂颗粒，特别是针对X波段，有效拓展吸收频带、增强吸收强度。主要通过操作简单、反应迅速、易于控制的原位还原法在常温常压下制备各向异性结构的花状微米级Fe颗粒和桑葚状纳米Fe颗粒，以此来对

4、Fe吸波剂颗粒普遍存在的涡流与趋肤效应进行有效的抑制，改善电磁性能，提高吸波效果。同时，利用溶胶-凝胶和原位聚合工艺对桑葚状纳米Fe颗粒进行SiO2和碳介电壳层包覆，形成核壳结构颗粒，以提高颗粒的抗氧化、抗腐蚀以及单分散性，并且利用磁损耗和介电损耗材料电磁参数的互补性提升颗粒对电磁波的衰减能力。此外，利用Fe吸波剂颗粒的软磁特性，从制备的颗粒中选择兼具优良吸波性能和高饱和磁化强度的Fe基颗粒，采用磁流变材料的工艺技术制备Fe基复合材料，以研究颗粒的各向异性分布对材料吸波性能的影响，分析其规律，并搭建相应的测试装置，对通过磁场调控Fe基复合涂层的吸波性能进行测试与验证。

5、研究的主要内容和结果如下：①通过在微米级羰基铁颗粒（CIP）表面沉积Fe纳米片成功制备出花状CIP，在研究反应物浓度、组分以及条件对合成产物形貌的影响的基础上，提出花状CIP颗粒的合成机理为在表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的空间位阻作用下，CIP与反应生成的Fe核-H2气泡相互碰撞、结合并层层聚集沉积。吸波性能测试结果显示，花状CIP具有更好的电磁波吸收性能。相比于CIP，花状CIP的最小反射损耗（RL）降低了46.05%达到-35.49dB，并且在X波段的有效吸收带宽（RL<-20dB）拓展了57%。对花状CIP的制备工艺进行改进，通过磁场诱导Fe纳米片自组装制

6、备出平均粒径为3μm的三维分层结构的花状α-Fe颗粒，并且表现出优异的电磁吸波性能。在匹配厚度为3mm时，其RL值小于-10dB的范围覆盖了整个X波段和部分Ku波段达到6.2GHz；在厚度为5.5mm时，其最小RL值达到-33.1dB。花状I重庆大学博士学位论文Fe颗粒能够获得优异的吸波性能的主要原因在于各向异性结构的花状形貌有利于形成不连续网络、增加对入射电磁波的漫反射以及形成更多的界面电荷极化，从而增强电磁波的入射与吸收。②在花状α-Fe颗粒的制备工艺基础上，改用注射方式加入反应溶液，制备出桑葚状纳米Fe颗粒。微观形貌分析显示，桑葚状纳米Fe颗粒的粒径为几百纳米，

7、并且是由粒径为几十纳米的小颗粒自主装而成。研究分析其生长机理为注射加料使得局部生成的大量Fe核-H2气泡相互聚集形成几十纳米的小颗粒，然后在以磁力、重力以及H2气泡的浮力为主要推动力的作用下自主装、结合形成桑葚状纳米颗粒。制备的关键在于反应溶液中形成还原、成核、聚集、自组装和下沉的动态平衡与调节过程。由于纳米级的桑葚状Fe颗粒的粒径在趋肤深度以下，还具有量子效应、小尺寸效应以及表面效应等有利于界面极化和散射的性质，从而具有优异的吸波性能。在3mm厚度下，最小RL达到-29.57dB，并且RL值小于-10dB的带宽达到8.38GHz，覆盖了整个X波段、