Ni/SnO2复合材料制备和结构调控及其吸波性能的研究

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本文设计了不同结构的Ni/SnO2复合材料,进而研究其结构对电磁波吸收性能的影响和吸波机理,从而达到以结构控制性能的目的。首先制备了尺寸均匀的Ni微球(~1.0μm)和尺寸大小约为80 nm的SnO2纳米颗粒。简单机械混合Ni微球和SnO2纳米颗粒所制得的混合物,对比于单一的Ni微球和SnO2纳米颗粒,此混合物表现出相对提高的电磁吸收性能,其主要原因是混合物中结合了磁损耗和介电损耗的双重损耗机制。随后引入特殊多孔结构、核壳结构、核-空-壳结构来研究其结构的变化对其复合材料吸波性能的影响。本研究主要内容包括:  ⑴SnO2纳米粒子沉积在中空多孔Ni骨架的新型杂化材料通过两步法(液相化学还原和水热腐蚀法)成功制备。在此实验方案中,反应温度对最终产物的形态和结构有很大的影响,同时提出了一个基于化学反应酸腐蚀的形成机制。相比于原始的Ni球和简单机械Ni/SnO2混合物,中空多孔Ni/SnO2杂化复合材料表现出优异的微波吸收能力,其最小的反射损耗为-36.7 dB,另外,其有效带宽(RL<-10dB,90%的微波吸收)可以通过控制吸波体的涂层厚度(1.5-3.5 mm)来调整。此中空多孔Ni/SnO2复合物的优异微波吸收特性归因于良好的阻抗匹配,多次反射和散射,界面极化和特殊的中空多孔结构。  ⑵以两种不同尺寸(500 nm,1.0μm)的Ni球为核,SnO2纳米颗粒为壳的核壳结构复合材料通过两步法(液相还原法和模板法)成功制备。通过研究核壳复合材料的吸波性能,可以发现Ni@SnO2复合材料的电磁波吸收性能比单一的镍微球、单纯SnO2纳米颗粒以及机械混合物的吸波性能要好。核壳Ni@SnO2复合材料的吸波性能可以通过调节壳物质氧化锡的含量来调控。对于微米Ni核@SnO2纳米颗粒复合材料,它的最低的回波损耗值是-22.5 dB,其有效的微波吸收频段(反射损失在-10 dB下)是4.4 GHz(13.2-17.6 GHz)。其吸波机制主要是因为高的介电损耗和磁损耗的协同效应,良好的阻抗匹配性,Ni核涡流效应的抑制,以及核/壳界面的界面极化弛豫效应。对于亚微米Ni(500 nm)为核,SnO2纳米颗粒为壳的核壳结构复合材料,相比微米Ni核@SnO2纳米颗粒复合材料,其性能显著地提高,在吸波涂层的厚度仅为1.5 mm时,其最小的回波损耗值是-43.3 dB(99.99%的电磁波吸收)。其性能的提高除了微米Ni核@SnO2纳米颗粒复合材料所提到的介电损耗和磁损耗的协同效应、良好的阻抗匹配性以及界面极化等损耗机制的作用外,亚微米的Ni(500 nm)核相对于微米的Ni(1.0μm)核,尺寸较小,其表面有许多的悬挂键和缺陷(尺寸效应),在电磁场的诱导激发下,这些悬挂键和缺陷是极化的中心,从而引起电磁波损耗。  ⑶研究壳物质的形貌和结构对核壳结构的亚微米Ni核@SnO2复合材料的电磁性能影响。在此实验中,盐酸的浓度对核壳Ni@SnO2复合材料的形态和微观结构有很大的影响,通过分析不同盐酸浓度的实验结果,提出了一个SnO2纳米棒生长于亚微米Ni球表面的复合材料形成机理。相比于纯亚微米Ni球,核壳结构Ni@SnO2复合材料表现出更好的热稳定性。核壳结构中的SnO2纳米棒的尺寸形貌可以通过控制前驱体氯化亚锡含量来调整。与之前研究的微米Ni核@SnO2纳米颗粒和亚微米Ni核@SnO2纳米颗粒复合材料相比,此SnO2纳米棒生长于亚微米Ni核壳结构的复合材料表现出优异吸波性能。SnO2纳米棒在改善微波吸收性能方面扮演了重要角色,尤其是壳物质SnO2特殊一维棒状纳米结构,类似天线原理可以用来解释吸波性能提高的原因。其最佳的反射损失在13.9 GHz为-45.0 dB并且其吸波涂层厚度仅仅为1.8 mm,此外它的有效吸波频宽(RL低于-10 dB)可以达到3.8 GHz(12.3-16.1 GHz)。  ⑷研究了核Ni@空@SnO2复合材料的电磁波吸收性能。相比较亚微米Ni核@SnO2核壳结构(Ni@SnO2纳米颗粒,Ni@SnO2纳米棒)复合材料,此Ni@空@SnO2复合材料表现出优异的吸波性能,在吸波涂层厚度仅为1.5 mm时,最佳反射损耗是-50.2dB在17.4 GHz频率下,其有效的吸波频段为10.6-14.0 GHz。此外我们调节了核@空@壳异质结构中壳物质的成分,制备了一种以金属Ni为核,双重物质SnO2(Ni3Sn2)为壳的核@空@壳异质结构的三元复合物。我们提出了一个基于腐蚀反应、原电池原理和柯肯达尔效应协同作用的形成机理。此Ni@空@SnO2(Ni3Sn2)复合物表现出优异的电磁吸波性能,此优异的吸波性能主要是由于特殊的核@空@壳异质结构和双元SnO2(Ni3Sn2)壳物质。从两种核@空@壳异质结构吸波性能分析,可知相比于核壳复合物,此类特殊核@空@壳结构表现出优异的吸波性能,其主要原因是核壳界面处空隙的产生,此空隙可以束缚电磁波,使其发生多重的反射和散射,束缚电磁波在此空间中,使其转化为热能被消耗。
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