磁性金属空心粉的制备及其电磁性能研究

论文摘要

随着电子技术的发展和广泛应用,电磁干扰和辐射越来越受到人们的重视,能够有效吸收电磁波的吸波材料已成为材料研究领域的一个热点。其中,磁性金属粉如铁、钴、镍及其合金粉因具有较好吸收性能而具有很好的应用前景,但是普通金属磁性粉体具有密度大的缺点,而航空航天等应用领域要求材料密度低,目前的电磁波吸收材料在较大程度上无法满足这一要求。因此制备低密度吸波材引起了研究人员的关注,而空心化是一种有效降低材料密度的方法。目前,国内外研究制备空心粉的方法主要是模板法。而在利用自催化还原法制备空心镍粉的过程中,胶体模板本身参与化学反应,通过消耗自身而形成空心结构。与通常的模板法相比,该方法避免了前期专门制备、处理模板的过程,后期也无需去除模板,大大简化了制备过程,降低了成本,因此具有较好的推广应用前景。本论文以设计并制备优异的轻质电磁波吸收材料为目标,将空心结构材料低密度优点与磁性材料的强微波吸收性能相结合,同时考虑了纳米结构材料光学新颖特性,制备出了粒径、成分可控的金属磁性空心粉体,研究了它们的磁性、微波和光学性能,并对它们在微波吸收和太阳能吸热涂层方面的应用做了预测和探索。主要研究内容及结论如下:（1）、采用自催化还原法制备出了镍、镍-钴复合空心粉和镍-四氧化三铁复合空心粉。在制备过程中,NaOH浓度的增加,会使孕育时间缩短,粉体粒径降低。对于后两种复合空心粉体,随着制备溶液中Co2+或Fe2+浓度的增加,最终样品中的钴和四氧化三铁成分随之增大。（2）、利用化学镀方法制备了镍-钴双层空心粉。随着还原剂浓度的增加,磷和钴含量增加;络合剂浓度的增加,镀层基本结构由片状变为棒状;在pH值范围控制在9～10时,镍粉表面钴沉积量最多;装载量的增加,使镀层变得稀疏;镍粉粒径的减小,增大催化活性,钴沉积量增强。（3）、空心镍粉的磁性能（包括饱和磁化强度、矫顽力和剩余磁化强度）随着粒径的减小而减弱;当测试温度升高时,热运动增强,使磁性能降低;通过高温热处理,样品的结晶度增强,使得磁性能得到提高。通过包覆钴,可以明显增加镍空心粉的磁性能,且随着钴沉积量的增加,磁性能不断增加;当钴层中磷含量增加时,镀层结晶度降低,降低了样品的矫顽力。对于镍-钴复合空心粉,钴含量的增加,明显增强了样品的磁性能;当粒径变小时,矫顽力和剩余磁化强度随之降低。对于镍-四氧化三铁复合空心粉时,粉体磁性能随Fe3O4含量的增加而增强;粒径的减小同样使矫顽力降低。（4）、对于空心镍粉,随着粒径的减小,介电常数逐步增加,而磁导率则逐步减小,另外,在15GHz附近介电谱线上出现了由固有电偶极子取向极化引起的共振峰,而在4.8GHz附近磁谱谱线上出现了由自然共振导致的共振峰。（5）、通过在空心镍粉表面包覆钴制备双层空心粉,可以使磁导率增加,但是由于钴层存在网络结构,介电常数减弱;随着还原剂浓度的增加,磷和钴含量增加,复介电常数和磁导率均增加;随着络合剂浓度的增加,使沉积速度减缓,致使样品中钴含量降低,从而引起磁导率的降低,由于钴层结构同时发生变化,使得介电常数的实部逐步增加,虚部则是不断减小。对于镍钴双层空心粉,当钴含量低、磷含量较高以及钴层结构为棒状时,其微波吸收能力比较高。（6）、镍-钴复合空心粉的复介电常数和磁导率随着钴含量的增加而增加,但当钴含量超过镍含量时,电磁参数则会降低;随着粒径的减小,镍钴复合空心粉的介电常数逐步增加,而磁导率则是降低。对于镍钴复合空心粉,镍钴比例为6:1时在5.3GHz的反射损耗为-45.3dB,具有良好的微波吸收性能。（7）、镍-四氧化三铁复合空心粉的介电常数随着Fe3O4含量的增加逐步降低,磁导率则是在高频逐渐增加;粒径的减小会使Ni-Fe3O4复合空心粉介电常数变大,但对磁导率的影响因频率不同而不同,在低频时有增大的趋势,在高频则是降低。对于Ni-Fe3O4复合空心粉,最小反射损耗（-42.2dB）出现在14.8GHz,较薄（1.5mm）的涂层获得了比较理想的微波吸收性能。（8）、研究了粒径对空心镍粉的光吸收性能的影响,探索了空心镍粉在太阳能吸热涂层上的应用。研究发现,在UV-Vis-NIR范围内,空心镍粉的光吸收系数随着波长的增大而减小,当镍粉粒径变小时,光吸收能力增加;由于等离子共振,小粒径镍粉在375nm处出现吸收峰。热处理后的镍粉晶粒尺寸增大,光吸收性能轻微减弱,紫外区的共振峰的位置发生蓝移。以镍粉为吸收剂、丙烯酸树脂为粘结剂、铝板为基板制备的涂层,在太阳光谱区具有优秀的吸收性能,总吸收率α最高可达到0.98。本论文的主要创新之处:以柠檬酸钠为络合剂通过化学镀方法在空心镍粉表面包覆不同形貌的钴层,改善了空心镍粉的磁性能和微波吸收性能;利用自催化还原法制备了成分和粒径可调的镍-钴复合空心粉,在5.3GHz的最小反射损耗为-45.3dB,即在较低频率表现出了优异的微波吸收性能;制备出了成分和粒径可调的镍-四氧化三铁复合空心粉,其最小反射损耗（-42.2dB）出现在14.8GHz,低厚度（1.5mm）涂层即可获得比较理想的微波吸收性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空心粉的研究进展
• 1.2.1 制备方法
• 1.2.2 应用领域
• 1.3 微波吸收材料的研究进展
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 工作原理
• 1.3.3 吸波材料的分类
• 1.4 太阳能选择性吸收涂层
• 1.4.1 太阳能选择性吸收涂层的选择性与衡量标准
• 1.4.2 选择性吸收涂层的种类
• 1.4.3 制备方法
• 1.5 本实验室的前期研究
• 1.6 本课题的研究目标和内容
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 2.1 药品试剂
• 2.2 实验设备
• 2.3 粉体制备过程
• 2.4 分析测试方法
• 2.4.1 形貌结构
• 2.4.2 物相分析
• 2.4.3 粒度分析
• 2.4.4 光学性能
• 2.4.5 磁性能
• 2.4.6 动态电磁性能
• 2.4.7 微波吸收性能
• 参考文献
• 第三章 磁性空心粉的制备工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 制备原理
• 3.3 空心镍粉制备
• 3.4 镍-钴双层空心粉的制备
• 3.4.1 还原剂与主盐浓度比的影响
• 3.4.2 络合剂浓度的影响
• 3.4.3 pH 值的影响
• 3.4.4 镍粉量的影响
• 3.4.5 镍粉粒径的影响
• 3.5 镍-钴复合空心粉的制备
• 2+:Co²⁺浓度比的影响'>3.5.1 Ni²⁺:Co²⁺浓度比的影响
• 3.5.2 氢氧化钠浓度的影响
• 3.6 镍-四氧化三铁复合空心粉的制备
• 2+:Fe²⁺浓度比的影响'>3.6.1 Ni²⁺:Fe²⁺浓度比的影响
• 3.6.2 NaOH 浓度的影响
• 3.7 小结
• 参考文献
• 第四章 磁性空心粉磁性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 空心镍粉磁性能
• 4.2.1 粒径的影响
• 4.2.2 温度的影响
• 4.2.3 热处理的影响
• 4.3 镍-钴双层空心粉磁性能
• 4.3.1 钴含量的影响
• 4.3.2 还原剂浓度的影响
• 4.3.3 络合剂浓度的影响
• 4.4 镍-钴复合空心粉磁性能
• 4.4.1 镍钴含量比的影响
• 4.4.2 粒径的影响
• 4.5 镍-四氧化三铁复合空心粉磁性能
• 4.5.1 镍铁含量比的影响
• 4.5.2 粒径的影响
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 磁性空心粉微波电磁性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 空心镍粉的电磁性能
• 5.3 镍-钴双层空心粉的电磁性能
• 5.3.1 钴含量的影响
• 5.3.2 还原剂浓度的影响
• 5.3.3 络合剂浓度的影响
• 5.4 镍-钴复合空心粉的电磁性能
• 5.4.1 镍钴含量比的影响
• 5.4.2 粒径的影响
• 5.5 镍-四氧化三铁复合空心粉的电磁性能
• 5.5.1 镍铁含量比的影响
• 5.5.2 粒径的影响
• 5.6 小结
• 参考文献
• 第六章 空心镍粉光学性能及其太阳能应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 空心镍粉的光学性质
• 6.2.1 粒径的影响
• 6.2.2 热处理的影响
• 6.3 涂层的光学性能
• 6.3.1 涂层的制备和表征
• 6.3.2 涂层厚度的影响
• 6.3.3 镍粉粒径的影响
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 主要结论和创新
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及专利
• 致谢