纳米Fe3Al金属间化合物吸波性能的研究

论文题目: 纳米Fe3Al金属间化合物吸波性能的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 周春华

导师: 尹衍升

关键词: 金属间化合物,纳米粉末,磁性,吸波材料

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着现代科学技术和军事技术的发展,吸波材料(absorbing materials)的研究与应用显得日益的重要。这一发展给吸波材料提出了“薄、轻、宽、强”,耐高温、耐腐蚀和耐候性等方面的要求。显然,传统的吸波材料(e.g:磁性金属粉体、铁氧体等)远远不能满足上述要求。纳米材料作为一种新材料已在航天、电子、化学、生物等领域得到了应用。由于其巨大的比表面积和特殊性能,成为新型的吸波材料,尤其是纳米磁性材料成为现在研究的热点。但是纳米磁性金属粉及其氧化物比重大、易氧化且不适宜低频波段吸收,人们试图以其合金替代。本课题首次选用Fe3Al会属间化合物作为吸收剂进行吸波性能及其机理的研究。Fe3Al金属间化合物具有较高的磁导率和较低的导电性,密度低,而且具有高温抗氧化性、耐腐蚀性等优异性能。这些性能对Fe3Al合金作为微波吸收剂是十分有利的。对于吸波材料,材料的电磁性能对吸波性能的影响是决定性。因此,本文首先制备了纳米Fe3Al合金粉末并对其进行表面处理,研究了Fe3Al粉末的磁性能和电性能,在此基础上,测试了它的电磁参数(ε’、ε"、μ’、μ")和反射率R(dB)～f(GHz)曲线,系统地研究了“Fe3Al+基体环氧树脂”体系在厘米波段(2～18GHz)和毫米波段(26～40GHz)的吸波性能,探讨了纳米Fe3Al吸收剂的吸波机理。为Fe3Al吸收剂的应用打下基础。本论文的主要研究内容如下:首先,采用高能球磨法制备了纳米Fe3Al金属间化合物粉体,并借助XRD、TEM、SEM、DSC、激光粒度分析仪和EDS等测试手段,对球磨过程和低温退火过程的组织结构的演变、Fe3Al粉体的形貌、颗粒尺寸的分布以及纳米粒子的累计百分数进行了表征和测试。研究表明,Fe、Al元素粉末在球磨过程中Al原子逐渐溶于Fe中形成了无序α-Fe过饱和固溶体。球磨过程中晶粒细化和微观应变同时存在,且微观应变随球磨时间增大而增大。分析表明,球磨20h的Fe-28Al粉末在750℃退火过程中,无序α相通过Al原子有序重排和APS畴界移动,转变为有序DO3结构。在相同退火温度下,Fe3Al的形成与球磨时间密切相关。球磨时间越长,球磨过程产生的形变、加工硬化以及晶格畸变越严重,因此将产生更多的畸变能和表面能,原子的扩散速率随之加快,有利于退火过程中Fe3Al的形核和长大,Fe3Al合金结构的有序程度越高。摘要随着球磨时间的延长,粉末颗粒由不规则形状变为球形,平均粒径由微米级下降到纳米级。球磨100h后,体系中纳米粒子累计百分数达80.45%,且大部分颗粒为几十纳米,颗粒尺寸分布呈现正态分布。磁性细颗粒彼此相互吸引聚集而成一种松散的结构。F伪AJ粉体的成功制备为吸波性能的研究奠定了基础。由于磁性纳米Fe3AI粉末的强烈团聚在聚合物中难以分散,必须对其表面进行处理。采用TG热失重法测定单分子层饱和吸附量作为各种偶联剂的用量。HSt、A一172、铝酸酷和自制的复合偶联剂PHY在超细Fe3AI粉体表面的饱和吸附量分别为1 .24%,1.8%、1.92%和0.05%。IR和SEM分析表明,它们都与超细Fe3川粉体表面发生了化学反应,形成了化学键合。未经表面处理的Fe3AI粉末在聚合物中明显团聚,在单分子层饱和吸附量下超细Fe3川能较好的分散于聚合物基体中,尤其是铝酸酷和PHY偶联作用效果显著。偶联剂对Fe3AI粉末的平均粒径和粒径分布有很大的影响。PHY处理的纳米Fe3川的平均粒径由95Inn下降到79nln,纳米颗粒的含量明显增加;粒径分布变窄,呈现正态分布。说明偶联剂在Fe3AI颗粒表面形成单分子层,可较好地解决超细Fe3AI团聚问题。同时,改善了粉体颗粒与树脂基体的界面粘结性。利用VSM测试了试样的磁滞回线。用MA法制得Fe3AI合金粉末具有较高的饱和磁化强度和较低的矫顽力,有较好的软磁性能。Fe3AI中灿原子的含量为22%一31 .1%,随着月原子的增加,Fe3AI合金粉体的Ms从1 60.semu.扩降到1 17.oemu.g一,,矫顽力略有升高;当组成和球磨条件相同时,Fe3川合金的有序度随着保温时间的延长而提高,有序度高的Fe3川合金磁性优于较低有序度合金的磁性,D03型的Fe3月磁性远优于BZ型;当组成和退火条件相同时,随着球磨时间的延长(从15h到1 OOh)姚由93 emu.g,增大为161.0 emu.g一’。Fe3AI矫顽力则由600e增至198.ooe,但后期增幅减慢。总之,减小磁性粉体粒子的尺寸,可同时提高Ms和矫顽力Hc,磁滞回线的面积增大,尤其是纳米Fes川的Ms和Hc远大于微米级的样品。应用价电子理论和原子团簇模型探讨了纳米Fe3AI合金粉末的Ms显著提高的原因。在相同组成和相同退火条件下,由于DO3结构的Fe3甩的Ms远高于BZ结构,球磨时间的延长使得Fe3月的有序化程度提高;纳米粒子的表面未配位的Fe原子增多,Fe原子磁矩增加,形成的原子团簇总磁矩较大;纳米颗粒内部的空泡、杂质量和内应力大大减少有利于磁畴转动和畴壁位移从而使纳米Fe刃的磁性高于微米Fe3AI。矫顽力Hc较大的原因是,通过机械合金化制备的磁粉,矫顽力为钉扎机制,Fe3AI颗粒的晶粒尺寸越小,晶界所占分数越大,因而畴壁位移时所受的钉扎作用也越明显,山东人学博_卜学位论文具有纳米结构的细小晶粒使矫顽力大为增加。较大的Ms和Hc必然导致较高的磁损耗,对吸波材料非常有利。

论文目录:

中文摘要

Abstract

第一章绪论

1.1前言

1.2磁性纳米吸波材料的吸波机理

1.2.1吸波原理

1.2.2磁性金属及合金纳米粉体作为吸波材料的理论基础

1.2.3磁性金属及合金纳米粉体的电磁损耗机理

1.3磁性金属和合金纳米吸波材料的研究动态

1.4Fe_3Al金属间化合物的结构特点以及作为吸波材料的可能性

1.4.1Fe_3Al金属间化合物的结构特点

1.4.2Fe_3Al金属间化合物作为吸波材料的可能性

1.5Fe_3Al-高分子复合吸波涂层的关键技术

1.5.1机械合金化及超细粉体的表面处理

1.5.2树脂基体的选择

1.6本研究的意义和主要研究内容

1.6.1研究意义

1.6.2研究的主要内容

参考文献

第二章Fe_3Al金属间化合物的机械合金化

2.1实验过程

2.1.1Fe_3Al金属间化合物粉体的制备

2.1.2Fe_3Al粉体的相对密度测试

2.1.3Fe_3Al材料的组成及微观结构的表征

2.2结果与讨论

2.2.1机械球磨过程中Fe-28Al粉体的形貌和结构

2.2.2球磨过程的显微硬度

2.2.3低温退火过程中Fe_3Al的有序转变

2.2.4低温退火后Fe_3Al合金粉末的TEM形貌

2.2.5Fe_3Al合金粉末的粒度、粒度分布#32

2.2.6Fe_3Al合金粉末的组分变化

2.2.7Fe_3Al合金粉末的相对密度

2.3本章结论

参考文献

第三章超细Fe_3Al粉体的表面处理技术

3.1实验过程

3.2结果与讨论

3.2.1偶联剂在Fe_3Al粉体表面的饱和吸附量的测定

3.2.2超细Fe_3Al粉末表面的IR分析

3.2.3Fe_3Al粉体与表面活性剂的作用机理分析

3.2.4不同粒径Fe_3Al的偶联剂的用量

3.2.5超细Fe_3Al粉末在基体中分散的SEM形貌

3.2.6偶联剂对Fe_3Al粒径分布的影响

3.3本章结论

参考文献

第四章Fe_3Al金属间化合物粉体的磁性能

4.1实验过程：Fe_3Al粉体的磁滞回线测试

4.2结果与讨论

4.2.1不同Al含量的Fe_3Al的磁性能

4.2.2球磨时间对Fe_3Al金属间化合物磁性能的影响

4.2.3退火时间对Fe_3Al磁性能的影响

4.3Fe_3Al金属间化合物的磁性机制的分析

4.3.1Fe_3Al电子结构与磁性能

4.3.2米Fe_3Al合金粉末与磁性能

4.4本章结论

参考文献

第五章Fe_3Al金属间化合物粉体的电性能

5.1实验过程：

5.1.1Fe_3Al粉体的电导率测试

5.1.2纳米／聚合物复合体系的电导率的测定

5.2结果与讨论

5.2.1Al原子含量与Fe_3Al电导率的关系

5.2.2Fe_3Al合金粉末的粒径与其电导率的关系

5.2.3Fe_3Al粉末表面处理对材料的电性能的影响

5.3本章结论

参考文献

第六章Fe_3Al金属间化合物的吸波性能

6.1实验过程

6.2结果与讨论

6.2.1Fe_3Al合金的Al原子含量对Fe_3Al电磁参数影响

6.2.2Fe_3Al合金粉末的粒度对其电磁参数的影响

6.2.3吸收剂的比例对Fe_3Al的电磁波参数影响

6.3计算机模拟优化Fe_3A粉体的反射率(R)

6.4Fe_3Al吸收剂的电导率与其复介电常数的关系

6.5本章结论

6.6参考文献

第七章纳米Fe_3Al合金粉末的吸波性能及吸波机理

7.1实验过程：

7.1.1Fe_3Al粉体／环氧树脂吸波涂层的制备

7.1.2不同厚度的厘米波段的R(%)-f(GHz)曲线的测定

7.1.3不同厚度的毫米波段的R(％)-f(GHz)曲线的测定

7.2结果与讨论

7.2.1厘米波段的吸波性能

7.2.2毫米波段的吸波性能

7.3纳米Fe_3Al金属间化合物的吸波机理

7.3.1Fe_3Al金属间化合物粉体的吸波机理

7.3.2纳米Fe_3Al金属间化合物的吸波机理

7.3.2.1界面效应

7.3.2.2表面效应

7.3.2.3纳米吸收剂颗粒粒径与电磁波的散射、吸收的关系

7.4本章结论

参考文献

第八章结论与展望

致谢

博士期间发表和待发表的论文

发布时间: 2005-06-14

参考文献

[1].纳米颗粒相变热力学和电化学热力学的理论和实验研究[D]. 朱晋华.太原理工大学2017
[2].新型能量受体纳米钯在荧光共振能量转移技术中的研究与应用[D]. 李慧.武汉大学2015
[3].多尺度材料与装置在肿瘤诊断治疗应用中的新方法研究[D]. 燕双仟.华中科技大学2017
[4].几种硫族化合物超细/异质纳米结构的合成策略及应用研究[D]. 顾超.中国科学技术大学2018
[5].水溶性掺杂型纳米晶的合成及性质研究[D]. 庄家骐.吉林大学2004
[6].射流电铸快速成型纳米晶铜工艺基础研究[D]. 赵阳培.南京航空航天大学2005
[7].纳米无机非金属材料的合成与表征[D]. 储刚.东北大学2005
[8].大尺寸纳米金属银和纳米金属钨块材的制备与力学性能研究[D]. 周宇松.浙江大学1999
[9].含纳米Ni粉高温陶瓷涂层材料的设计、制备和涂层性能、界面反应及元素扩散的研究[D]. 古一.中南大学2005
[10].ZnS/有机物纳米复合材料的制备与光学性能的研究[D]. 钟敏.浙江大学2005

纳米Fe3Al金属间化合物吸波性能的研究

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