微米级电气石表面包覆ZnO及其电磁屏蔽性能研究

论文摘要

本论文是国家自然科学基金项目（No.40172104）——电气石的自发极化机理及其环境净化研究中的一部分。自2002年至2005年的三年的工作中,作者在广泛分析总结前人资料的基础上,重点研究了电气石的电磁学性能,将ZnO包覆于微米级镁电气石表面,提高了电气石的电磁学性能。通过对电气石晶体的压电效应测试、微米级电气石粉体表面电位研究以及无机材料包覆原理的分析,包覆反应的正交实验,包覆粉体的表征及相关物性测试（傅立叶转换红外光谱（FTIR）、X射线光电子谱（XPS）、X射线粉晶衍射、扫描电镜（SEM）、电磁屏蔽性能测试、吸波性能参数测定等）,对比测定了镁电气石、普通ZnO以及包覆粉体的电磁屏蔽以及吸波性能。论文直观地测试出电气石晶体的压电效应,电气石晶体两端所产生的表面静电压随所受压力的增大而增大;揭示了微米级电气石粉体表面电性随pH值的增大而逐渐降低,由正变负,其中镁电气石的等电点为5.38;依据包覆原理分析以及正交实验的结果,进行了微米级电气石粉体表面包覆ZnO的实验研究,包覆完全;测试并分析了电气石以及包覆粉体对微波的吸收损耗性能。压电效应测试表明,当电气石晶体达到所能承受最大压力值时,即晶体破碎解体的瞬间,静电压也达到最大,最高静电压范围:751mV,均值为18.9mV;晶体柱面上也存在压电效应,其静电压为:59mV,约为两端最强静电压的1/31/4。微米级电气石粉体表面电性测试表明:镁电气石的等电点（pHpzc）为5.38,而ZnO前驱体碱式碳酸锌的等电点为pH=7.9±,当溶液pH=6.57时,电气石晶体由于表面金属离子解离,带负电荷,而碱式碳酸锌颗粒表面带正电,有利于包覆实验的进行。包覆实验依据静电引力相互吸引机理、化学沉淀机理,采用非均相凝聚法制备ZnO包覆微米级电气石的复合粒子。通过调控包覆反应时溶液体系的pH值、Zn2+的过量系数、反应温度等影响因素,可以使微米级电气石表面包覆一层粒径为78.71nm、厚度约为0.97μm的纳米级ZnO颗粒,包覆完全,无电气石裸露。电磁屏蔽性能测试表明:包覆后粉体的电磁屏蔽和吸波性能均较电气石有明显提高,在11.5GHz范围内,屏蔽性能可以达到18.26dB,对微波的介电损耗最高为0.177,四种介电损耗的大小顺序依次为:0≈镁电气石≈锂电气石<ZnO<包覆粉体=0.177。电气石、ZnO不具有吸波性能,包覆粉体具有弱的吸波性能。通过本次研究,进一步拓宽了非金属矿物材料——电气石在环境净化领域的应用范围,尤其在电磁屏蔽和吸波领域的应用。

论文目录

• 前言
• 第一章 引言
• 1.1 电气石研究概况
• 1.1.1 晶体结构与理化性质
• 1.1.2 应用研究现状
• 1.1.3 电气石粉体表面改性研究
• 1.2 ZNO 的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 研究内容及技术路线
• 第二章 电气石的电磁学性质
• 2.1 热释电效应
• 2.1.1 热释电系数（P）
• S'>2.1.2 自发极化强度P_S
• 2.2 电学性质
• 2.3 导电性
• 2.4 磁性
• 2.5 压电效应实验
• 2.5.1 压电效应（Piezoelectricity）的概念
• 2.5.2 压电效应的定性研究
• 2.5.3 测试结果分析
• 2.6 表面电位研究
• 2.6.1 实验部分
• 2.6.2 结果与讨论
• 第三章 电气石粉体包覆ZNO 实验
• 3.1 包覆实验的理论基础及方法
• 3.2 包覆实验方法
• 3.3 非均匀液相成核法的热力学分析
• 3.4 影响因素的确定
• 3.5 包覆反应实验
• 3.5.1 实验样品与设备
• 3.5.2 实验流程
• 3.5.3 电气石样品预处理
• 3.5.4 制备ZnO 的实验过程
• 3.5.5 电气石与ZnO 前驱体BZC 的混合包覆
• 3.5.6 过滤、洗涤、烘干
• 第四章 ZNO 包覆微米级电气石颗粒的表征
• 4.1 分析测定方法
• 4.2 包覆颗粒的物相分析
• 4.3 包覆颗粒的微观形态
• 4.4 红外光谱测定
• 4.4.1 电气石的红外光谱特征
• 4.4.2 ZnO 红外吸收光谱特征
• 4.4.3 包覆ZnO 的电气石粉体的红外光谱特征
• 4.5 能谱（XPS）分析
• 4.5.1 实验设备
• 4.5.2 结果与分析
• 4.6 比表面积和孔隙率
• 4.7 包覆颗粒的密度和厚度
• 4.8 包覆粉体电阻率
• 第五章 电气石/ZNO 复合粉体的电磁屏蔽性能研究
• 5.1 电磁屏蔽（EMI）机理
• 5.2 实验条件和实验过程
• 5.2.1 主要实验原料
• 5.2.2 涂料施工工艺
• 5.3 测试条件
• 5.4 结果及分析
• 5.4.1 测试结果
• 5.4.2 分析与讨论
• 第六章 包覆颗粒的吸波性能研究
• 6.1 吸波原理
• 6.2 吸收微波性能
• 6.2.1 测试方法
• 6.2.2 结果与分析
• 主要结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附图一 镁电气石所受压力与静电压之间的关系图
• 附表一 4 种样品的电磁参数测试结果