多种微结构的Fe3O4及其复合材料的制备和微波性能的研究

作     者：鲁炯辰 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史振华

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Fe3O4 电磁波吸收 阻抗匹配 水热法 磁损耗 

摘      要：电磁波在生活中应用越来越广泛,随之而来的电磁污染也越来越多。研究表明电磁污染会对人体产生伤害,如何消除电磁污染是亟待解决的问题。在军事领域,飞行器等为了躲避雷达探测也需要考虑电磁波吸收问题。尖晶石结构的Fe3O4作为重要的磁性材料有诸多优点,如无污染、制备成本低、良好的化学稳定性和微波吸收性能等,是吸波材料的候选者之一。本文通过水热法制备了不同形貌的Fe3O4纳米材料以及Fe3O4/Fe复合材料,分析了其电磁参数和微波吸收性能,并对其吸收机理进行了研究。 主要研究内容和结论如下: 1.通过水热法和后续热处理获得了尖晶石结构的Fe3O4纳米颗粒。通过对X射线光电子谱（XPS）结果的分析,发现在颗粒表面存在少量的Fe3O4被还原为Fe,因此表现出较高的饱和磁化强度。通过对电磁参数模拟计算发现,样品在10-16 GHz范围内表现出优良的微波吸收性能,同时分析发现样品在该频段展现出良好的阻抗匹配。样品在厚度为1.66 mm、频率为13.2 GHz处,反射损耗达-58.94 d B,吸收带宽为2 GHz,说明我们获得的Fe3O4可以作为微波吸收的候选材料之一。 2.通过水热法制备了不同尺寸的Fe3O4空心球,随着球的尺寸减小,磁性和磁损耗均增强,其微波吸收性能也明显增强。最大反射损耗值从-20.44 d B变为-39.65 d B,有效吸收带宽均在3.6 GHz左右。之后对不同尺寸的Fe3O4空心球在Ar/H2混合气体（H2含量为通入气体体积的10%）中进行热处理,结合X射线衍射仪（XRD）与XPS结果分析发现样品仍然保持尖晶石结构,未形成新的相结构,但表面化学状态发生了变化,其电磁参数也发生了改变。热处理优化了阻抗匹配,使微波吸收性能明显增强。尺寸最小的Fe3O4空心球经过退火后,在厚度为2.28 mm时,在频率为10.57 GHz处,反射损耗值是达-65.73d B,有效吸收带宽为3.5 GHz。通过对Fe3O4空心球的表面进行修饰,优化了微波吸收性能,这为改善材料的微波吸收性能提供了一种方案。 3.利用水热法和热处理制备了Fe3O4及Fe3O4/Fe纳米棒。Fe3O4纳米棒样品在厚度为2.02 mm时,频率为10.2 GHz处反射损耗达-70.86 d B,有效吸收带宽为2 GHz。Fe3O4/Fe复合材料在厚度为3.6mm处,频率为4.82GHz处达到最大反射损耗,其值为-80.59d B。对Fe3O4/Fe纳米棒取向后,最大吸收峰位向低频移动至3.8 GHz附近。表明利用各向异性,可以调制磁性材料的微波吸收频段。这为调制磁性材料的微波吸收性能提供了一种新思路。 4.对于Fe3O4球形样品,其微波吸收性能明显优于颗粒的样品,尤其是在低频范围内（0-8GHz）、损耗机制主要是磁损耗时,空心球表现出更好的微波吸收性能。相较于颗粒和球形样品,纳米棒表现出更好的微波吸收性能,说明同种材料,不同的形貌和结构将表现出不同的微波吸收性能,因此对于微波吸收材料的形貌和结构控制显得尤为重要。