碳包覆磁性半导体氧化锌纳米胶囊的制备及微波吸收性能的研究

本项目将制备具有壳-核包覆结构的磁性半导体氧化锌纳米胶囊，选择具有良好的化学稳定性的碳作为包覆的壳层材料。系统地研究不同壳层厚度、结晶状态和氧化锌颗粒尺寸对纳米材料吸波性能的影响，研究不同磁性元素掺杂及掺杂量对氧化锌胶囊材料吸波性能的影响，研究不同结构及尺寸纳米颗粒的吸波机理及由于量子尺寸效应对其吸波性能机制的影响。另一方面，以磁性元素掺杂金属Zn为原料，制备球或棒状材料，再通过后续的热处理控制Zn氧化量，制备ZnO或ZnO/Zn特殊结构的磁性半导体胶囊。研究ZnO/Zn特殊结构的磁性半导体胶囊的吸波性能及与结构的关系，解释特殊结构的吸波机理及与结构的关系。本项目是在我们前期研究工作基础上的进一步深入研究，不但会促进人们进一步深入理解磁性半导体氧化锌纳米胶囊在纳米尺度的核-壳微观结构特点，特别能深入理解纳米尺度磁性半导体氧化锌纳米胶囊的吸波性能及吸波机理，对实践及理论有指导意义。

随着隐身技术的日益发展，如何改进吸波涂层的设计，充分利用材料的吸波性能，使其具有吸波涂层薄、质量轻、频带宽等优点，正在成为隐身技术领域中研究的重点和发展方向。壳核结构的纳米材料能将磁性内核与介电外壳(或者介电内核/磁性外壳)复合到一起，集中了介电与磁损耗共存的好处，拓宽了吸收频段。例如研究较多Fe(Ni)/C、FeCo/C、Fe/C、Ni/C、Fe/铁氧化物等纳米胶囊都表现出优异吸波性能。同时研究发现氧化锌也具有优良吸波性能或能增强其他材料吸波能力。磁性元素掺杂使半导体氧化锌具有磁性，电磁损耗大，有利于达到阻抗匹配和展宽吸收频带，而与其它磁性纳米胶囊材料相比质量比较轻。所以，磁性半导体氧化锌的纳米胶囊吸波性能值得研究，并具有一定的应用背景。.本项目以磁性元素掺杂和未掺杂的金属锌或氧化锌为原料，制备具有壳-核包覆结构的磁性或非磁性半导体氧化锌或锌纳米胶囊。系统地研究不同壳层厚度、结晶状态和氧化锌颗粒尺寸及不同磁性元素掺杂或掺杂量对氧化锌胶囊材料吸波性能的影响。通过电弧放电方法制备了具有壳核结构的锌和氧化锌的纳米胶囊，通过磁性元素掺杂可改变纳米胶囊的微观结构。碳的存在对纳米粉形态有很大影响。在没有碳时，形成团簇氧化锌纳米粉，尺寸约10纳米。有碳或乙醇存在时，形成的六边形锌颗粒，外面包覆颗粒状的氧化锌，尺寸约几百纳米。研究磁性元素掺杂和未掺杂的锌胶囊吸波性质，通过磁性测量判断磁性元素掺杂量。锌纳米粉和掺杂铁40%锌铁两个典型样品做了吸波性质的研究。从介电损耗曲线可知，锌纳米材料有一个最大共振频率在16GHz，而锌铁的最大共振频率向低频移动到12GHz，还伴随小的共振。磁损耗曲线表明，锌纳米粉磁损耗实部接近1，虚部在0附近，浮动误差0.05以内。而铁掺杂锌纳米粉磁损耗实部在1.1和1之间，虚部0到0.1. 主要是由于磁性铁的存在而导致磁损耗的差别。铁的掺杂可提高吸波性能，但没有磁性铁时，吸波也能达到-10dB，最大吸收频率在16GHz，和介电损耗的共振频率一致。铁掺杂的锌纳米粉吸波最大吸收频率随厚度增加想高频移动，锌纳米厚度的变化不影响最大吸收频率。通过和化学方法结合，制备了磁性材料包覆的锌纳米材料，发现磁性材料以颗粒状态包覆在锌周围，反应时间对颗粒形貌应该较大。对此材料的吸波性能做了初步研究，发现此材料只有较弱吸波性能，改善壳层材料形态是提高吸波性能关键。