轻质有序铁氧体/合金复合纳米纤维的电磁优化及吸波机理研究

This research is proposed to obtain the lightweight microwave absorber with excellent microwave absorption properties in the frequency range of S-band and C-band. The orderly ferrite/alloy composite nanofibers are prepared to decrease the mass of the traditional ferrite and alloy powders. The optimized electromagnetic impedance matching and the various electromagnetic loss abilities are expected to be realized via both enhancing the complex permeability and the complex permittivity. Meanwhile, the electromagnetic optimization mechanism and the microwave absorption mechanism are detailed analyzed. A combined method based on the electrospinning and hydrogen thermal reduction is adapted to synthesis the One-dimensional structured ferrite/alloy composite nanofibers. The natural-resonance frequency and the complex permeability are both improved by enhancing the shape anisotropic and the saturation magnetization. The matching complex permittivity is achieved by optimizing the composition, structure and resistivity of the composite nanofiber. The effects of the electromagnetic impedance matching properties, the multiple mechanisms of electromagnetic loss and the characteristics of electromagnetic wave propagation on the microwave absorption properties of the orderly ferrite/alloy composite nanofibers are discussed. This research is beneficial to develop the electromagnetic optimization mechanisms and investigate the effect mechanisms between the electromagnetic wave and the composite microwave absorbers.

为了获得在S、C波段内具有优异吸波性能的轻质电磁吸收剂，本项目通过制备有序铁氧体/合金复合纳米纤维降低传统铁氧体和合金粉体的质量，以协同提高复磁导率和复介电常数实现优异的电磁阻抗匹配和多样化电磁损耗为基本出发点，同时开展复合电磁吸收剂的电磁优化机制和吸波机理研究。首先将静电纺丝法和氢气热还原法相结合，制备具有一维有序结构的铁氧体/合金复合纳米纤维。通过增强形状各向异性和饱和磁化强度协同提高自然共振频率和复磁导率，并优化复合纳米纤维的组成、结构和电阻率获得与之相匹配的复介电常数。然后分析电磁阻抗匹配特性、多机制电磁损耗机理以及电磁波传播特性对有序铁氧体/合金复合纳米纤维吸波性能的影响。该项目对于丰富复合电磁吸收剂的电磁优化机理以及探索复合电磁吸收剂与电磁波的作用机制有着重要意义。

理想的吸波材料应具有吸收强、频段宽、厚度薄、质量轻的特点，然而迄今为止还没有发现能够同时满足上述要求的吸波材料。因此，对现有材料进行适当改性和设计是现阶段的研究热点。本项目采用静电纺丝法结合氢气热还原处理制备有序Fe-Ni/铁氧体复合纳米纤维，该材料可以有效降低传统铁氧体和合金粉体的质量。通过协同提高Fe-Ni/铁氧体复合纳米纤维的复磁导率和复介电常数，实现了强磁损耗和强电损耗能力，在2-18GHz频率范围内表现出优异电磁阻抗匹配和多样化电磁损耗形式。. 首先，采用静电纺丝法制备NiFe2O4铁氧体纤维，主要研究了制备工艺对NiFe2O4铁氧体相组成和形貌的影响。在前驱体制备过程中，研究了PVP浓度、金属盐浓度、静电电压和收集距离对静电纺丝过程的影响。对前驱体的热处理过程中，研究了煅烧温度和煅烧速率对铁氧体纤维的物相组成和形貌的影响。同时，采用氢气热还原对NiFe2O4铁氧体纤维进行合金化处理，得到Fe-Ni/铁氧体复合纳米纤维。. 其次，通过改变Ni含量调节了复合纳米纤维的组成、结构以及电阻率，获得了相互匹配的复磁导率和介电常数。研究了铁氧体/合金的配比、掺杂离子的种类、微观形貌对静态磁性能和动态电磁参数的影响，探索了有序铁氧体/合金复合纳米纤维的组成及结构与电磁性能之间的关系。. 同时，本项目提出采用电磁阻抗匹配特性、电磁损耗特性以及谐振干涉模型解释Fe-Ni/铁氧体复合纳米纤维与电磁波的相互作用机制。结果表明，电磁阻抗匹配特性决定了进入吸波涂层内部的电磁波频段，电磁损耗特性决定了吸波涂层吸收电磁波的能力，谐振干涉模型决定了反射损耗峰的出现位置。. 本项目制备的Fe-Ni/铁氧体复合纳米纤维具备轻质、高效吸波的特点，通过调节涂层厚度可以实现在2-18GHz频率范围的反射损耗达到-10dB。本研究对丰富复合电磁吸收剂电磁性能的优化机理以及探索复合电磁吸收剂与电磁波的作用机制具有指导意义。