片狀、球形及枝晶結(jié)構(gòu)Co顆粒的可控制備與吸波機(jī)制研究

張 棟, 王康軍, 陳 娜

(1.沈陽化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142; 2.沈陽化工大學(xué) 資源化工與材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110142)

根據(jù)線性傳輸理論,電磁波在材料中的多重反射和散射有利于電磁能量的快速衰減,而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響材料電磁波傳輸行為的關(guān)鍵[11].蘭州大學(xué)鄧龍江[12]、李發(fā)伸[13]等研制了片狀Fe、Ni吸收劑,實(shí)現(xiàn)了超寬頻的電磁波吸收.與其他鐵磁基吸波材料相比,合理的二維片狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效減少了材料表面的電磁波反射,使材料與外界空氣介質(zhì)達(dá)到近似完美的阻抗匹配;同時(shí),錯(cuò)綜復(fù)雜的二維片狀結(jié)構(gòu)還能夠充當(dāng)耦合電路,在電磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流,并在鐵磁金屬顆粒導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中快速衰減.另有研究觀察到片狀顆粒旋轉(zhuǎn)取向分布時(shí)其磁導(dǎo)率更強(qiáng),鐵磁共振頻率提高、共振帶展寬[14].可見,二維片狀結(jié)構(gòu)可有效調(diào)節(jié)鐵磁粒子的介電弛豫、鐵磁共振等電磁特性,強(qiáng)化電磁匹配,進(jìn)一步提升鐵磁顆粒的性能優(yōu)勢.此外,適宜的微結(jié)構(gòu)能夠在改善鐵磁基吸波材料阻抗匹配特性的同時(shí)增強(qiáng)反射損耗,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波段的強(qiáng)寬電磁吸收.

受到上述研究啟發(fā),本文通過溶劑熱法制備了球形、二維片狀結(jié)構(gòu)及枝晶形貌的Co顆粒,系統(tǒng)地研究了這三種Co顆粒的靜態(tài)磁性能、電磁性能,發(fā)現(xiàn)二維片狀結(jié)構(gòu)的鈷顆粒有利于突破Snoek′s極限獲得更高的高頻磁導(dǎo)率,同時(shí)可有效壓制渦流效應(yīng),提高磁損耗能力.進(jìn)一步通過調(diào)控電磁特性有效拓寬了材料的吸收頻帶,實(shí)現(xiàn)了在C、X和Ku波段的全覆蓋,且最大反射損耗高達(dá)62.7 dB、匹配厚度僅為2.37 mm.分析認(rèn)為,材料優(yōu)異的吸波性能主要源于良好的衰減特性和適宜的阻抗匹配,并通過計(jì)算衰減因子和阻抗匹配因子證實(shí)了這一結(jié)果.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑

所用化學(xué)試劑均為分析級,未作進(jìn)一步純化處理.六水合氯化鈷(CoCl2·6H2O,質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.998%)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥88.0%)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.0%)、次磷酸鈉(NaH2PO2·H2O,質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.0%～103.0%)、氫氧化鈉(NaOH,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96.0%)、無水乙醇(C2H5OH,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%)均購自國藥化學(xué)試劑有限公司;去離子水為自制.

1.2 Co微米球的制備

通過簡單溫和的溶劑熱法制備Co微米球.配置10 mol/mL NaOH溶液備用.將2 mmol CoCl2·6H2O溶于5 mL去離子水和10 mL無水乙醇的混合溶液中(命名為A溶液),在室溫下機(jī)械攪拌10 min.將 10 mmol NaH2PO2·H2O溶于5 mL去離子水和10 mL無水乙醇的混合溶液中,機(jī)械攪拌10 min后,緩慢地加入到A溶液中,得到反應(yīng)液(命名為B溶液).取10 mL配置好的NaOH溶液加入到B溶液中機(jī)械攪拌5 min,轉(zhuǎn)移至80 mL反應(yīng)釜中,在140 ℃ 下保溫20 h.最后,自然冷卻至室溫,通過磁性分離收集黑色沉淀物,用去離子水和無水乙醇分別洗滌3次(離心轉(zhuǎn)速3 000 r/min,離心5 min),在60 ℃ 真空烘箱中干燥6 h.

1.3 Co微米片的制備

采用溶劑熱法制備Co微米片,制備流程如圖1所示.配置10 mol/mL NaOH溶液備用.將2 mmol CoCl2·6H2O 和 1 mmol SDBS溶于5 mL去離子水和10 mL無水乙醇的混合溶液中,在室溫下機(jī)械攪拌10 min.將 10 mmol NaH2PO2·H2O溶于5 mL去離子水和10 mL無水乙醇的混合溶液中機(jī)械攪拌10 min,緩慢加入到上述CoCl2·6H2O 和 SDBS 的混合液中.取10 mL配置好的NaOH溶液加入到上述反應(yīng)液中機(jī)械攪拌5 min,將混合溶液轉(zhuǎn)移至80 mL反應(yīng)釜中,在160 ℃ 下保溫20 h,得到二維片狀形貌的Co顆粒.最后,將反應(yīng)完全的產(chǎn)物自然冷卻至室溫,通過磁性分離收集黑色沉淀物,用去離子水和無水乙醇分別洗滌3次(3 000 r/min,5 min),在60 ℃ 的真空烘箱中干燥6 h備用.

1.4 Co枝晶的制備

配置10 mol/mL NaOH溶液備用.將2 mmol CoCl2·6H2O 和 1 mmol十六烷基三甲基溴化銨溶于5 mL去離子水和10 mL無水乙醇的混合溶液中,在室溫下機(jī)械攪拌10 min.將 10 mmol NaH2PO2·H2O溶于5 mL去離子水和10 mL無水乙醇,機(jī)械攪拌10 min后緩慢加入到上述CoCl2·6H2O 和 CTAB 的混合液中.取10 mL配置好的NaOH溶液加入到上述反應(yīng)液中機(jī)械攪拌5 min,將混合溶液轉(zhuǎn)移至80 mL反應(yīng)釜中,在160 ℃ 下保溫20 h,得到Co枝晶.將反應(yīng)完全的產(chǎn)物自然冷卻至室溫,通過磁性分離收集黑色沉淀物,用去離子水和無水乙醇分別洗滌3次(3 000 r/min,5 min),在真空烘箱中60 ℃ 干燥6 h.

1.5 表征方法

通過 X 射線衍射儀(XRD,Bruker D8 ADVANCED,Cu Kα,Germany)檢測三種形貌Co顆粒的物相組成.采用Cu的Kα射線,發(fā)射線的波長λ=0.154 18 nm,掃描范圍是40°～90°,掃描速率為0.15(°)/s.采用掃描電子顯微鏡(SEM,FEI Quanta 200F,JEOL,Japan)表征所得產(chǎn)物的微觀形貌.

1.6 靜態(tài)磁性能測試

利用振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM,Lakeshore 7300,US)測量樣品在室溫下的靜態(tài)磁性能.靜態(tài)磁性能主要包括飽和磁化強(qiáng)度(Ms)、剩余磁化強(qiáng)度(Mr)和矯頑力(Hc),其中飽和磁化強(qiáng)度(Ms)和矯頑力(Hc)是評價(jià)磁導(dǎo)率及磁損耗性能的重要參數(shù).測試樣品的制備過程為:將一定量(10～30 mg)Co顆粒填入塑料管道中,為保證測試室振蕩過程中樣品的穩(wěn)定性,用棉花將塑料管道密封.

1.7 電磁性能測試

采用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀(VNA,Agilent N5230A,US)測量樣品的電磁性能,包括介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,測試頻率范圍為2～18 GHz.測試樣品的制備過程為:將Co顆粒與石蠟按照7∶3的質(zhì)量比充分混合后至于烘箱中,在75～80 ℃下保溫20 min致石蠟完全融化,將融化后的石蠟和Co顆粒充分研磨直至石蠟冷卻凝固.將凝固后的樣品轉(zhuǎn)移到外徑為7 mm、內(nèi)徑為3.04 mm的模具中,通過壓片機(jī)將測試樣品壓制成厚度為3 mm的同心環(huán)形狀,測試Co顆粒在 2～18 GHz頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率.進(jìn)一步通過傳輸線理論計(jì)算可得到三種形貌Co顆粒的反射損耗曲線,同時(shí)可探究不同匹配厚度對電磁波吸收性能的影響.從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),本實(shí)驗(yàn)中材料匹配厚度選擇為0.5～5.0 mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖2為Co微米球、Co微米片以及Co枝晶樣品的X射線衍射譜圖.

圖2 Co微米球、Co微米片以及Co枝晶的XRD譜圖

由圖2可知:三個(gè)樣品均呈現(xiàn)位于41.61°、44.64°和47.54°的特征衍射峰,分別對應(yīng)于hcp-Co的(100)、(002)和(101)晶面(JCPDS 05-0727),證實(shí)合成的產(chǎn)物主要為hcp-Co;同時(shí)可以觀察到位于51.50°對應(yīng)于fcc-Co(200)晶面的特征衍射峰(JCPDS 15-0806),說明產(chǎn)物中同時(shí)還存在fcc-Co.多晶型共存是Co微納米顆粒的典型特征,在之前的研究中,科研工作者也觀察到hcp-Co和fcc-Co共存的現(xiàn)象[15].共存結(jié)構(gòu)中兩相接觸處為異相界面,電負(fù)性的差異將導(dǎo)致界面處電荷的聚集和遷移形成類似電容器的結(jié)構(gòu),進(jìn)而誘發(fā)界面極化,增強(qiáng)介電常數(shù),從而有效增強(qiáng)極化損耗,拓寬有效吸收帶[16].譜圖中未觀察到其他特征衍射峰,表明所制備的三種Co顆粒均具有較高的純度.三種Co顆粒的成功制備為研究形貌對電磁性能和電磁波吸收性能的影響提供了可能.

2.2 SEM分析

通過掃描電子顯微鏡對所得產(chǎn)物的形貌進(jìn)行表征,不同放大倍率下的掃描結(jié)果如圖3—圖5所示.

圖3 Co微米球的SEM圖

由圖3(a)可知,反應(yīng)溫度為140 ℃ 時(shí),未添加表面活性劑時(shí),得到的Co顆粒為球形形貌,直徑為111～424 nm.高倍SEM照片圖3(c)顯示微米球具有較為粗糙的表面.由圖4可知,反應(yīng)溫度升高到160 ℃ 時(shí),以SDBS為表面活性劑,所制備的Co顆粒為二維片狀結(jié)構(gòu),顆粒尺寸分布較不均勻,經(jīng)過測量可知該片狀結(jié)構(gòu)直徑為12～78 μm.可見通過溶劑熱法使用SDBS作為表面活性劑有效控制了晶體的各向異性生長,成功獲取了Co微米片.從高倍照片圖4(c)中可以觀察到Co微米片的厚度為0.1～0.5 μm,進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)Co微米片具有較光滑的表面,且微米片長徑比較大.具有較大長徑比的吸波材料可產(chǎn)生形狀各向異性,進(jìn)而有利于增強(qiáng)材料的介電損耗能力,強(qiáng)化入射電磁波的衰減[16].反應(yīng)溫度保持在160 ℃,將表面活性劑轉(zhuǎn)換為CTAB后,可以得到枝晶形貌的Co顆粒(如圖5所示),尺寸為1.5～9.5 μm.進(jìn)一步觀察可知枝晶由不規(guī)則的多面體組成,微米片與微米片間、枝晶的分支與分支間均存在較大空間.這有利于入射電磁波的多重散射和反射,不僅可以增強(qiáng)電磁匹配,強(qiáng)化電磁損耗,同時(shí)可拓寬有效吸收帶,獲得優(yōu)異的電磁波吸收性能.

圖4 Co微米片的SEM圖

圖5 Co枝晶的SEM圖

2.3 靜態(tài)磁性能分析

采用VSM測量了三種形貌Co顆粒在室溫下的靜態(tài)磁性能,結(jié)果如圖6所示.從圖中可以觀察到所有樣品均展示出了典型的S型磁滯回線,說明Co微米球、Co微米片以及Co枝晶均具有良好的鐵磁性.由圖6(a)和表1可知,Co微米球的飽和磁化強(qiáng)度為138.5 A·m2/kg,Co微米片的飽和磁化強(qiáng)度Ms為148.6 A·m2/kg,Co枝晶的Ms為151.3 A·m2/kg.與塊狀鈷(162 A·m2/kg)[17]相比,制備的Co顆粒Ms有所降低,這是由于溶液化學(xué)法制備的鐵磁金屬顆粒表面不可避免地發(fā)生了氧化,產(chǎn)生雜質(zhì),進(jìn)而使飽和磁化強(qiáng)度降低.理論上,顆粒表面致密的氧化層一方面可起到保護(hù)作用,防止進(jìn)一步氧化,另一方面氧化層和內(nèi)部顆粒之間可以形成異質(zhì)界面,產(chǎn)生界面極化,增強(qiáng)極化損耗和入射波衰減.

表1 Co顆粒在室溫下飽和磁化強(qiáng)度Ms、剩余磁化強(qiáng)度Mr和矯頑力Hc

圖6 Co顆粒的室溫磁滯回線

由圖6(b)分析可知,Co微米球的矯頑力Hc為3.07 A/m,Co微米片的矯頑力為0.96 A/m,Co枝晶的矯頑力為1.89 A/m,數(shù)值遠(yuǎn)大于塊狀鈷(0.13 A/m)[17].一般來說,鐵磁金屬顆粒的矯頑力主要受晶粒尺寸、磁晶各向異性和晶體缺陷的影響.本研究中Co顆粒矯頑力的增大一方面是由于產(chǎn)物為hcp-Co和fcc-Co混合相,異相界面接觸處存在豐富的晶體缺陷,這些無序缺陷可以作為磁疇壁運(yùn)動的釘扎位點(diǎn),從而阻止疇壁的自由運(yùn)動,提升矯頑力;另一方面,Co微米片和Co枝晶擁有形狀各異性,顯著增強(qiáng)了磁晶各向異性,從而有效提升了矯頑力.根據(jù)公式(1)和(2)可知,磁導(dǎo)率對靜態(tài)磁性能有很強(qiáng)的依賴性,高的飽和磁化強(qiáng)度會誘導(dǎo)較大的磁導(dǎo)率實(shí)部μ′和虛部μ″.

μ′=1+(M/H)cosσ,

(1)

μ″=(M/H)sinσ.

(2)

其中:M、H和σ分別代表磁化強(qiáng)度、外加磁場強(qiáng)度和相位滯后角.本實(shí)驗(yàn)中,Co微米片擁有較強(qiáng)的Ms和較小的Hc,有利于改善磁導(dǎo)率,實(shí)現(xiàn)高頻鐵磁共振,從而促進(jìn)磁損耗,提升電磁波吸收性能.

2.4 電磁性能分析

采用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀(VNA)以石蠟為黏結(jié)劑測定了三種Co顆粒的電磁性能,分析評價(jià)介電損耗和磁損耗在電磁波吸收過程中的貢獻(xiàn).通常情況下,介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部(ε′和μ′)表示材料對電能和磁能的存儲能力,虛部(ε″和μ″)代表對電能和磁能的衰減能力.如圖7所示,所有樣品的介電常數(shù)實(shí)部ε′總體上隨頻率的增加呈先升后降趨勢,這是典型的頻率色散效應(yīng)[18].Co微米球的介電常數(shù)實(shí)部ε′在4.1～5.1之間浮動,虛部ε″在0.03～1.39之間波動.Co微米片的介電常數(shù)實(shí)部ε′在25.8～19.0之間浮動,在5 GHz左右達(dá)到峰值25.8,在10～18 GHz趨于穩(wěn)定;虛部ε″在0.6～9.4之間波動.進(jìn)一步觀察可知,在5 GHz左右,Co微米片的介電常數(shù)實(shí)部和虛部出現(xiàn)了共振峰,這是典型的介電弛豫行為,有利于介電常數(shù)的調(diào)控.Co枝晶的介電常數(shù)實(shí)部ε′在7.3～10.0之間浮動,虛部ε″在0.27～3.5之間波動,見圖7(c).

圖7 Co顆粒的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線

介電損耗一般可以分為極化損耗和導(dǎo)電損耗,其中極化損耗一般由偶極極化、界面極化、離子極化和電極化構(gòu)成[19].離子極化和電極化一般發(fā)生在頻率較高的區(qū)域(106GHz),在本研究頻段內(nèi)可以忽略不計(jì).因此,在GHz范圍內(nèi)介電常數(shù)主要源于界面極化和偶極極化[20].在本研究中,Co顆粒為hcp-Co和fcc-Co的混合相,不同相間電導(dǎo)率的差異促使空間電荷在界面處聚集,進(jìn)而產(chǎn)生類似電容器結(jié)構(gòu),可以誘發(fā)界面極化;同時(shí),溶劑熱法制備的顆粒表面不可避免地生成氧化層,氧化層與內(nèi)部顆粒Co同樣可以形成異質(zhì)界面誘發(fā)界面極化;再者,液相還原法制備的顆粒晶體中存在豐富的缺陷,這些缺陷可以誘導(dǎo)缺陷偶極極化,增強(qiáng)極化損耗.比較而言,Co微米片具有較大的長徑比,之前的研究表明,較大長徑比的顆?？梢孕纬纱判耘紭O子,產(chǎn)生偶極極化[21],進(jìn)而使Co微米片呈現(xiàn)出優(yōu)異的介電損耗性能.

由圖7(d)—(f)可知Co微米球、Co微米片以及Co枝晶均具有較高的磁導(dǎo)率,這是由于三種Co顆粒均具有較高的飽和磁化強(qiáng)度.具體分析可知:Co顆粒的磁導(dǎo)率實(shí)部μ′總體隨著頻率增加呈下降趨勢,而虛部μ″隨著頻率先升高后降低.進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)Co微米片的磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部在9 GHz左右出現(xiàn)明顯的共振峰,為典型的鐵磁共振現(xiàn)象.通常情況下,Co微納米顆粒的鐵磁共振峰低于2 GHz.本研究中制備的Co微米片長徑比較大,一方面,片狀結(jié)可以突破Snoke′s截止頻率,使鐵磁共振向高頻移動,增強(qiáng)高頻磁導(dǎo)率;另一方面,長徑比較大的片狀結(jié)構(gòu)可以誘發(fā)小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及自旋波激發(fā),進(jìn)而強(qiáng)化鐵磁共振,增強(qiáng)磁損耗.更重要的是,磁場線從一個(gè)微米片輻射到另一個(gè)微米片,在兩個(gè)相鄰的磁微米片之間形成一個(gè)閉環(huán),加強(qiáng)磁相互作用、強(qiáng)化磁耦合,形成復(fù)雜的磁耗散網(wǎng)絡(luò).高密度和寬范圍的磁耦合網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步促進(jìn)磁耗散,提高電磁波吸收性能.在2～18 GHz頻率范圍內(nèi),磁損耗主要源于渦流效應(yīng)、自然共振和交換共振.渦流損耗可以通過繪制C0[C0=μ″(μ′)-2f-1]曲線來判定.當(dāng)C0隨頻率的變化數(shù)值基本不變時(shí),磁損耗主要源于渦流損耗;當(dāng)C0隨頻率的變化起伏波動時(shí),磁損耗主要源于鐵磁共振,同時(shí)渦流效應(yīng)被有效壓制[22].本實(shí)驗(yàn)中,三種Co顆粒的C0曲線如圖8所示.

圖8 Co微米球、Co微米片和Co枝晶的C0曲線

分析可知隨著頻率的增加,C0起伏波動下降,說明三種形貌Co顆粒的磁損耗主要源于自然共振和交換共振.

2.5 吸波性能分析

將Co顆粒填充到石蠟中,根據(jù)傳輸線理論計(jì)算涂層在匹配厚度0.5～5.0 mm下的反射損耗(RL)曲線,評估三種形貌Co顆粒的電磁波吸收性能.最大反射損耗和有效吸收帶寬是評價(jià)吸波性能的兩個(gè)重要參數(shù),超過10 dB的反射損耗表明90%的電磁波可以被有效吸收[23].Co微米球的吸波性能曲線如圖9(a)所示,可知Co微米球吸波性能較弱.由圖9(b)可知,相比于Co微米球,Co枝晶的吸波性能有所提升,但遠(yuǎn)不如Co微米片(圖10)展示的強(qiáng)吸收特性.

圖9 Co顆粒在匹配厚度為0.5～5.0 mm時(shí)的吸波云圖

圖10 Co微米片的吸波性能

如圖10所示,Co微米片在2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)隨著匹配厚度從0.5 mm增加到5.0 mm,反射損耗逐漸向低頻移動.匹配厚度為1.5 mm時(shí),反射損耗RL為17.4 dB,有效吸收帶寬為2.7 GHz(7.3～10.0 GHz),覆蓋了50%的X波段.匹配厚度為2.0 mm時(shí),RL為23.4 dB,有效吸收帶寬為1.9 GHz(5.3 GHz～7.2 GHz),覆蓋了47.5%的C波段.當(dāng)匹配厚度為2.37 mm時(shí),實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)反射損耗(RLmax),高達(dá)62.77 dB,相應(yīng)的有效吸收帶寬為1.2 GHz(4.4～5.6 GHz),覆蓋了30%的C波段,這在軍用雷達(dá)應(yīng)用中具有重要意義.匹配厚度為3.0 mm時(shí),RL為21.4 dB,其有效吸收帶寬為3.4 GHz(12.5～15.9 GHz),覆蓋了57%的Ku波段.可見,調(diào)控匹配厚度從1.5到3.0 mm,有效吸收帶可覆蓋整個(gè)C波段、X波段以及57%的Ku波段,有望被用作寬頻吸收劑應(yīng)用于雷達(dá)隱身.由以上結(jié)果可知,Co微米片不僅具有優(yōu)良的反射損耗,而且具有較寬的有效吸收帶寬,且匹配厚度較薄,在電磁波吸收方面具有廣闊的應(yīng)用前景.

2.6 阻抗匹配與衰減系數(shù)

通過阻抗匹配和衰減系數(shù)進(jìn)一步探究Co顆粒的電磁波衰減機(jī)制.當(dāng)阻抗匹配(Zin/Z0)等于或者接近于1時(shí),材料具有良好的阻抗匹配特性,電磁波可以最大程度地進(jìn)入材料內(nèi)部.良好的阻抗匹配特性是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異吸波性能的先決條件.衰減系數(shù)可通過

計(jì)算[24],式中:f為入射電磁波的頻率;c為真空中光速.Co微米球、Co微米片以及Co枝晶的阻抗匹配與衰減系數(shù)如圖11所示.

圖11 Co微米片的阻抗匹配與衰減系數(shù)曲線

由圖11(a)可知:Co微米球的阻抗匹配較差,大部分入射波無法進(jìn)入顆粒內(nèi)部,因此無法實(shí)現(xiàn)電磁波的有效吸收;與Co微米球相比,Co枝晶的阻抗匹配特性有所提升,尤其在14～18 GHz頻率范圍內(nèi),Z值處于(0.8,1.2)之間,因此吸波性能有所提升;值得注意的是,Co微米片在低頻波段,Z∈(0.8,1.2),表明其具有良好的阻抗匹配特性,特別是在4.1 GHz和4.8 GHz處,Zin/Z0均為1,實(shí)現(xiàn)了完美的阻抗匹配.圖11(b)為Co微米球、Co微米片以及Co枝晶的衰減系數(shù)α.分析可知,三個(gè)樣品的Co顆粒衰減系數(shù)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均隨頻率的增加而逐漸增強(qiáng),表明其對電磁波衰減的能力逐漸升高.其中,Co微米片呈現(xiàn)了最強(qiáng)的衰減系數(shù).結(jié)合阻抗匹配曲線,Co微米片的最大反射損耗發(fā)生在4.8 GHz附近,因此良好的阻抗匹配和更高的衰減系數(shù)可以使材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能.

2.7 電磁波吸收機(jī)制分析

綜合以上表征和系統(tǒng)分析,圖12給出了Co二維片狀結(jié)構(gòu)的電磁波吸收機(jī)理.總體而言,其優(yōu)異的電磁波吸收性能主要源于強(qiáng)鐵磁損耗和介電損耗及二者之間的平衡.

圖12 Co二維片狀結(jié)構(gòu)的吸波機(jī)制示意圖

首先,鑒于Co微米片本征的磁性能,其鐵磁共振(自然共振和交換共振)產(chǎn)生的顯著磁損耗對電磁波衰減具有較大貢獻(xiàn).其次,介電損耗對電磁衰減具有決定性作用,主要由界面極化和缺陷偶極子極化組成,表現(xiàn)在:(1)Co微米片與石蠟間的界面極化和介電損耗對電磁波具有優(yōu)良的衰減能力;(2)Co微米片結(jié)構(gòu)中存在大量缺陷,在電場作用下產(chǎn)生偶極子,誘發(fā)偶極極化,增強(qiáng)極化損耗.然后,Co微米片具有較高的形狀各異性和長徑比,片狀結(jié)構(gòu)相互堆疊產(chǎn)生的空間可以讓電磁波很容易滲入,增強(qiáng)阻抗匹配.最后,電磁波在微米片孔隙間的多次反射和散射可進(jìn)一步增強(qiáng)電磁波衰減.

3 結(jié)論

綜上所述,本文通過溶劑熱法合成了三種形貌的Co顆粒,即Co微米球、Co微米片及Co枝晶.其中Co微米片具有最優(yōu)異的電磁波吸收性能,其直徑為12～78 μm,厚度僅為0.1～0.5 μm.靜態(tài)磁性能分析表明:所獲得的Co微米片具有鐵磁性,相對于塊狀Co具有更高的矯頑力值,且飽和磁化強(qiáng)度也保持在較高水平(148.6 A·m2/kg).VNA測試表明:Co微米片可以產(chǎn)生多重界面極化和偶極極化,且可壓制渦流效應(yīng),因此材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都有很大程度的提高,證明了本研究中二維片狀尺寸結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢.吸波性能分析表明:在低頻范圍內(nèi)介電損耗和磁損耗共同有助于電磁波吸收,而在高頻范圍內(nèi)介電損耗主導(dǎo)電磁波吸收.吸波性能計(jì)算結(jié)果顯示,Co微米片的最大反射損耗為62.77 dB,匹配厚度僅為2.37 mm,有效吸收帶寬為1.2 GHz,在雷達(dá)隱身技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.總之,該材料具有匹配厚度較薄,反射損耗強(qiáng)和有效吸收帶寬等優(yōu)點(diǎn),且吸波性能可完全覆蓋C～Ku(4.0～18 GHz)波段,說明構(gòu)建形狀各向異性的顆?？勺鳛樘岣卟牧想姶挪ㄎ招实挠行Р呗?