專利名稱：金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電磁波吸收材料領域，具體為一種具有多重共振性能的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料及其機械化學改進合成制備方法，這種材料具有優(yōu)異的全雷達波段吸收性能。
背景技術：
電磁波吸收材料是武器裝備的重要材料之一，電磁波吸收材料可以大幅降低飛行器的雷達散射截面，從而提高其生存防御能力和總體作戰(zhàn)性能。自20世紀60年代以來，吸波材料受到了更多的關注，成為各國軍方研制的熱點。采用了吸波材料的軍事裝備在冷戰(zhàn)期間和冷戰(zhàn)后的各場局部戰(zhàn)爭中大放異彩，不僅如此，隨著電磁波在X波段(10-12. 4GHz) 和Ku波段(12.4-lSGHz)的應用越來越廣，人們不得不去解決在移動電話、智能傳輸、局域網和雷達系統(tǒng)等應用上的電磁波沖突問題。由于納米材料的界面組元所占比例大，表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵多。納米材料的量子尺寸效應使電子能級分裂，而分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，磁性納米粒子還具有較高矯頑力引起的磁滯損耗。因此，納米材料具有極高的電磁波吸收性能，兼具吸波頻帶寬、密度低、厚度薄、兼容性好等優(yōu)點。已經報道的吸波納米復合材料包括化學合成法、電弧爐法，而機械化學法鮮有報道。另一方面，其它方法得到的納米復合材料不具備在全波段多重共振吸收的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種具有多重共振性能的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料及其機械化學改進合成方法，解決現(xiàn)有技術中合成的納米復合材料不具備在全波段多重共振吸收的性能等問題。本發(fā)明的技術方案是—種金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料制備方法，包括如下步驟(1)將氧化鐵、鈦粉與占前兩者總重量5-15%的TiO2粉在高能球磨機中球磨 30-40小時，進行機械化學反應；其中，氧化鐵與鈦粉質量的比例為1. 70-1. 90 ；(2)將所得粉體放到退火爐中進行退火，退火溫度為350°C _960°C (優(yōu)選為 650 °C -960 °C )，退火時間為10-90分鐘；從而，獲得金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料，其結構和性能如下球磨得到的是形狀不規(guī)則！^晶粒與TW2非晶顆粒，在低于650°C退火后，所得復合材料為Fe/Ti02，兩相緊密相連，其中!^e的平均晶粒尺寸為15-20nm，TiO2為非晶態(tài)，F(xiàn)e/ TiO2復合材料在2-lOGHz呈現(xiàn)電磁波多重共振。在650°C -960°C退火后，TiO2非晶顆粒變?yōu)榫w顆粒，所得復合材料為Fe/Ti02， 兩相緊密相連，其中狗的平均晶粒尺寸為20-60nm，TiA平均晶粒尺寸為25-65nm，F(xiàn)e/Ti& 復合材料在9-lSGHz波段的電磁波呈現(xiàn)強烈的多重共振吸收。
本發(fā)明中，退火爐及球磨罐中的氣氛均為氬氣；本發(fā)明中，氧化鐵與鈦粉質量的比例為1. 70-1. 90，使鈦粉質量20% -30%過量， 以保證氧化鐵完全還原為鐵；其反應式如下2Fe203+Ti ^ 4Fe+3Ti02本發(fā)明中，球磨機中不銹鋼球與原料的質量比例為15-20 ；本發(fā)明中，氧化鐵與鈦粉皆為分析純。本發(fā)明具有多重共振性能的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料及其機械化學改進合成法，具有以下優(yōu)點(1)作為一種軟磁材料，鐵具有較大的初始磁化率、飽和磁化率和飽和磁矩，在電磁波的照射下會對電磁波造成較大的磁損耗；二氧化鈦由于具有極高的介電常數(shù)，可以有效的抑制電磁波的渦流效應，所得材料在全波段皆有強烈的共振吸收。(2)本發(fā)明將氧化鐵與鈦粉在氬氣保護下球磨，機械混合與化學反應同步完成，所得粉體分散均勻。(3)本發(fā)明所用設備成本低廉，工藝簡單，利于大規(guī)模工業(yè)生產。(4)本發(fā)明復合材料在2-18GHZ頻段內都有強烈的吸收，因此可以作為隱形飛行器表面涂層，同時可以解決在X波段(10-12. 4GHz)和Ku波段(12. 4_18GHz)在移動電話、 智能傳輸、局域網和雷達系統(tǒng)等應用上的電磁波沖突問題。(5)本發(fā)明具有多重共振性能的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料的機械化學改進合成法中，所獲得的鐵與二氧化鈦納米粒子的平均直徑分別為15-60nm和 25-65nm。


圖1.實施例1中所合成的Fe/TiA納米復合材料的透射電鏡與高分辨透射電鏡照片。其中，A圖是實施例1所得樣品的X射線衍射圖(XRD) ；B圖是實施例1所得樣品的透射電鏡照片(TEM) ；C圖是實施例1所得樣品的高分辨透射電鏡照片(HRTEM)。圖2.實施例1中所合成的Fe/TiA納米復合材料的2_18GHz電磁波吸收性能曲線。圖3.實施例2中所合成的!^/TiO2納米復合材料的透射電鏡與高分辨透射電鏡照片。其中，A圖是實施例2中所得1 /!! 納米復合材料的XRD曲線；B圖是實施例2中所得 FeAiO2納米復合材料的TEM照片；C圖是實施例2中所得納米復合材料的HRTEM 照片。圖4.實施例2中所合成的Fe/TiA納米復合材料的2_18GHz電磁波吸收性能曲線。
具體實施例方式實施例1首先，在手套箱中，將65wt%分析純的氧化鐵、35wt%分析純的鈦粉，以及約為前兩者總重量10%的TiO2粉以及不銹鋼球裝入球磨罐中，密封后從手套箱中取出，在高能球磨機中球磨30小時，球磨機中不銹鋼球與原料的質量比例為15-20，進行機械化學反應；然
4后，將所得粉末置于真空退火爐中，在950°C退火30分鐘，退火爐及球磨罐中的氣氛均為氬氣，起到保護鐵納米粒子在高溫下被空氣氧化的作用。待樣品冷至室溫后(形貌如圖1所示)，用Agilent 8722ES網絡分析儀測試樣品的電磁性能，結果如圖2所示。其中，TiO2粉的作用為降低反應溫度，防止爆炸的發(fā)生。本實施例中，獲得金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料，其結構和性能如下所得復合材料為Fe/Ti02，兩相緊密相連，其中!^e的平均晶粒尺寸約為45-55nm，TiO2平均晶粒尺寸約為 50_55nmo從圖1和圖2可以看出，當Fe/TiA復合材料的兩相都為晶體時，9_18GHz波段的電磁波呈現(xiàn)強烈的多重共振吸收。實施例2在手套箱中，將63wt%分析純的氧化鐵、37wt%分析純的鈦粉，以及約為前兩者總重量10%的TiO2粉以及不銹鋼球裝入球磨罐中，密封后從手套箱中取出，在高能球磨機中球磨40小時，球磨機中不銹鋼球與原料的質量比例為15-20，進行機械化學反應；然后，將所得粉末置于真空退火爐中，在350°C退火50分鐘，退火爐及球磨罐中的氣氛均為氬氣，起到保護鐵納米粒子在高溫下被空氣氧化的作用。待樣品冷至室溫后(形貌如圖3所示)，用Agilent 8722ES網絡分析儀測試樣品的電磁性能，結果如圖4所示。本實施例獲得金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料， 其結構和性能如下所得復合材料為Fe/Ti02，兩相緊密相連，其中!^e的平均晶粒尺寸約為 15-20nm, TiO2 為非晶態(tài)。從圖3和圖4可以看出，當Fe/TiA復合材料的兩相中只有狗為晶體時，在 2-lOGHz呈現(xiàn)電磁波多重共振。實施例3首先，在手套箱中，將分析純的氧化鐵、36wt%分析純的鈦粉，以及約為前兩者總重量12%的TiO2粉以及不銹鋼球裝入球磨罐中，密封后從手套箱中取出，在高能球磨機中球磨35小時，球磨機中不銹鋼球與原料的質量比例為15-20，進行機械化學反應；然后，將所得粉末置于真空退火爐中，在800°C退火40分鐘，退火爐及球磨罐中的氣氛均為氬氣，起到保護鐵納米粒子在高溫下被空氣氧化的作用。本實施例獲得金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料，其結構和性能如下所得復合材料為Fe/Ti02，兩相緊密相連，其中!^e的平均晶粒尺寸約為35-45nm，TiO2平均晶粒尺寸約為40-45nm。實施例結果表明，由于此種復合材料在2-lSGHz頻段內都有強烈的吸收，因此可以作為隱形飛行器表面涂層，同時可以解決在X波段(10-12. 4GHz)和Ku波段 (12. 4-18GHz)在移動電話、智能傳輸、局域網和雷達系統(tǒng)等應用上的電磁波沖突問題。
權利要求
1.一種金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料，其特征在于，復合材料為Fe/Ti02， 兩相緊密相連，其中1 的平均晶粒尺寸為15-20nm，TiO2為非晶態(tài)；或者，復合材料為Fe/ TiO2,兩相緊密相連，其中！^的平均晶粒尺寸為20-60nm，TiO2平均晶粒尺寸為25-65nm。
2.按照權利要求1所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料，其特征在于，F(xiàn)e/ TiO2復合材料在2-lOGHz呈現(xiàn)電磁波多重共振。
3.按照權利要求1所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料，其特征在于，F(xiàn)e/ TiO2復合材料在9-lSGHz波段的電磁波呈現(xiàn)多重共振吸收。
4.按照權利要求1所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將氧化鐵、鈦粉與占前兩者總重量5-15%的TW2粉在高能球磨機中球磨30-40小時，進行機械化學反應；其中，氧化鐵與鈦粉質量的比例為1. 70-1. 90 ；(2)將所得粉體放到退火爐中進行退火，退火溫度為350°C-960°C，退火時間為10-90 分鐘。
5.按照權利要求4所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料制備方法，其特征在于，退火爐及球磨罐中的氣氛均為氬氣。
6.按照權利要求4所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料制備方法，其特征在于，氧化鐵與鈦粉質量的比例為1. 70-1. 90，使鈦粉質量20% -30%過量，以保證氧化鐵完全還原為鐵。
7.按照權利要求4所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料制備方法，其特征在于，球磨機中不銹鋼球與原料的質量比例為15-20。
8.按照權利要求4所述的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料制備方法，其特征在于，氧化鐵與鈦粉皆為分析純。
全文摘要
本發(fā)明涉及電磁波吸收材料領域，具體為一種具有多重共振性能的金屬-半導體型電磁波吸收納米復合材料及其機械化學改進合成制備方法，這種材料具有優(yōu)異的全雷達波段吸收性能。復合材料為Fe/TiO2，兩相緊密相連，F(xiàn)e晶粒尺寸20-60nm，TiO2晶粒尺寸25-65nm。(1)將氧化鐵、鈦粉與占前兩者總重量5-15％的TiO2粉在高能球磨機中球磨30-40小時，進行機械化學反應；其中，氧化鐵與鈦粉質量的比例為1.70-1.90；(2)將所得粉體放到退火爐中進行退火，退火溫度為350℃-960℃，退火時間為10-90分鐘。由于此種復合材料在2-18GHz頻段內都有強烈的吸收，因此可以作為隱形飛行器表面涂層，同時可以解決在X波段(10-12.4GHz)和Ku波段(12.4-18GHz)在移動電話、智能傳輸、局域網和雷達系統(tǒng)等應用上的電磁波沖突問題。
文檔編號B22F1/00GK102416467SQ20111035067
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權日2011年11月9日
發(fā)明者張強, 張志東 申請人:中國科學院金屬研究所