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用于整个Ku波段的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊电磁波吸收剂

摘要

（Fe，Ni）/ C纳米胶囊以（Fe，Ni）合金作为核心和石墨作为壳体， 在整个Ku波段（12.4-18GHz）中，吸收体厚度为2.0mm时，在13.6-16.6GHz范围内反射损耗（RL）超过10dB，而在16GHz损耗超过20dB。 此外，对于RL值超过10 dB的厚度范围为1.87-2.1 mm。频带宽不会发生显着变化， 具有宽带宽吸收的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊可用作整个Ku波段的优异的电磁波吸收材料。

关键词：吸收峰 频带宽 纳米胶囊

1 简介

近来，电磁（EM）波中的Ku波段（12.4-18 GHz）被越来越多的用于雷达，军用飞机和卫星通信 ，因此整个Ku波段的EM波吸收材料备受关注。在EM波吸收器的候选者中，磁纳米胶囊（用非磁性绝缘体涂覆的磁性纳米粒子）由于其作为微波吸收和屏蔽材料以及EM装置的潜在应用而引起了人们的特别兴趣。与传统的铁氧体吸收剂相比，具有软磁特性的纳米胶囊可以并入高频装置和微转移中，这些微转导需要高的磁矩和磁化率，低的矫顽力和高电阻率。由于它们比金属磁体的密度低，电阻率较大最近关于含碳磁性纳米材料的研究已经变得更加密集，可以用作EM干扰屏蔽和吸收材料 。

张和同事报道：碳涂层镍纳米胶囊表现出良好的微波吸收性能是由于特殊的核/壳结构，对于2毫米厚度的碳涂层的Fe纳米胶囊，在13 GHz时最佳RL达到32 dB，超过10 dB的吸收范围为11.2至15.5 GHz；对于吸收体厚度为1.54-7.50mm，超过10dB的吸收范围为2-18GHz，在9.6GHz达到最佳RL为43.5dB，吸收体厚度为3.1mm 。在应用中，必须改进具有特殊厚度的微波吸收体的吸收能力（例如，宽频率范围，薄吸收层等）。所有这些特性都鼓励我们继续研究（Fe，Ni）/ C纳米胶囊吸收的EM波，因为它们可以利用碳涂覆的镍和铁纳米胶囊。这项工作在整个Ku波段（12.4-18 GHz）的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊中实现超过10 dB的RL，吸收体厚度2.0 mm，而RL值超过20 dB的带宽超过了13.6-16.6 GHz的扩展频率范围，比以前报道的单一厚度宽。此外，对于超过10dB的RL值1.87-2.1mm的厚度，EM性质不会发生显着变化，这有着很重要的应用。结果表明，具有宽带宽吸收的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊在整个Ku波段是优异的EM波吸收材料。

2 实验

平均尺寸为10微米 具有99.9％纯度的Fe和Ni的金属粉末，充分混合以制备靶。考虑到Ni原子含量超过10％时容易形成FeNi₃相，靶的组成设计为Fe90Ni10。将混合粉末在约20MPa的压力下压制成直径为20mm的圆筒形状。在电弧放电过程中，压缩粉末用作阳极，碳针作阴极。将阳极靶置于水冷碳坩埚中。在5.0times;10 -3 Pa的真空中抽空室后，将40ml的液态乙醇与1.6times;10 4 Pa的纯氩和0.4times;10 4 Pa的氢作为反应气体和氢等离子体源一起引入室中。将电弧放电电流保持在80A下2小时以充分蒸发合金。然后在氩气中钝化8小时后，从水冷室顶部的沉积物中收集产物。

在Rigaku D / max-2000衍射仪上以56kV的电压和182mA的电流通过粉末，用X射线衍射（XRD）进行产物的相分析。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM JEOL-2010）观察纳米胶囊的形态和微观结构，发射电压为200 kV。拉曼光谱用于估计石墨壳的结合结构。磁性能通过超导量子干涉装置（SQUID，Quantum Design MPMS-7）测量。通过将（Fe，Ni）/ C纳米胶囊的粉末与对于EM波透明的石蜡均匀混合，将混合物压制成圆柱形，制备了（Fe，Ni）/ C纳米胶囊/石蜡复合材料。将圆筒切割成外径为7.00mm，内径为3.04mm的环形样品。具有重量40％（Fe，Ni）/（重量比）的环形（Fe，Ni）/ C纳米胶囊/石蜡复合材料的EM参数 。使用Agilent 8722ES网络分析仪在2-18 GHz下测量C纳米胶囊，试样高度为2.00mm。以前详细描述了EM性质的实验程序[6,7]。基于由Naito和Suetake提出的单层平面波吸收体的模型，复合材料中的RL由e0，e00，10和100的值确定。

3 结果与讨论

XRD图谱如图1所示。图1显示颗粒由（Fe，Ni）合金组成。由于保护石墨壳存在，没有发现氧化物的反射，表明（Fe，Ni）纳米颗粒几乎没有氧化。 （Fe，Ni）/ C纳米胶囊的饱和磁化强度达到106.1 emu / g，大于Ni / C或Fe / C纳米胶囊的饱和磁化强度[4,5] 。在XRD图谱中，纯C没有可检测到的峰，表明其少量（样品中小于3％）。此外，由于C在纳米胶囊的外壳上，因为沿着径向方向分解周期性边界条件（平移对称）也难以检测其XRD图。图2a显示了一组碳涂层（Fe，Ni）纳米胶囊。纳米胶囊的形状近似为球形，直径分布为10-60nm。 HRTEM图像，如图1所示。 2b，清楚地表明所有纳米胶囊都具有“核/壳”型结构，内部（Fe，Ni）芯封装在洋葱状碳笼中。涂层的晶格面间距约为0.34nm，对应于石墨的（002）面。然而，由于石墨原子层的严重弯曲和塌陷的结果，外壳中可以看到大量的晶格缺陷，这与Fe / C纳米胶囊相似[5]。基于超过20纳米胶囊的EDS结果，（Fe，Ni）/ C纳米胶囊中C at％的平均值约为13.4at。％。另外，在乙醇蒸汽中制备的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊的石墨壳比Fe / C和Ni / C纳米胶囊的石墨壳比在CH4中的薄。

拉曼光谱是一种有效和方便的识别碳基材料的结合和微结构的技术。众所周知，这些光谱通常在1350cm -1附近出现两个宽峰，称为“无序”的D峰，在1580cm -1处称为“石墨碳”的G峰。图。图3显示了在1000-2000cm -1范围内（Fe，Ni）/ C纳米胶囊的典型拉曼光谱。可以清楚地看到，与体块金刚石（1332cm -1）相比，1321cm -1处的D峰位置稍微偏向较低的频率。这归因于石墨原子层质量差异引起的声子约束效应。进一步证实，石墨层含有大量的晶格缺陷，这与HRTEM结果一致。此外，由于石墨相的碳原子的存在，G峰也位于1578cm -1左右的较低位置，与体积石墨（1580cm -1）相比。该高缺陷密度对于产生具有增加的偏振中心的高介电常数非常重要。此外，据预测，石墨层中的缺陷将在费米能级附近产生附加状态，类似于碳纳米管的缺陷。假设离散能级在微波能量范围内（10 ⁵-10 ³ eV），则EM波能量可以通过费米能级的连续状态来吸收。这可能是增强介电特性的原因之一（Fe，Ni）/ C纳米胶囊。 4表示复合物的频率依赖性。（Fe，Ni）/ C纳米胶囊 - 石蜡复合材料的相对介电常数（呃）和渗透率（lr）如图所示。如图4a所示，介电常数的实部e0在2-18GHz的频率上升，从9.8降低到6.5，而介电常数的虚部e00在14.8GHz处呈现峰值。（Fe，Ni）/ C纳米胶囊的电阻率测量为约50Xm，这归因于有效分散和作为绝缘体的保护性石墨壳。虽然体积石墨的电阻率约为7.5times;10 -6 Xm [13]，接近于金属磁体（10⁶-10⁸ X m）的电阻率

由于具有特殊的微观结构和缺陷特性，石墨壳的厚度增加了几纳米。拉曼光谱和HRTEM观察证实了特殊的微观结构和缺陷特性的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊。张何华等人报道说，由于高缺陷特性，洋葱型碳中的p电子位于小区域，不能作为传导电子[5]。虽然（Fe，Ni）/ C纳米胶囊的e0较低，e00比Fe / SmO和Fe / C复合材料的相对较高，这意味着复合材料中自由电子产生的不同的介电损耗特性，类似于碳纳米管复合材料。介电损耗归因于频率变化时核/壳接口之间极化的滞后是合理的。 e00曲线呈现出14.8 GHz的峰值，这可能与界面极化有关。

如图4b所示，磁导率的实部很高与15.2GHz的频率无关，然后随着频率的增加而迅速下降。同时，磁导率的虚部在14GHz时几乎稳定，在16GHz时从0.02突然增加到0.1，然后随着频率的增加而减小。这些显着的现象可以通过石墨壳的绝缘来解释。很明显，绝缘石墨壳体在高频下提高了软磁（Fe，Ni）芯的性能。常规软磁材料的性能强烈依赖于工作频率。对于金属磁性材料，由于颗粒之间的绝缘差，低截止频率可能与由交流电场引起的涡流有关。材料的总损失可以相关到电阻率。当施加交流电场时，这些电流可能导致显着的损耗，特别是在高频下引起显着的加热材料。 （Fe，Ni）颗粒之间的石墨涂层的绝缘导致电阻率的增加，这可能降低高频范围内涡流的影响，并使得实部的导磁率几乎保持不变。如果没有石墨涂层或者绝缘不够，则会发生金属之间的直接接触，所产生的涡流会导致实部随着频率的急剧下降，虚部将以较低的频率达到最大值。在目前的纳米胶囊中，实部随着频率的变化几乎没有变化，虚部仍然很小，这说明在金属芯之间绝缘性好。此外，磁损耗是由磁化矢量H之后的磁化矢量M的时间滞后引起的。磁化矢量H的变化通常是由于磁化或畴壁位移的旋转引起的。在高频范围内，磁化矢量M的运动不能跟上施加的场，这导致磁导率虚部变化的产生。因为粒子的大小足够小，只有一个区域存在于颗粒中，当对复合材料施加弱磁场时，只有可逆的旋转磁化过程。因此磁化矢量的可逆旋转制造磁导率的另一个因素是高频恒定。

在16GHz的100MHz的峰值与（Fe，Ni）纳米颗粒的铁磁共振有关。对于大块FeNi合金具有小的各向异性场HA，FeNi合金的天然共振频率fr应位于几兆赫兹附近的较低频带，根据天然共振方程：2pfr = cHA，其中c是回旋磁比[5 ，6]。由于每个小尺寸效应影响的表面各向异性场，小尺寸颗粒的各向异性场，特别是纳米尺度的各向异性场可能会显着增加[4]。此外，Fe颗粒中Ni原子的非平衡固溶体产生的晶格缺陷，内应力以及磁交换耦合等的质量也可以带来有效各向异性场的增加[5]。 （Fe，Ni）/ C纳米胶囊的共振频率可能转移到较高频率（16 GHz），这对于在Ku波段范围内用作EM波吸收材料将是非常重要的。

图5示出了在2-18GHz范围内的复合材料的RL随频率变化情况。在fm = 16GHz处观察到最佳RL为26.9dB，对于dm = 2.0mm，在13.6-16.6GHz的频率范围内具有ge;20dB的带宽。值得的注意到，对于dm = 2.0mm，在整个Ku波段（12.4-18GHz）中获得超过10dB的RL值，其比先前报道的单个厚度的频率范围更宽[2-7,17,18 ]。另外，EM属性超过10dB的RL值，对于1.87-2.1mm的厚度，其重要性不会明显变化这有着重要应用。有趣的是，随着厚度层的增加，最大RL明显偏移到较低的范围，也就是随着厚度增加 ，损耗峰向低频移动。

如图1所示。微波吸收性能优异，归因于石墨壳和铁磁（Fe，Ni）芯的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊的特殊核/壳微观结构，其中石墨壳影响EM通过分散纳米胶囊的性能，降低纳米颗粒之间的磁耦合效应，增加（Fe，Ni）纳米粒子的电阻率，减少涡流的影响和在纳米尺度上构建EM匹配几何。微波吸收有两个可能的贡献，即介电损耗和磁损耗。我们还计算了介电损耗因子（tandelta;=εPrime;/ε′）和磁损耗系数（tandelta;=mu;Prime;/mu;′ ）基于复合材料的渗透率和介电常数如图1所示。在图4中。如图6所示，2-15.2GHz的介电损耗因子的值从0.247增加到0.468。但磁损耗因子的值仅显示0.05左右的非常小的波动，16.2 GHz的最大值为0.105。因此，微波吸收的主要贡献应来自于2-12 GHz的介质损耗以及12-18 GHz的介质损耗和磁损耗。所以RL的两个峰值在图1中。对于厚度为1.67-2.1mm的膜，在13-17GHz的范围内，归因于不同介质损耗因子（15.2 GHz）和磁损耗因子（16.2 GHz）的峰值位置。

4 结论

综上所述，通过改性电弧放电技术在乙醇蒸气中制备了具有软磁（Fe，Ni）纳米颗粒作为芯和石墨作为壳的（Fe，Ni）/ C纳米胶囊。 石墨壳起着双重作用，不含氧化的（Fe，Ni）纳米颗粒和用于抑制涡流损耗的隔膜。 对于（Fe，Ni）/ C纳米胶囊，在dm = 2.0mm的整个Ku波段（12.4-18GHz）中实现超过10dB的RL值，并且在fm =16GHz处观察到最佳RL值为26.9dB。对于dm=2.0mm，在13.6-16.6GHz的频率范围内具有ge;20dB带宽。 另外，对于厚度为1.87-2.1毫米的RL值超过10 dB的带宽也不会发生显着变化。 结论表明，（Fe，Ni）/ C纳米胶囊可以用作整个Ku波段的优异的EM波吸收材料。

参考文献：

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