異質(zhì)復(fù)合材料的原位制備與雙負(fù)性能.pdf

1、當(dāng)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值時(shí)，稱為雙負(fù)材料，具有許多新穎的電磁性能，如逆多普勒效應(yīng)、逆契倫科夫效應(yīng)和負(fù)折射效應(yīng)等，在亞波長(zhǎng)成像、隱身斗篷、完美透鏡和微帶天線等領(lǐng)域具有重要的用途。負(fù)的電磁參數(shù)最早是利用具有周期性結(jié)構(gòu)的超材料來獲得。超材料主要是通過改變結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸和排列方式，而不是材料的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其電磁性能的調(diào)控。因此，這使得超材料的加工成本昂貴、制造工藝?yán)щy且應(yīng)用頻段窄，限制了其在工程領(lǐng)域上的應(yīng)用與發(fā)展。

2、
　　近年來，基于材料本征特性而制備的隨機(jī)復(fù)合雙負(fù)材料成為了新的研究方向。通過對(duì)材料化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與剪裁，可以獲得具有可調(diào)控的負(fù)電磁參數(shù)的材料，為超材料的發(fā)展提供了新的研究思路和技術(shù)支持。金屬作為優(yōu)良的導(dǎo)電材料，可以利用其自由電子的等離子體振蕩獲得負(fù)介電常數(shù);而亞鐵磁性的釔鐵石榴石陶瓷材料，通過疇壁共振或自然共振作用可實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。因此，本論文采用原位合成工藝，通過對(duì)金屬陶瓷的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，獲得了可調(diào)

3、控的負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。此外，為了拓寬超材料的應(yīng)用范圍，本論文也在柔性超材料的制備和電磁性能方面進(jìn)行了探索。主要研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
　　(1)以Fe2O3和Al2O3為原料，采用無壓燒結(jié)-氫氣還原兩步法原位合成工藝制備了氧化鋁基的金屬陶瓷復(fù)合材料（Fe-Fe3O4-Al2O3多相復(fù)合材料和Fe/Al2O3復(fù)合材料）。研究了還原溫度對(duì)燒結(jié)體的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電磁性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)還原溫度低于700℃時(shí)，F(xiàn)e2O

4、3部分還原分解為Fe單質(zhì)和Fe3O4;當(dāng)還原溫度達(dá)到700℃時(shí)，F(xiàn)e2O3能夠被完全還原分解為金屬Fe。當(dāng)Fe含量較低時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理以電子跳躍導(dǎo)電為主，符合冪次定律;當(dāng)導(dǎo)電相含量達(dá)到逾滲閾值后，復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理以電子傳導(dǎo)為主，表現(xiàn)出趨膚效應(yīng)。當(dāng)鐵含量超過逾滲閾值后，復(fù)合材料出現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)，符合Drude模型。當(dāng)Fe含量較高時(shí)，F(xiàn)e/Al2O3復(fù)合材料在高頻下出現(xiàn)了負(fù)的磁導(dǎo)率。
　　(2)以CuO和亞鐵磁性的釔鐵石榴石

5、(Y3Fe5O12，YIG)為原料，采用無壓燒結(jié)-氫氣還原工藝制備了Cu/YIG陶瓷復(fù)合材料，研究了Cu/YIG的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電磁性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)還原溫度為500℃時(shí)即可獲得到Cu/YIG復(fù)合材料。當(dāng)金屬銅的含量達(dá)到逾滲閾值后，復(fù)合材料出現(xiàn)了負(fù)介電常數(shù)且伴有Fano共振，介電常數(shù)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，此時(shí)Cu/YIG復(fù)合材料由電感特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萏匦浴Ｍ瑫r(shí)，由于金屬Cu網(wǎng)絡(luò)的抗磁性作用和釔鐵石榴石的磁共振作用，在Cu/YIG復(fù)合

6、材料中也觀察到了負(fù)的磁導(dǎo)率。
　　(3)為了改進(jìn)陶瓷材料的導(dǎo)電性和簡(jiǎn)化制備工藝，以Ag2O和YIG為原料，采用一步法固相燒結(jié)工藝制備了Ag/YIG陶瓷復(fù)合材料并研究了Ag/YIG的電磁性能。研究發(fā)現(xiàn)，在逾滲閾值附近，Ag/YIG復(fù)合材料的介電損耗主要為電導(dǎo)損耗和極化損耗兩種形式。當(dāng)銀含量超過逾滲閾值后，Ag/YIG復(fù)合材料介電頻譜出現(xiàn)了Fano共振，其介電常數(shù)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，Ag/YIG復(fù)合材料由電感性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪?。此外，Ag/Y

7、IG復(fù)合材料的磁導(dǎo)率由于疇壁運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致明顯的頻散特性，并且隨著銀含量的增加，在Ag/YIG復(fù)合材料的內(nèi)部產(chǎn)生的微觀渦流逐漸增加。
　　(4)以二甲基硅氧烷(PDMS)為柔性基體，多壁碳納米管(MWCNTs)為功能體，采用原位聚合反應(yīng)制備了PDMS/MWCNTs柔性的復(fù)合材料薄膜。結(jié)果表明，當(dāng)碳納米管含量低于5wt％時(shí)，隨著碳納米管含量的增加，由于Maxwell-Wagner-Sillars效應(yīng)導(dǎo)致了PDMS/MWCNTs復(fù)合材料的介