Fe/SiO2纳米复合材料的微结构与磁性研究

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近年来,铁磁性金属-氧化物纳米复合材料由于其特殊的磁性和在高效微波吸收剂方面的潜在应用价值而受到广泛的关注和研究。在本工作中,我们以铁磁性金属-氧化物纳米复合材料中具有代表性的Fe/SiO2纳米复合材料为研究对象,开展了对其微结构、磁性及微波性能的研究。研究内容包括:(1)铁磁性金属颗粒间偶极相互作用对体系磁性的影响;(2)铁磁性金属-氧化物纳米复合材料在高频段的微波吸收机制。主要研究结果如下:(1)本工作通过Fe203与Si粉末的机械化学反应制备了不同Fe含量的Fe/SiO2纳米复合材料。对Fe/SiO2纳米复合材料微结构的分析表明,Fe颗粒为单晶并随机分散在非晶SiO2基体中。在非晶SiO2基体中,Fe颗粒的形貌为等轴或准球形;Fe颗粒尺寸分布较窄,平均颗粒尺寸在11nm左右,并且在Fe含量为22~51wt%之间,颗粒尺寸基体保持不变。(2)在Fe/SiO2纳米复合材料中,Fe颗粒之间的偶极相互作用不仅对Fe颗粒的磁性状态有影响,而且对颗粒磁矩的排布产生影响。这种影响主要表现在,随着Fe含量的增加,Fe颗粒之间偶极相互作用强度随之加强,从而使超顺磁Fe颗粒的磁化强度反转的能量壁垒增加。这使得超顺磁Fe颗粒的磁化强度有可能克服热扰动,从超顺磁态转变为铁磁态。与此同时,Fe颗粒的磁矩从随机取向逐渐形成局部的链状结构,然后又形成闭合磁路结构。这种磁矩排布的变化导致Fe/SiO2纳米复合材料的矫顽力与剩磁比随Fe含量增加表现出先增加后减小的变化规律。(3)不同Fe含量的Fe/SiO2纳米复合材料与石蜡混合物的磁导率虚部μ″在1~16 GHz的频率范围内表现出一个宽的共振峰。理论计算和分析表明这个宽的共振峰来源于自然共振和交换共振的叠加。影响自然共振频率和交换共振频率的主要因素是Fe颗粒的表面各向异性。对于自然共振,由于表面各向异性的存在,共振频率向高频移动。对于交换共振,表面各向异性改变了共振频率与颗粒尺寸之间的指数关系,使颗粒尺寸的指数增加。(4)对不同Fe含量的Fe/SiO2纳米复合材料与石蜡混合物的反射损耗(RL)计算表明,当混合物的厚度不变时,随着Fe含量的增加,混合物的RL值逐渐减小,说明混合物的微波吸收性能随Fe含量的增加逐渐提高。对于Fe含量为51wt%的样品,当混合物的厚度在1.4~2.0 mm之间时,RL小于-20 dB(99%的吸收率)的频宽为9.6~17.1 GHz。当该样品的厚度为1.5 mm时,在14.9 GHz,RL出现最小值-33 dB。
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