超细FeNi合金粉热分解法制备及其吸波性能研究

【摘要】摘要：随着现代社会无线通信技术的飞速发展,电磁辐射和电磁干扰所引起的环境及安全问题日益严重。同时,现代战争对武器的隐形能力提出了迫切的需求,武器装备的隐身化已成为当前世界军事高技术发展的重要方向之一。电磁波吸收材料作为一种能够有效吸收、衰减电磁波的手段引起了人们的广泛关注。FeNi合金由于其优异的电磁特性而有望成为一种性能优良的吸波材料。纤维形貌及多孔结构是目前磁性金属吸波材料研究的热点,但目前FeNi合金纤维的制备方法存在难度大、规模小、过程不易控制等缺点,而多孔超细FeNi合金粉的制备还未见相关报道。因此,研究一种过程简单,易于大规模制备且能获得均匀形貌多孔FeNi合金及FeNi合金纤维的新方法具有重要意义。本论文首次通过草酸盐共沉淀—热分解还原法制备了不同成分的多孔FeNi合金及FeNi合金纤维并研究了其吸波性能。主要取得了如下研究成果：根据质量平衡原理和同时平衡原理,建立了Fe2+-Ni2+-NH3-C2O42–H2O体系和Fe2+-Ni2+-C2N2H8-C2O42–H2O体系的沉淀—配合平衡热力学模型。采用Matlab程序对模型进行了计算,阐明了不同条件下各物质浓度的变化规律,并在此基础上,系统研究了沉淀工艺条件对FeNi合金草酸盐前驱体形貌及尺寸的影响。当采用25%乙醇溶剂,倾倒加料,pH=5,金属盐溶液浓度为0.4mol/L,温度为60℃时,在Fe2+-Ni2+-NH3-C2O42–H2O系中制备了不同成分的多面体FeNi草酸盐前驱体粒子。随着前驱体中Fe含量增大,前驱体粒子形貌先后经历长方体、十二面体、八面体、正方体及长方体的演变过程。当pH=6.3,浓度为0.05mol/L,温度为60℃时,在Fe2+-Ni2+-C2N2H8-C2042–H2O系中制备了不同成分的纤维状FeNi草酸盐前驱体。采用IR及XRD等手段研究了纤维状前驱体的生长机理,结果表明,在沉淀过程中,乙二胺进入前驱体形成[NixFe1-x(C2H8N2)(C2O4)]结构进而得到新型草酸盐晶体是获得纤维状形貌的关键。研究了FeNi草酸盐的热分解热力学,确定了采用氢气气氛的热分解气氛条件。当氢气分压大于0.29%时,NiO可以还原为Ni,氢气分压大于90.52%时,Fe3O4可以还原为Fe。采用TG-DSC技术研究了氨水系和乙二胺系前驱体的热分解过程,结果表明,氨水系前驱体的热分解过程为：FexNi1-xC2O4·2H2O→FexNi1-xC2O4→Ni+Fe3O4；乙二胺系前驱体的热分解过程为[FexNi1-x(C2N2H8)y]C2O4·zH2O→[FexNi1-x(C2N2H8)y]C2O4→FexNi1-xC2O4→Ni+Fe3O4。采用非等温动力学方法研究了氨水系和乙二胺系前驱体的热分解动力学。采用Starink法计算了热分解反应的表观活化能,结合Tang-Liu-Zhang-Wang-Wang温度积分近似式和主曲线法确定了动力学机理函数。结果表明,氨水系前驱体的热分解动力学遵循随机成核和随后生长模型,活化能为148.59kJ/mol,指前因子为1.25×107,动力学方程为G(α)=[-ln(1-α)]0.44。乙二胺系前驱体的热分解动力学同样遵循随机成核和随后生长模型,活化能为214.40kJ/mol,指前因子为4.34×1011,动力学方程为G(α)=[-ln(1-α)]0.95。系统研究了热分解还原气氛、温度、时间、气流量及升温速率等工艺条件对FeNi合金粉形貌及物相结构的影响。在N2/H2为1：1,温度为45℃,时间为30min,气流量0.1L/min,升温速率2℃/min的条件下,分别制备了气孔分布均匀的多孔FeNi合金及长径比远大于前驱体的FeNi合金纤维。经热分解还原后,粒子形貌发生了一定畸变,体积收缩变小。随着Fe含量增大,FeNi合金逐渐由fcc结构向bcc结构转变。研究了多孔FeNi合金和FeNi合金纤维的吸波性能及损耗机制。结果表明,当质量分数为30%时,对于厚3.0mm的多孔Fe50Ni50合金,材料在6.82GHz处具有最小反射损失-52.58dB,对于厚1.5mm的多孔Fe60Ni40合金,材料在13.98～18.00GHz范围内反射损耗均小于-10dB,有效频宽达4.02GHz。当质量分数为20%时,对于厚2.0mm的Fe10Ni90合金纤维,材料在13.90GHz处具有最小反射损耗-45.37dB,在12.21～15.99GHz范围内反射损耗均小于-10dB,有效频宽达3.78GHz。多孔FeNi合金的介电损耗主要来自于原子极化和电子极化,磁损耗主要来自自然共振,其多孔结构对于提高吸波性能有重要影响。FeNi合金纤维的介电损耗遵循德拜模型,磁损耗主要来自自然共振。多孔FeNi合金和FeNi合金纤维的磁损耗均大于介电损耗,其吸波特征均遵循λ/4匹配模型。厚度为2.0mm时,多孔Fe60Ni40合金的面密度为2.46g/cm2,Fe10Ni90合金纤维的面密度为2.10g/cm2,多孔结构和纤维形貌在降低吸波剂密度方面发挥了重要作用。
【作者】姚永林；
【导师】张传福；
【作者基本信息】中南大学，有色金属冶金，2014，博士
【关键词】FeNi合金粉；多孔；纤维；电磁参数；吸波性能；

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