Ni@CN/SiCN納米吸波材料制備與阻抗匹配

史桂梅, 田燊彤, 尹佳成

(沈陽工業大學 理學院, 沈陽 110870)

0 引 言

隨著電子通訊設備和雷達探測設備的飛速發展,吸波材料的應用日益廣泛。在軍事上,作為隱身技術的核心,吸波材料能夠有效吸收雷達發射的電磁波,躲避敵方的偵察,從而提高戰場上的勝率。在生活中,各種智能家電和電子設備為人們帶來了極大的方便,同時,隨之而來的電磁污染也給人們帶來極大的困擾和危害。而吸波材料則能夠有效解決電磁輻射、電磁干擾所造成的人體亞健康以及電子設備失靈和醫療誤診等問題[1-5]。在各種吸波材料中,磁性核殼結構的納米復合材料引起了研究者的廣泛關注。其中,碳包覆磁性金屬納米膠囊,如Fe@C、Ni@C等,已顯示出良好的化學穩定性和微波吸收性能。然而,這些單一核殼結構的碳包覆磁性金屬納米膠囊雖然吸收強度大,但通常吸波頻帶窄且涂層厚度大。幸運的是,表面改性和異質原子摻雜等方式能夠有效地解決這一問題。此外,碳化硅也是一種潛在的電磁吸收材料,其具有較強的熱穩定性、耐蝕性和特殊的介電性能。基于上述原因,本文采用電弧放電法一步合成了具有非均相復合殼層的N摻雜SiC/C包覆Ni納米吸波材料。通過改變SiC與Ni的比例以及乙腈的通入量,研究不同組分對Ni@CN/SiCN納米吸波材料阻抗匹配度的影響。從而制備出阻抗匹配度高且性能優良的納米吸波材料。

1 實驗過程

1.1 實驗方法

實驗材料包括碳化硅粉末(國藥集團化學試劑有限公司)、鎳粉(國藥集團化學試劑有限公司)和乙腈(分析純AR)。方法是采用等離子體直流電弧法。先將一定比例的Ni和SiC粉末壓制成塊體作為陽極靶材,以高純碳棒作為陰極。當反應室的真空度達到5×10-3Pa時,通入一定量的乙腈和30 kPa的氬氣。實驗電流為80 A,電弧持續30 min。?；『笸ㄈ霘鍤忖g化24 h,得到Ni@CN/SiCN復合納米粉體。

為探究不同組分對Ni@CN/SiCN納米吸波材料性能的影響,本研究保持乙腈15 mL不變,改變SiC與Ni的比例,使SiC的質量分別占陽極靶材的10.00%、15.00%、16.67%和20.00%,所得樣品分別標記為S1、S2、S3和S4。

1.2 表征方法

利用X射線粉末衍射儀(XRD,Miniflex600)對制備的樣品進行物相分析。測試電壓為40 kV,電流為15 mA,X射線源為CuKa輻射(λ=0.154 05 nm)。采用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEMJEOL-2010)在200 kV的發射電壓下對所制樣品的形貌、尺寸分布和微觀結構進行了研究。用X射線光電子能譜(RiberLAS-3000 mk-2xps光譜儀)對制備樣品的表面組成進行研究。采用同軸法在Agilent E5071C矢量網絡分析儀上測試樣品的復介電常數和磁導率,并根據傳輸線理論[6-7]計算材料的反射損耗(RL)以及阻抗匹配度。這里用于微波吸收測量試樣的制備過程是將Ni@CN/SiCN粉末與50%石蠟均勻混合,然后將混合物壓制成圓柱環形狀,內徑為3.04 mm,外徑為7.00 mm。

2 結果與討論

2.1 物相分析和形貌分析

圖1(a)為不同比例SiC(樣品S1-S4)的Ni@CN/SiCN納米吸波材料的XRD衍射圖譜。通過X射線衍射圖譜,可以觀察到在2θ=44.5°、51.8°、76.4°處有3個較強的衍射峰,其分別對應著金屬鎳的(111)、(200)、(220)晶面。此外,在2θ=26.38°、35.62°處存在2個微弱的峰,分別對應的是石墨碳的(002)晶面和β-碳化硅的(111)晶面, 并且從圖1(a)可見,在樣品S1—S4中,隨著碳化硅比例的增加,其衍射峰的峰強呈現微弱增長。

圖1(b)為典型的Ni@CN/SiCN樣品(S3)的高分辨透射電鏡圖。由圖可見,該納米吸波材料具有明顯的核殼結構。Ni納米粒子被C和SiC共同包覆,形成了非均相復合殼層。圖中0.25 nm的面間晶體間距對應于SiC的(111)晶面。

圖1 Ni@CN/SiCN納米復合材料的XRD衍射圖譜(a)和典型的(S3)高分辨電鏡圖像(b)

2.2 表面成分測試

為研究樣品的表面成分,對樣品Ni@CN/SiCN(S3)進行了XPS 研究。由圖2(a)可知,樣品的表面含有Ni、Si、C、N和O元素。高分辨XPS光譜可知,圖2(b)中Ni2p可以擬合成3個峰,結合能分別Ni0(852.43 eV)、Ni0(853.2 eV)、Ni2+(854.46 eV)[8-9]。其中Ni2+的峰強較小,意味著該材料的核殼包覆相對完整,CN/SiCN殼層有效防止了鎳核的氧化。在圖2(c)中,Si2p位于100.6、101.54和103 eV處的擬合峰分別對應著Si—N鍵、Si—C鍵和Si—C—O鍵[10],這說明SiC中的部分碳原子被氮原子替換,且表面有少量SiC被氧化。圖2(d)中C1s的特征結合能對應著C-Si(283.5 eV)、類石墨sp2C(284.3 eV)、類石墨sp2C(284.8 eV)和N-sp2C(286.0 eV)。由此可見,N原子被摻雜到了洋蔥狀的石墨層中。圖2(e)中N1s的特征結合能對應著Si-N(397.7 eV)、吡啶N(398.5 eV)、吡咯N(400.1 eV)和石墨N(401.3 eV)[11-13]。結合XRD分析可以判斷,氮原子被摻雜到Ni@CN/SiCN納米吸波材料的C和SiC殼層。

圖2 Ni@CN/SiCN納米復合材料的XPS光譜(a)以及Ni2p(b),Si2p(c),C1s(d),N1s(e)的高分辨XPS光譜

2.3 吸波性能研究

為探究樣品的吸波性能,對Ni@CN/SiCN吸波材料(S1—S4)電磁參數進行研究。圖3是不同SiC比例的Ni@CN/SiCN納米吸波材料的復介電常數和復磁導率與頻率的關系圖。從圖3(a)和圖3(b)可以看到,隨著SiC含量的增加,在1～18 GHz 范圍內,Ni@CN/SiCN納米材料的介電常數實部和虛部均先增加后減小。這主要是由于N摻雜C及SiC, 使得殼層材料CN/SiC的導電率發生變化。合適的摻雜促進石墨碳電子傳輸能力,引起新的極化中心[14],增加介電響應能力。但是當摻雜引起更多的缺陷時,將會使石墨碳的電子傳輸能力下降[15]。而磁導率隨著SiC比例的增加,其共振峰值呈現出逐漸減小的趨勢。

圖3 樣品S1—S4的電磁參數與頻率的關系圖:復介電常數實部(a), 虛部(b), 復磁導率實部(c), 虛部(d)

樣品Ni@CN/SiCN(S1—S4)的阻抗匹配度可以用相對輸入阻抗|Zin/Z0|衡量。阻抗匹配度是決定材料吸波性能的重要因素,良好的阻抗匹配能夠使電磁波盡可能多的投射到材料中,并減少材料表面的微波反射。通常,輸入阻抗值越趨近1,說明樣品的阻抗匹配度越好。圖4是樣品的|Zin/Z0|值,由此可見,虛線表示的是|Zin/Z0|=1時的相對輸入阻抗。對比發現,樣品S1和S4的相對輸入阻抗值整體過大,遠超過了|Zin/Z0|=1。而樣品S2和S3的輸入阻抗|Zin/Z0|則非常接近1。其中,當SiC占陽極靶材16.67%時,樣品S3的阻抗匹配程度最佳。當涂層厚度在1.8～5.5 mm時,樣品S3的輸入阻抗|Zin/Z0|非常接近1。說明改變SiC含量可以方便地調節材料的阻抗匹配。

圖4 樣品S1(a), S2(b)、S3(c)和S4(d)在不同厚度的相對輸入阻抗

Ni@CN/SiCN納米吸波材料的磁導率虛部存在多個共振峰,其磁損耗主要來自自然共振和交換共振。

利用傳輸線理論計算Ni@CN/SiCN納米吸波材料的反射損耗(RL)值[16-17],公式如下:

其中Z0為空氣阻抗(自由空間阻抗),Zin為材料的輸入阻抗,f表示頻率,d為吸收劑厚度,c為電磁波在真空中的傳播速度。

圖5為樣品S1—S4反射損耗與頻率的關系。當SiC占靶材質量的10%時,樣品S1的吸波性能較差。當SiC增加到15%時,樣品S2的吸波性能有了顯著提高,RL的最大值達到了-50.37 dB,對應厚度為2.02 mm。當SiC占陽極靶材的16.67%時,樣品S3的吸波性能最佳。其最佳RL值在頻率10.83 GHz、厚度2.24 mm時,可達到-57.6 dB。厚度在1.5～5.5 mm時,RL在-20 dB以下的頻帶寬度到達14.6 GHz,覆蓋少部分的S到Ku波段。在單一厚度為1.8 mm時,RL低于-10 dB的帶寬也達到了6 GHz。當SiC的質量比為20%時,樣品S4的吸波性能明顯降低。這是由于Ni和SiC比例的變化會直接影響材料電磁參數,改變Ni@CN/SiCN納米吸波材料的阻抗匹配度,從而改變材料的吸波性能。

圖5 樣品S1(a)、S2(b)、S3(c)和S4(d)的反射損耗與頻率之間的關系圖

3 結 語

本文采用直流電弧法一步合成Ni@CN/SiCN納米吸波材料,其吸波性能及阻抗匹配度可以通過改變靶材中SiC含量調節。優異的阻抗匹配是由于核的磁損耗和殼層介電損耗協調作用的結果。在現有乙腈為15 mL條件下,SiC占陽極靶材的16.67%時,該材料的阻抗匹配度最佳,反射損耗最大。最大反射損耗在10.83 GHz處達到-57.6 dB,對應厚度為2.24 mm。