鐵鎳合金粉的改性及結構表征

鐵鎳合金粉的改性及結構表征

在雷達吸波材料中，吸收劑是決定其性能的重要因素之一。目前,吸收劑應用和研究的主體為磁性材料,主要包括鐵氧體、金屬微粉、金屬纖維、納米金屬粉等,磁性吸收劑由于其介電常數(shù)較大,大大限制其應用。大量研究表明:磁性吸收劑的表面狀態(tài)影響其介電常數(shù),如盛玉寶等在不改變羰基鐵粉磁性能的前提下,對其進行表面處理從而降低了羰基鐵粉的ε′。余洪斌等采用磷化的方法處理多晶鐵纖維,提高了多晶鐵纖維的表面電阻率,降低其ε′,ε″。王琦等通過機械合金化的方法,用ZnO包覆鐵鎳合金粉,達到了降低介電常數(shù),改善磁導率的目的。因此,磁性吸收劑表面進行包覆改性對改善吸收劑電磁性能有著重要意義。采用濕化學冶金法制備的片狀鐵鎳合金粒子,其介電常數(shù)大,用作填料的吸波涂層高頻性能不佳。實驗采用TEOS對其進行改性,研究了TEOS水解包覆鐵鎳合金粉的機理,探討了包覆層厚度對鐵鎳合金粉電磁參數(shù)的影響。并且采用超聲分散處理方法成功解決了包覆后鐵鎳合金粒子團聚問題。1實驗1.1實驗原材料無水乙醇,北京化學試劑公司,分析純,含量:99.5%;正硅酸乙酯(TEOS),北京化學試劑公司。1.2teos乙醇溶液質量分數(shù)的確定鐵鎳合金粉處理:將原始鐵鎳合金粉(200g)浸在催化劑乙醇溶液(250mL)中,攪拌分散若干小時,往其中逐漸滴加TEOS乙醇溶液(50mL),反應完畢后,過濾干燥,而后置于真空烘箱中(溫度為60℃)干燥。實驗所用的TEOS乙醇溶液的質量分數(shù)分別1%,2%。涂層制備:將吸收劑、環(huán)氧樹脂和固化劑按照一定工藝(其中吸收劑的重量占總固體份的80%)配制成涂料,室溫下涂刷于180mm×180mm的鋁板,每隔0.5h涂刷一遍,涂層固化后測量其吸波反射率。1.3材料物理性能分析紅外漫反射表征:本實驗所用的儀器為MagnaIR750型傅里葉變換紅外/Raman950型傅里葉變換拉曼光譜儀。掃描電鏡:采用JSM-5600LV型電子掃描顯微鏡進行鐵鎳合金粉形貌分析。透射電鏡:采用JEM-2010F型透射電鏡對包覆層進行觀察。電磁參數(shù)測量:材料的復介電常數(shù)和復磁導率采用矢量網絡法進行測定;測試設備為HP8722ES矢量網絡分析儀。測量的鐵鎳合金粉質量分數(shù)為80%。反射率測量:材料的反射率采用弓形法進行測試。弓形法RAM反射率自動掃描測試系統(tǒng)測量頻率2~18GHz,測試平板180mm×180mm。2結果與討論2.1鐵鎳合金粉的紅外光譜TEOS處理鐵鎳合金粉的過程中,鐵鎳合金粉表面吸附水和空氣中的水引發(fā)其水解反應,產生硅醇(—SiOH),一部分硅醇之間發(fā)生縮聚反應,另一部分硅醇和鐵鎳合金粉表面的羥基縮合。圖1為未處理的鐵鎳合金粉與處理過的鐵鎳合金粉漫反射紅外光譜,對比可以看出處理過的鐵鎳合金粉出現(xiàn)了1041,980,913,850,636,1081cm-1等新峰,其中1041cm-1可歸屬為Fe-O-Si的振動,1081cm-1為Si-O-Si振動,其存在說明TEOS在處理過程中發(fā)生了縮聚,并且TEOS與鐵鎳合金粉表面發(fā)生了反應從而形成有機硅聚合物包鐵鎳合金粉的核殼結構。圖2為不同TEOS含量包覆的鐵鎳合金粉透射電鏡照片。由圖可見1%和2%處理的鐵鎳合金粒子包覆層厚度分別約為20nm和40nm。2.2鐵鎳合金粉的分散圖3為未包覆鐵鎳合金粉和分別用1%(體積分數(shù),下同)和2%的TEOS乙醇溶液處理的鐵鎳合金粉電磁參數(shù)(80%)的比較,由圖可以看出與未包覆鐵鎳合金粉相比,ε′在TEOS濃度為1%時其降低約10,而當其濃度增加到2%時,其值降低并不明顯。ε″在TEOS濃度為1%時降低不明顯,而當其濃度達到2%時,在2~18GHz內降低大幅度降低。這是由于處理后的鐵鎳合金粉表面包覆一層絕緣的有機硅,由公式ε″=σ/ε0ω(σ為電導率;ω為入射波的圓頻率),處理后的鐵鎳合金粉由于表面有機硅層的絕緣作用,降低了粉體的電導率σ,進而介電常數(shù)降低。與未包覆鐵鎳合金粉相比,μ′在3.2~18GHz內都提高,濃度為1%時其增加值要比濃度為2%時要大。這是由于用質量分數(shù)為1%的TEOS溶液處理過的羰基鐵包覆一層有機硅膜后,降低了鐵鎳合金粉的表面張力,在分散介質中的團聚更少,盡管掃描電鏡下粉體本身存在一些團聚,但是團聚并不嚴重(比較圖4a,b),總體上來看分散更為均勻,因而μ′增加,但是隨著TEOS濃度的增加到2%,包覆鐵鎳合金粉的團聚(圖4c)增加,鐵鎳合金粉的粒度增加,文獻研究表明鐵鎳合金粉的μ′隨著其粒度的增加而降低,因此TEOS濃度增加到2%,μ′降低。Nakamur在處理一個磁性相和非磁性相的復合體系時,提出一個理論模型即將磁性樣品內部的微結構簡化為磁性顆粒被非磁性層包裹著,考慮到非磁性層的電阻率遠大于顆粒內、晶界以及界面的電阻率,得出的結論為:隨著非磁性相體積分數(shù)的增加,疇壁共振頻率向高頻方向移動,有效磁導率隨之減小。處理過的鐵鎳合金粉表面被非磁性的有機硅層包裹,其μ″變化符合Nakamur模型的條件,這就很好的解釋了圖3所示μ″在低頻(2~6GHz)降低較多。圖4c可以看出2%TEOS乙醇溶液處理過的鐵鎳合金粉團聚嚴重,采用分散方法將其團聚打開,形貌如圖4d所示,可以看出其團聚明顯減少。比較分散處理和未分散處理的包覆鐵鎳合金粉電磁參數(shù),分散處理后,由于鐵鎳合金粉團聚減少,粒度更為集中,導電鏈難以形成,ε′,ε″都有大幅度降低,μ′在3.2~18GHz內都提高。2.3鐵鎳合金粉涂層高頻吸波涂層吸波特性圖5為未處理過、包覆后以及分散處理后鐵鎳合金粉吸波涂層吸波性能比較,涂層吸收劑質量分數(shù)均為80%,涂層厚度均為0.5mm。由圖可以看出,包覆后的鐵鎳合金粉吸波涂層高頻吸波性能優(yōu)于未包覆鐵鎳合金粉,而在低頻卻相反,這是由于包覆后鐵鎳合金粉高頻μ′增加,μ″略有增加,而ε′,ε″都降低,阻抗匹配作用增強。而對于不同質量分數(shù)的TEOS包覆的鐵鎳合金粉吸波涂層吸波性能相差不大。分散處理包覆過的鐵鎳合金粉高頻吸波性能明顯增加。這主要是其ε′,ε″明顯降低,阻抗匹配作用增強的緣故。3鐵鎳合金粉分散處理的作用(1)用TEOS處理的鐵鎳合金粉為有機硅包覆鐵鎳合金粉的核殼結構。(2)用TEOS乙醇溶液包覆鐵鎳合