鐵納米線陣列的制備及其微波吸收性能研究

鐵納米線陣列的制備及其微波吸收性能研究

隱藏技術(shù)是控制和降低各種武器裝備在特定環(huán)境下的功能信號(hào)的技術(shù)，以便在特定范圍內(nèi)難以識(shí)別、識(shí)別和攻擊。為了提高國防體系中地面軍事目標(biāo)的生存力與武器系統(tǒng)的突防和縱深打擊能力,發(fā)展和應(yīng)用雷達(dá)隱身技術(shù)已經(jīng)成為國防體系發(fā)展的重要方向。而能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)隱身技術(shù)重大突破的途徑主要是發(fā)展現(xiàn)有的和尋求新型的雷達(dá)吸波材料。在這種情況下,納米吸波材料以其優(yōu)異的性能受到關(guān)注。研究表明,納米金屬和氧化物顆粒、線及薄膜對(duì)寬頻微波乃至光波具有優(yōu)異的超寬頻吸收性能。國內(nèi)也正在這方面進(jìn)行大量的研究。中南大學(xué)陳康華、李金儡等人率先通過對(duì)純鋁板進(jìn)行表面陽極氧化處理,而后在鋁的陽極氧化多孔膜中沉積鐵、鎳等磁性金屬,形成金屬納米線陣列,研制了一種高效、寬頻、輕質(zhì)的納米吸波材料。而在此之前,用模板法組裝磁性金屬納米線陣列技術(shù)制備吸波材料的研究還未見報(bào)道。這種材料具備了傳統(tǒng)涂覆吸波材料和結(jié)構(gòu)吸波材料的優(yōu)點(diǎn),而摒棄了質(zhì)量大、頻帶窄等缺點(diǎn),為新型“薄、寬、輕、強(qiáng)”吸波劑的發(fā)展開辟了一條嶄新的途徑。為了進(jìn)一步提高該材料的吸波性能,本文作者進(jìn)一步研究了特殊的納米線陣列組織結(jié)構(gòu)對(duì)改進(jìn)其吸波性能的影響。1多孔陽極氧化鋁膜模板的制備試樣的制備過程主要包括樣品的陽極氧化和電沉積兩個(gè)過程。首先對(duì)純鋁板進(jìn)行預(yù)處理(包括原材料的準(zhǔn)備、熱處理、表面清洗、電化學(xué)拋光和堿洗等過程),然后對(duì)其表面進(jìn)行陽極氧化,獲得高度有序的多孔陽極氧化鋁膜模板,在多孔陽極氧化鋁模板上通過電化學(xué)沉積的方法將金屬鐵組裝到模板的納米線陣列中。1.1原材料的準(zhǔn)備和預(yù)處理1.1.1試樣尺寸、標(biāo)準(zhǔn)所用鋁板的厚度為1mm,純度為99.99%,裁制成尺寸為180mm×180mm的試樣2塊,標(biāo)為試樣1、試樣2。再將試樣2進(jìn)行表面噴砂或粗化處理,使其表面凸凹不平,以便形成特殊的“斜”納米孔結(jié)構(gòu)。1.1.2鋁片晶粒的消除將試樣1和2的高純鋁板在500℃下空氣中退火,以消除鋁片內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力,并使晶粒長大和再結(jié)晶,減小晶粒間的缺陷,成分更均勻。在馬弗爐中進(jìn)行退火,加熱到500℃保溫4h,然后取出,空冷。1.1.3表面處理和清洗對(duì)退火后的試樣1,2進(jìn)行表面清洗。先放入丙酮中浸泡1h以除去表面油污,用去離子水沖洗后,再用60℃的10%的NaOH溶液清洗,以除去因鋁板暴露在空氣中以及在退火過程中形成的氧化膜,之后再用蒸餾水清洗數(shù)次。1.1.4拋光劑和反滲透膜的制備將經(jīng)過表面清洗的試樣1進(jìn)行電化學(xué)拋光,其目的是消除試樣表面的機(jī)械損傷,提高試樣表面的平滑度和光潔度。將經(jīng)過表面清洗后的鋁板作為陽極,用不銹鋼板作為陰極,陰、陽兩極面積之比為1.2∶1,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.7%的H3PO4、10.1%的H2SO4、40.8%的乙二醇和8.4%的H2O溶液中拋光16min,拋光液溫度為85~95℃,陽極電流密度控制在8.4~8.5A/dm2。在拋光過程中,采用攪拌器不斷地進(jìn)行攪拌,同時(shí)通過陽極的移動(dòng)促使陽極溶解產(chǎn)物加快擴(kuò)散,并有效地排除陽極表面滯留的氣泡,避免產(chǎn)生氣流生成條紋,還可以防止過熱造成的表面腐蝕。試樣2不進(jìn)行拋光處理。1.1.5過濾法制備多孔微織物拋光后的試樣1和未經(jīng)拋光的試樣2在溫度為40℃的10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH溶液中浸泡10min,然后用蒸餾水清洗,可以除去拋光時(shí)所產(chǎn)生的或在空氣中自然生成的氧化膜,隨后立即對(duì)其表面進(jìn)行陽極氧化處理,以得到多孔的陽極氧化膜結(jié)構(gòu)。1.2電解單元利用系數(shù)確定鋁板和硫酸3g/l試樣1,2陽極氧化工藝過程相同。具體如下:配制12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硫酸和15g/L草酸的混合液作為電解液。將鋁板作為陽極置入電解液中,陰極為鉛板。在15~17V直流電壓下進(jìn)行陽極氧化3h,陽極電流密度為1~1.5A/dm2,溶液溫度控制在0~10℃。1.3鐵納米線的電化學(xué)沉積試樣1,2的電沉積均在相同的條件下進(jìn)行。其多孔陽極氧化膜中Fe納米線的沉積在酸性溶液中進(jìn)行。以陽極氧化鋁模板為陰極,石墨為陽極;脈沖電源工作電壓為2V,頻率為200Hz,脈沖波形占空比為0.5;在160g/LFeSO4、30g/L硫酸鎂、100g/L(NH)2SO4、1g/L抗壞血酸、2ml/L甘油和硫酸(調(diào)整pH值至2.1)的混合液中,進(jìn)行鐵納米線的電化學(xué)沉積;沉積時(shí)間為2h。為了使膜孔內(nèi)的離子濃度能夠及時(shí)得到補(bǔ)充,以保證電化學(xué)沉積的均勻性和質(zhì)量,整個(gè)沉積過程都在超聲震動(dòng)儀中進(jìn)行。將沉積后的試樣置入真空室保存,以防氧化。2鐵納米線陣列對(duì)試樣吸波性能的影響試樣的組織結(jié)構(gòu)對(duì)其吸波性能有決定性的影響。故通過數(shù)碼相機(jī)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)等手段來檢測(cè)模板組裝的Fe納米線陣列的形貌及組織結(jié)構(gòu),用垂直入射平板反射率測(cè)試法測(cè)定試樣的反射率,來分析和討論鐵納米線陣列組織結(jié)構(gòu)對(duì)試樣吸波性能的影響。2.1表面粗糙度、表面螺釘測(cè)定圖1是試樣1,2的宏觀形貌光學(xué)照片。從圖1(a)中可以看出,試樣1表面顏色均一,各處反光方向一致,說明表面平整、光滑,以這一點(diǎn)來確保經(jīng)陽極氧化后所得的氧化膜的平整及沉積鐵納米線的取向一致。試樣2就顯得“粗糙”很多,顏色也不均一,樣品各處反光不一致,說明樣品表面凸凹不平,這種表面結(jié)構(gòu)為后續(xù)制備取向各異的納米線陣列結(jié)構(gòu)起了決定性作用。2.2鐵納米線的氧化膜斷面形貌用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣的斷面微觀形貌進(jìn)行表征,檢測(cè)結(jié)果見圖2。圖2(a)是試樣1直接折斷后的低倍斷面SEM圖,從中可以清楚地看出,陽極氧化膜斷面形貌平直,其厚度約為60μm;為了便于觀察Fe納米線的形貌,將斷面用5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以下同)的NaOH溶液溶解1~2min后,得到部分裸露出鐵納米線的氧化膜斷面形貌,如圖2(b)所示,鐵納米線直徑大小均勻且獨(dú)立存在,無相互纏結(jié)現(xiàn)象,被絕緣的氧化鋁膜隔開;將陽極氧化膜斷面繼續(xù)用NaOH溶液刻蝕5~6min之后,用掃描電鏡觀察,得到圖2(c)的SEM圖,雖然包覆鐵納米線的氧化鋁沒有完全溶掉而使得鐵納米線陣列呈團(tuán)聚狀態(tài),但仍可以看到,納米線大致垂直于氧化膜表面生長,由于其氧化膜是平直的,故各納米線總體取向大體一致。圖3(a)為試樣2直接折斷后的低倍斷面SEM圖,可以清楚地看出陽極氧化膜凸凹不平,其厚度也約為60μm;為了便于觀察Fe納米線的形貌,將斷面用5%的NaOH溶液溶解1~2min后,得到半裸露出鐵納米線的氧化膜斷面形貌,見圖3(b)所示。由圖3(b)可以看出鐵納米線直徑大小均勻但取向各異;將其氧化膜斷面繼續(xù)用NaOH溶液刻蝕5~6min之后,用掃描電鏡觀測(cè),得到圖3(c)的SEM圖。圖中,一根根裸露出的Fe納米線(白色),也處處垂直于氧化膜表面生長,但由于噴砂后的試樣2氧化膜是凸凹不平的,故各鐵納米線總體取向各異。2.3微波吸收性能用垂直入射平板反射率測(cè)試法測(cè)定陽極氧化鋁膜組裝的磁性Fe納米線陣列試樣1,2的反射率,檢測(cè)波段為4~18GHz,其吸波性能曲線見圖4。由圖4可知,試樣1在4~18GHz頻率范圍內(nèi),最大反射系數(shù)R達(dá)到-2.3dB,反射系數(shù)小于-1dB的帶寬僅有1GHz。低頻段R顯示為正值,是因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)在低頻段存在系統(tǒng)誤差的緣故;試樣2在4~18GHz頻率范圍內(nèi)有較好的寬頻微波吸收性能,其最大反射系數(shù)達(dá)-6.5dB,反射系數(shù)小于-1dB的帶寬達(dá)14GHz。因此可以看出,試樣2比試樣1的微波吸收性能好得多。這是由