多孔金屬陶瓷微結(jié)構(gòu)調(diào)控及雙負(fù)機(jī)理.pdf

1、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述材料性能的兩個(gè)重要物理性能參數(shù)。在不同應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有不同的要求:電容器領(lǐng)域的高介電材料、透波領(lǐng)域的低介電材料、微波吸收領(lǐng)域的低介電常數(shù)和高磁導(dǎo)率匹配調(diào)控等。所以，電磁參數(shù)的調(diào)控是材料研究的重要方向。材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ通常均為正值，近幾年ε和μ均為負(fù)值的雙負(fù)材料受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注。這類材料表現(xiàn)出負(fù)折射等許多新穎性能，在新型諧振腔及濾波器、微帶天線、電磁波衰減、電磁屏蔽和隱身、無線輸電等領(lǐng)

2、域有重要應(yīng)用前景。
　　 值得注意的是，目前的雙負(fù)材料基本上都是基于周期性結(jié)構(gòu)陣列的超構(gòu)材料(metamaterials)，其性質(zhì)主要決定于陣列結(jié)構(gòu)而非材料的組成和微觀組織。因此，如果能從工程材料的角度，基于材料本征性質(zhì)實(shí)現(xiàn)雙負(fù)特性是一項(xiàng)非常有意義的工作。
　　 綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀認(rèn)為，超構(gòu)材料實(shí)際上是一類有序的導(dǎo)體-絕緣體復(fù)合結(jié)構(gòu)，如果將導(dǎo)電的金屬和絕緣的陶瓷復(fù)合并對(duì)其微觀組織進(jìn)行調(diào)控，無序的、隨機(jī)復(fù)合的金屬陶瓷也有可

3、能具有雙負(fù)性質(zhì)?；谶@種思路，本文提出了多孔化、網(wǎng)絡(luò)狀金屬陶瓷，通過對(duì)其組分和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，在MHz頻段實(shí)現(xiàn)了雙負(fù)性質(zhì)。這種金屬陶瓷是利用液相浸漬工藝制備的，與傳統(tǒng)的金屬陶瓷制備工藝相比，可以比較方便的對(duì)材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。
　　 我們首先利用造孔劑法制備了多孔陶瓷，然后利用浸漬-煅燒工藝在多孔陶瓷中負(fù)載金屬相得到多孔金屬陶瓷，通過改變工藝參數(shù)制備了不同物相組成和微觀形貌的多孔金屬陶瓷。利用X射線衍射(XRD)、穆斯堡爾譜、振

4、動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)和掃描電鏡(SEM)等對(duì)金屬陶瓷的物相組成及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。利用熱重-差熱儀(TG-DTA)和程序控溫還原(TPR)對(duì)材料煅燒和還原過程中的物理及化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了分析。利用阻抗分析儀測(cè)試了多孔金屬陶瓷的介電性能和磁性能，詳細(xì)研究了金屬陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與其電磁性能的關(guān)系。最后，利用Drude模型、等效電路、HFSS高頻電磁結(jié)構(gòu)仿真、有效介質(zhì)理論(EMT)等理論和模型對(duì)金屬陶瓷雙負(fù)機(jī)理進(jìn)行了分析。本文主要研究內(nèi)容如下

5、。
　　 (1)以碳粉為造孔劑，制備不同氣孔率的多孔氧化鋁及多孔釔鐵石榴石。研究了造孔劑含量、粒徑及燒結(jié)溫度對(duì)多孔陶瓷氣孔率的影響。利用浸漬-煅燒工藝在多孔陶瓷中負(fù)載金屬，研究了浸漬溶液組分和濃度、陶瓷類別及氣孔率、煅燒溫度及時(shí)間等對(duì)金屬陶瓷微觀形貌的影響。這種多孔金屬陶瓷及其浸漬-煅燒工藝，可以制備片狀、絮狀和網(wǎng)絡(luò)狀等金屬相，低溫制備使金屬粒徑更小。
　　 (2)利用浸漬-還原工藝在多孔氧化鋁內(nèi)部負(fù)載磁性金屬鎳和鐵，制

6、備了不同金屬含量的Fe/Al2O3和Ni/Al2O3金屬陶瓷。結(jié)果表明，金屬含量低于逾滲閾值時(shí)，電導(dǎo)機(jī)制為電子跳躍電導(dǎo)，電導(dǎo)率隨頻率增加而增加;金屬含量超過但仍然接近逾滲閾值時(shí)，金屬顆粒相互接觸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率隨頻率增加而減小。高頻電磁場(chǎng)作用下，金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中自由電子的等離體子振蕩導(dǎo)致負(fù)介電常數(shù)，金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的附加感應(yīng)磁場(chǎng)以及磁性金屬的磁共振共同產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率。法諾(Fano)型介電共振和磁共振頻率可調(diào)。
　　 (3)利用

7、浸漬-煅燒工藝在亞鐵磁性的多孔釔鐵石榴石中負(fù)載銀和銅分別得到不同金屬含量的Ag/YIG和Cu/YIG金屬陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)，其負(fù)介電機(jī)理與上述Al2O3基金屬陶瓷類似，但是除了金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的抗磁性外，YIG基體的磁共振也可以產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率。
　　 (4)利用等效電路法分析了金屬陶瓷的阻抗譜。分析認(rèn)為，金屬含量較低時(shí)，可以等效為電容和電阻的并聯(lián)電路;當(dāng)金屬含量較高超過逾滲閾值時(shí)，可以等效為電容、電阻和電感組成的電路，并聯(lián)電感的出現(xiàn)是產(chǎn)生