多铁性磁电复合材料的损耗协同效应及其应用

Multiferroic magnetoelectric (ME) composite materials have recently stimulated a sharply increasing number of research activities for their scientific interest and significant technological importance, which simultaneously exhibit ferroelectricity, ferromagnetism and, more importantly, ME coupling effect. However, few systematic and specialized researches are reported about the magnetic loss and the electric loss of these materials. This project intends to study the magnetic and electric losses of ME composite materials, including ceramic bulks and thin films, and the influenced mechanism of composition, processing, and microstructure. Loss synergy effect of ME composite materials, including loss spectrum modulation and the relationship between magnetic loss and electric loss, will be discussed and summarized by designing, preparing ceramics or thin films with different structure, and studying the magnetic and electric losses. Then, microwave shielding and absorption characteristics of ME composite materials will be studied systematically to develop application of ME materials in the microwave filed. Electric and magnetic loss is an important but nearly unattractive side of the ME composite, which will be principally focused on in this project, which will provide more comprehensive experimental basis to ME effect research. This project is also significant to explore physical mechanisms and microwave applications of ME composite materials, and it will potentially promote development of the ME composite materials.

多铁性磁电复合材料同时具备铁电、磁性及其耦合产生的磁电效应，成为人们关注焦点，但是对于磁电复合材料的电、磁损耗这一重要特性，却少有系统专门的研究报道。本项目拟以不同显微结构的陶瓷块体和薄膜两大类型多铁性磁电复合材料的电、磁损耗为重点研究对象，研究介电损耗与磁损耗受材料组成、制备工艺参数与显微结构的影响规律及其机制；通过设计与制备不同结构类型，包括层状结构或者颗粒复合的陶瓷块体或者薄膜材料，改变结构参数，测试其电、磁损耗特性，总结复合材料中两种损耗相互关联影响以及损耗频谱调制的复合协同效应并探讨其机理。最后在此基础上，系统研究磁电复合材料的微波屏蔽和吸收特性，开发磁电材料在微波领域的应用。本项目将从材料电、磁损耗这一新的角度来研究磁电复合材料，为磁电复合效应的机理研究提供更加全面的实验基础，对于研究磁电复合材料的物理机制、微波应用以及推动磁电复合材料的发展都具有十分重要的意义。

多铁性磁电复合材料同时具备铁电、磁性及其磁电效应，成为关注焦点，但对磁电复合材料的电、磁损耗特性，却少有系统专门的研究报道。本项目重点研究了不同显微结构的块体和薄膜磁电复合材料的电、磁特性，研究了材料电、磁特性受组成、工艺参数与显微结构影响的规律及机制；通过制备不同结构类型，改变结构参数，测试其电、磁特性，总结复合材料中电、磁损耗等特性相互关联影响的复合协同效应并探讨其机理。最后在此基础上，系统研究磁电复合材料的微波屏蔽和吸收特性，磁电材料在微波领域的应用。. 具体而言，先后研究了PZT、Bi4Ti3O12等铁电薄膜以及CoFe2O4(CFO)磁性薄膜的制备与性能，进而制备研究了PZT/CFO、BaTiO3/CFO等复合薄膜的电磁性能，在这些复合薄膜中观察到了明显的磁电耦合效应，却没有观察到明显的损耗协同效应。针对陶瓷材料，研究了BaFe12O19/BaTiO3两相复合陶瓷材料，观察到了明显的磁电耦合效应，磁电系数达到27 mV/Oe，但是由于两相陶瓷材料烧结工艺的不匹配，导致耦合效应较弱，也没有观察到明显的损耗协同效应。为了解决共烧问题，制备了PVDF/BaFe12O19/BaTiO3三相复合材料，观察到了随成分变化的电、磁损耗及吸波性能，最小的反射损耗为-19.34dB。为了进一步提升复合材料的损耗，本项目又在铁电、磁性复合材料基础上加入了导电相石墨烯，制备了PVDF/BaFe12O19/石墨烯三相复合材料，获得了更高的电、磁损耗。在此基础上研究了石墨烯含量、铁氧体粒径及样品厚度对材料反射损耗的影响，当RGO的加入重量比占PVDF/BFO的3.2%，铁氧体粒径为0.5-2μm，样品厚度为2mm时，反射损耗在11.7GHz达到最小值-32.3dB，且小于-10dB的频宽达到6.3GHz。. 本项目通过上述研究，为磁电复合效应的机理研究提供了更加全面的实验基础，对于研究磁电复合材料的物理机制、微波应用以及推动磁电复合材料的发展都具有十分重要的意义。. 通过4年的研究，基本完成原定研究内容及技术指标。发表SCI论文12篇，申请国家发明专利2项，授权1项，实用新型专利1项。参加国际会议3人次，培养硕士毕业生6名。