铁酸铋基纳米复合材料的高温电磁特性及微波吸收增强研究

微波吸收材料在日益重要的隐身和电磁兼容技术中，具有十分突出的作用和地位，寻找电磁性能优异的宽频吸波材料，一直是武器装备隐身技术领域亟待解决的重大科学技术问题。高超声速飞行与机动隐身、有效探测与精确打击等新军事变革，对未来隐身材料的要求更加苛刻，高温宽频吸波材料成为隐身材料领域十分迫切的需求。目前，以电损耗或磁损耗为主体的传统吸波材料，主要通过四分之一波长谐振实现强吸收作用，很难满足宽频吸收要求，而且温度的改变会引起电磁参数和厚度变化，导致四分之一波长谐振失效，所以只有电损耗和磁损耗协同作用，才能实现微波的高温宽频强吸收。本课题首次提出利用磁电耦合作用实现微波电磁参数自匹配，解决电磁协同吸收问题。以铁酸铋基纳米材料为对象，研究替位掺杂和异质界面对电磁参数的调控，探索两种尺度下的磁电耦合对电磁协同作用的影响，揭示高温微波吸收增强规律，解决宽频吸收的基础科学问题，促进新型高温隐身材料的发展。

本项目主要开展了掺杂铁酸铋(BFO)纳米材料和BFO异质纳米复合材料的磁性、高温介电和微波吸收性能研究，分析了元素掺杂导致磁性增强的机理，研究了铁酸铋基纳米复合材料的微波介电常数、电导率和磁导率等参数的调控规律，探讨了铁电性、铁磁性和磁电耦合效应对微波介电性能的影响规律，揭示了相关微波响应机理。. 在材料制备方面，开展了掺杂BFO纳米材料及BFO/铁氧体纳米复合材料的制备与结构表征，系统研究了溶剂、溶胶干燥温度、陈化时间、排胶温度、排胶时间、升温速率、退火温度和退火时间等实验参数对BFO相纯度的影响，获得了有效抑制杂相（Bi2Fe4O9和Fe3O4等）的方法，确定了最佳实验工艺。在磁性增强方面，开展了包括稀土、碱土和过渡金属等多种元素A位和B位替位掺杂研究。对于A位掺杂，替位离子半径对磁性增强起主导作用，掺杂离子与本Bi离子半径之差越大，磁性越强，说明掺杂导致BFO周期性螺旋结构的破坏对磁性增强起主要作用。对于B位掺杂，不仅打破周期性螺旋结构能够影响磁性，而且铁离子与掺杂离子的间接交换作用也对磁性增强起重要作用，因此实验观察到磁性和替位离子半径差没有明显的依赖关系。在高温电磁特性方面，开展了本征、掺杂BFO和BFO/铁氧体纳米复合材料的高温电磁特性相关实验，研究了替位掺杂和异质界面对微波电磁特性的影响。研究发现, 磁电耦合效应对BFO的介电响应起到重要作用，在X波段，BFO试样出现负的磁导率虚部，而Er掺杂BFO试样出现负的介电常数虚部。我们从理论上揭示了这种非本征介电参数的产生机制，建立了磁电耦合效应对介电响应的本征关系模型。由于BFO和Er掺杂BFO分别对应逆磁电耦合和正磁电耦合效应，导致电能和磁能之间相互转化，产生了磁导率和介电常数的反谐振现象。对于替位掺杂BFO材料，系统的研究了Ca、Er、Mg、Zn、Ni、Ho、Zr和La等多种元素对BFO电磁特性的影响规律，揭示了各替位元素对介电常数和磁导率的影响机理。对于BFO异质纳米复合材料，主要研究了镍锌铁氧体/BFO和镍锌铁氧体/钙掺杂BFO两种体系的电磁特性，由于电磁匹配性改善，导致BFO异质纳米复合材料吸收性能增强。本项目发表SCI论文12篇，其中标注资助号的10篇，申请国家发明专利2项。