埃洛石负载Ni/钡铁氧体复合矿物材料的界面耦合机制及其电磁性能研究

Solving the problems in materials applications by taking advantage of the intrinsic characters of minerals is a frontier field of interdisciplinarity. According to the instability and ineffective performances of multi-layer electromagnetic shielding materials, this project aims to take advantage of the stereotype tubular morphology and naturally occurred hollow cavity of halloysite mineral, design a novel Ni/barium ferrite/halloysite composite material, hoping to realize the coupling effect between the diffuse reflection of electromagnetic wave on the interfaces, as well as the multi factor loses in the interior of the composite material, solve the problem of resonance and retro-reflection in the electromagnetic shielding materials, and prepare new type functional materials with fairly good electromagnetic shielding performances. Halloysite based composite mineral materials will be prepared through the sol-gel combining chemical plate film techniques, then synthesis paints to test the electromagnetic shielding performances of the coatings. The interface combination mechanism between the halloysite and barium ferrite, as well as their affections to the performances of the products will be intensively discussed, and the interface manipulation mechanism based on surface modification of the mineral will be studied; The lose mechanism for the electromagnetic waves in the mineral materials will be discussed, the multi-factor coupling mechanisms of the structure, morphology, magnetic property and electromagnetic shielding performance of the material will be interpreted, and the methodology for performance manipulation to the multi-layer electromagnetic shielding material will be made clear. The research in this project will provide the theoretical foundations for designing and preparing of novel electromagnetic shielding materials, and provide a brand new avenue to expand the application fields of minerals to high-tech application areas.

利用矿物的天然特性解决材料的应用问题是多学科交叉的前沿研究方向。本项目基于多层结构电磁屏蔽材料性质不稳定、屏蔽效果不佳的现状，利用埃洛石矿物具有的特殊管状形貌和天然中空内腔的特性，设计新型Ni/钡铁氧体/埃洛石复合材料，以期实现矿物材料界面形成电磁波漫反射、复合材料内部产生多重损耗的耦合效应，解决电磁屏蔽材料中的谐振与逆反射问题，开发具有优越电磁屏蔽效果的新型功能材料。项目通过溶胶-凝胶和化学镀膜法制备埃洛石基复合矿物材料，调制涂料并测试涂层的电磁屏蔽性能。探明埃洛石与钡铁氧体的界面复合机制及对产品性能的关键作用，探索基于矿物表面修饰的界面调控机理；查明电磁波在矿物复合材料中的损耗原理，解析材料的结构、形貌与磁性能及电磁屏蔽效果的多元耦合机制，掌握多层复合电磁屏蔽材料的性能调控方法。项目的研究将为新型电磁屏蔽材料的设计与合成提供理论依据，为拓展天然矿物在高新技术领域的应用途径提供崭新思路。

基于非金属矿物的新型材料设计与制备是矿物与材料交叉领域的研究热点。面向军事、通信防护等应用的吸波材料具有“轻、薄、强、宽”的需求，但目前仍然存在密度大、无法大规模生产的问题。本项目基于天然埃洛石纳米管矿物的热、化学稳定性高、刚性壁等特点，将埃洛石与磁性材料、碳材料等复合，制备重量轻、吸波性能突出的矿物基磁性吸波材料，以期解决吸波材料领域的应用问题，并为新型吸波材料的设计生产提供新思路。.系统分析了几种埃洛石原矿的基本理化性质，完成了实验原料的初步筛选工作，为埃洛石的选择提供参考依据。通过原位聚合将BaFe12O19和Hal聚合，引入碳或石墨烯，优化阻抗匹配，制得PANI/BF/Hal、BF/Hal、ACNT/BF等复合材料，分析材料微结构与界面状态特点，揭示其协同增效作用。HNT/BNC/Co的RLmin达-40.86 dB，当厚度为1.8 mm 时有效吸收带宽4.8 GHz。成果于2020年10月6日被“材料科学与工程”公众号亮点报道，并被163网站转载。.通过溶剂热法合成 FeCoNi-MOF前驱体，并制备FeCoNi 合金与碳的复合材料，产物在2.10 mm时，样品RLmin达-64.75dB，有效吸波宽度8.8 GHz。在埃洛石纳米管表面包覆Fe3O4/C多元复合微波吸收材料,发现适量的Hal可以有效的调节材料的电磁参数。.利用喷雾干燥设备制备出了HNTs@CNT矿物微球基体，将Fe3O4、MnFe2O4、CoFe2O4、CoNi、FeCo等磁性纳米粒子原位负载至矿物微球表面。样品RLmin达-57.77dB，在1.63mm时有效吸波宽度6.24GHz，覆盖全部Ku波段。利用离轴电子全息分析直接观察到了磁耦合相互作用，发现磁力线在微球表面的分布及相互影响。.归纳了埃洛石基磁性材料的吸波机理，矿物的存在有利于金属磁性颗粒的分散，提供多种微波反射界面，矿物与磁性材料的结合状态及分布决定了材料的最终性能。.项目系统获得了埃洛石在吸波材料应用的基础科学知识，开发了具有优异性能的新型电磁波吸收材料，掌握了矿物的界面调控与性能调节技术及其中的科学规律，圆满完成了申报书制定的研究计划，开拓了以埃洛石为基础的矿物表面改性与修饰制备磁性矿物材料新领域。通讯作者发表论文17篇，其中英文论文15篇，专著1部，申请发明专利11项，参加学术会议16次，邀请报告3次，口头报告11次。