介电氧化物/碳包裹铁磁金属纳米胶囊复合物的制备及其微波吸收性能调控

以直流等离子体电弧法制备碳包裹铁磁金属纳米胶囊。利用表面分散剂化学修饰胶囊碳壳表面，形成均匀稳定溶液。在静电作用下，使高介电氧化物钛酸钡溶胶以自组装方式包裹纳米胶囊。胶囊碳壳层分隔介电氧化物与磁性金属内核，避免金属核的长大、相互扩散和氧化，经过凝胶、干燥、烧结等过程，得到具有新颖双壳层微观结构的碳酸钡/磁性金属碳纳米胶囊复合粒子。以介电碳酸钡壳层调控复合粒子的导电和介电性能，系统研究这种新型纳米复合物的磁性、磁电耦合效应、微波吸收特性等与其组成、含量、尺寸和双壳层结构之间的关系。研究金属碳纳米胶囊和介电碳酸钡外壳所决定的独特的表面/界面结构、小尺寸效应、介电限域效应与其微波吸收阻抗匹配参数的关系，调控纳米复合物的微波吸收性质。阐明微波吸收机理。发展具有吸收强、密度低、温度适应性强和可调控吸收频带等优良综合性能的新型介电碳酸钡-铁磁金属碳纳米胶囊复合吸波剂，促进其在军民工程技术领域中的应用。

吸波材料研究是为满足军事隐身技术需求发展起来的，是军事技术研究领域的前沿课题之一。本项目采用直流电弧等离子体法和溶剂热法，制备了多种磁性纳米胶囊微波吸收剂，如Ni/C，Ni/(C,silicides)，CoxNi100-x/C，FeCo/C，FeCo/(C,silicides)，Zn(Fe)，Co/C，Fe/C，Fe3O4/Bi，Cu/C以及规则和不规则元葱状碳纳米颗粒。设计了一种具有新颖的核/双壳层微观结构的胶囊型纳米复合物，采用微乳液法和原位化学氧化聚合法克服了极性介电氧化物溶胶与非极性碳壳层不浸润的难题，以自组装方式制备了纳米胶囊复合粒子，如核/双壳层微观结构的FeCo/C/BaTiO3纳米复合物、Co/C/polyaniline纳米复合物。以X射线衍射和X射线光电子能谱、拉曼光谱、高分辨电镜等方法对纳米胶囊样品的相成分、组成元素电子态、微观结构、表面/界面结构、壳层厚度等进行了表征。还提出在碳壳层中引入硅化物(改变碳壳层的缺陷程度)和将纳米胶囊与导电钙钛矿氧化物材料混合两种方法调控复合物微波吸收剂的介电性能。系统研究了金属碳纳米胶囊和介电外壳所决定的独特的表面/界面结构、磁性核的组成变化、壳层组成和厚度变化、介电限域效应与其微波吸收阻抗匹配参数的关系，调控纳米复合物的微波吸收性质，阐明了其微波吸收机理。提出电偶极子模型解释了Ni/(C,silicides)纳米胶囊在相同吸收层厚度时，其吸收峰值向低频移动的红移现象。明确了碳组成缺陷结构对复合微波吸收剂的微波吸收能力增强。发现双重介电共振和多重磁共振对Co60Ni40/C纳米胶囊的优异的电磁波吸收特性的贡献。发现由于界面极化导致的核双壳层结构纳米胶囊的复介电系数的非线性增强效应和优化的阻抗匹配程度。提出采用适当含量的具有金属导电性的镍酸镧粉末调控混合微波吸收剂的介电参数，利用逾渗效应改善微波吸收剂的阻抗匹配，增强其微波吸收性能。在吸收层厚度为2 mm处，FeCo/C/(20 wt%)BaTiO3复合物的微波反射损耗最小值为-41.7 dB，RL小于-10 dB的频带宽度达到了5.1 GHz；在1-18 GHz频率范围吸收层层厚为2-7.5毫米时双壳层复合物反射损耗值几乎是单壳层FeCo/C复合物的两倍。本项目研究不仅扩大了胶囊型微波吸收材料研究体系，也丰富了对微波吸收阻抗匹配参数的调控手段。