磁性金属纳米片/ZnO核壳结构复合纳米颗粒的制备、结构调控及微波性质研究

Microwave absorption research mainly focuses on magnetic loss and dielectric loss microwave absorbers. The microwave absorbers with either magnetic loss or dielectric loss have failed to meet the demand. The composites with combination of magnetic loss and dielectric loss are expected to improve the performance of microwave absorption materials. The core-shell nanocomposite particle is an effective means to combine magnetic loss with dielectric loss. In this project, the core-shell nanocomposite particles with ferromagnetic metal nanoplatelet as core and nanometer-sized ZnO as shell will be prepared. The ferromagnetic metal nanoplatelets with high value of permeability and multi-resonant peaks in microwave frequency are high-performance magnetic loss microwave absorption filler. The nanometer-sized ZnO is an effective dielectric loss microwave absorption filler. Our group has developed the preparation method of ferromagnetic metal and alloy nanoplatelets. According to heterogeneous nucleation, the ferromagnetic metal nanoplatelet/ZnO coer-shell nanocomposite particles will be synthesized by liquid chemical methods with a low temperature through the heterogeneous growth of ZnO on the surface of the metal nanoparticles. Controllable synthesis of the nanocomposite particles will be studied. The morphology, size, composition, and interface structure of the nanocomposite particles will be tuned. The magnetism and microwave properties of the nanocomposite particles will be studied. The relation between properties and structure of the nanocomposite particles will be investigated. The high-performance，thinner microwave absorbers will be designed by tuning the structure of the nanocomposite particles.

磁损耗和介电损耗型的微波吸收材料是吸波材料研究的主要方向。但单纯的磁损耗型和介电损耗型吸波材料都未能满足需求。在阻抗匹配下，开发磁损耗和介电损耗结合的复合材料有望改善现有吸波材料的性能。核壳结构复合纳米颗粒是有效的磁损耗和介电损耗结合的方式。为此，我们以具有高磁导率和多重磁损耗机制的磁性金属纳米片为磁损耗相，以介电常数和其匹配的纳米ZnO作为介电损耗相，设计开发核壳结构复合材料。以本课题组磁性金属纳米片的制备技术为基础，依据异质形核理论，设计氧化锌在金属纳米颗粒表面异质生长的低温液相环境，制备核壳结构的磁性金属纳米片/ZnO复合纳米颗粒。研究复合纳米颗粒的可控性生长，探索控制复合纳米颗粒的形貌、尺寸、成分比例、界面结构的实验条件；建立复合纳米颗粒的形貌、尺寸、成分比例、界面结构与磁性、微波性质的关系；实现根据对材料的微波性质要求调控材料的微观结构, 期望获得微波频段高效、薄型的吸波材料。

核壳结构的复合纳米颗粒是目前高效微波吸收剂研究的热点之一。本项目通过在氧化锌介稳溶液中引入金属纳米颗粒进行异质形核包覆，制备了核壳结构的Ni/ZnO、Co/ZnO、FeNi/ZnO及FeCo/ZnO复合纳米颗粒。氧化锌介稳反应溶液中会形成尺寸小于5nm的介稳氧化锌纳米颗粒，低温会促进氧化锌纳米颗粒的溶解。利用介稳氧化锌反应溶液异质形核实现包覆，可避免均匀形核，通过调节异质核和锌盐的比例可调节表面氧化锌包覆层的厚度。氧化锌以raspberry-like的颗粒状包覆在金属纳米颗粒表面。单个氧化锌纳米颗粒的尺寸约5 nm，为六角纤锌矿结构。引入氧化锌包覆层降低了复合纳米颗粒中磁性相的含量，会引起复合纳米颗粒饱和磁化强度的降低，对矫顽力没有显著影响。通过高温退火改变界面结构可以调整复合纳米颗粒的矫顽力。氧化锌包覆层的引入会有效降低复合纳米颗粒与石蜡构成的复合材料的介电常数。75 wt%的Ni/ZnO复合材料介电常数的实部相对于镍纳米片复合材料明显降低，从17降至13，虚部降低不明显。75 wt%的片状Co/ZnO复合材料相对于钴纳米片复合材料介电常数值显著降低：实部和虚部分别从50-180降至27-31，96-235降至1.5-5.3。复合纳米颗粒的微波磁谱呈多重共振行为，为自然共振和非一致交换共振。Fe原子引入磁性金属纳米颗粒核会使得复合纳米颗粒微波磁共振峰宽化，具有加强的磁导率虚部和磁损耗。引入ZnO包覆层有利于阻抗匹配从而显示加强的微波吸收性能。75 wt%的片状Ni/ZnO复合材料：厚度为1-6 mm，在2.3-18 GHz反射系数 R<-10 dB；在0.1-18 GHz，随着样品厚度变化（1-6 mm），可实现强单个反射系数峰（Rmin=-47.3dB），Rmin均小于-20 dB的双重反射系数峰以及Rmin均小于-10 dB的三重反射系数峰。75 wt%的钴纳米片复合材料在2-18 GHz频率范围内，厚度为1-4mm时，反射系数均大于-1 dB。但75 wt%的片状Co/ZnO复合材料，厚度1-4 mm时可实现2-12.6 GHz反射系数R<-10 dB。因而，对于具有高磁损耗的磁性金属纳米片，具有和其磁导率相匹配的介电常数，是实现良好微波吸收性能的关键。本项目的研究结果为高性能微波吸收剂的开发提供了实验支持和理论指导。