CN101780945A - 一种氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，采用阴、阳极在工作气体下电弧放电产生等离子体的技术制备，工作气体为氩气和氢气，阴极为钨，阳极靶材为元素镍和锌，镍和锌的含量占40-100％，阳极靶材为镍粉与锌粉混合压成的块体，所用的压强为1MPa～1Gpa；本发明制备的氧化锌包镍纳米吸波材料是由纳米级镍外面包裹氧化锌组成的纳米胶囊，由于氧化锌外壳的存在将有效的提高纳米胶囊的耐氧化性。

Description

一种氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备纳米吸波材料的技术，特别提供了一种在氩气和氢气混合气氛中制备氧化锌包镍纳米吸波材料的方法。

背景技术

为解决电磁波日益严重的污染，材料的吸波性能的研究很有必要。最近，为解决移动电话，智能传输和局域网络电磁干扰的问题，在X波段(10～12.4GHz)和Ku波段(12.4～18GHz)吸收微波的需求日益增加。

应用吸波材料可以达到防止电磁辐射对人体的危害和对设备的影响，同时还能干扰雷达探测，使军事目标避免军事打击。

专利200810070597.1公开了核-壳型轻质宽频复合吸波材料及其制备方法，该复合吸波材料由羰基铁粉(CIP)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯胺(PANI)和石蜡组成，其中CIP、PMMA和PANI形成双层包覆核-壳型结构，然后与石蜡混合制成轻质宽频复合吸波材料。

专利200610018278.7公开了氧化锌吸波材料及其制备工艺。将锌粉与碳质还原剂，经配料及混匀，在气压保持0.1-0.2Pa的条件下通入空气，加热至900-1200℃、反应5-200分钟即可得到氧化锌吸波材料，该氧化锌吸波材料的堆积密度0.02-0.20克/立方厘米，比表面积为80-100平方米/克。

专利00135713.1公开了一种防电磁辐射的吸波材料。其特点是一种由分子筛基微粉和银粉混合而成的组合物，它可以在其中加入高分子粘结剂作为涂层材料使用，也可以与制造防电磁辐射部件的原料混合使用。

类似的技术还有许多，但没有制备氧化锌包镍的纳米吸波材料方法。

本发明补充已有技术的不足，提供了用电弧制备氧化锌包镍的纳米吸波材料方法。

发明内容

本发明的目的是提供了一种氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，这种材料是由纳米级镍外面包裹氧化锌组成的纳米胶囊，由于氧化锌外壳的存在将有效的提高纳米胶囊的耐氧化性。

本发明提供了一种氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，采用阴、阳极在工作气体下电弧放电产生等离子体的技术制备，工作气体为氩气和氢气，阴极为钨，阳极靶材为元素镍和锌，镍和锌的含量占40-100％，阳极靶材为镍粉与锌粉混合压成的块体，所用的压强为1Mpa～1Gpa。

本发明中采用电弧放电产生等离子体的制备技术，在电弧放电过程中，电子在电场中获得的能量w＝电量×电压，电子的电荷量为e＝1.6×10^-19库仑，当电压V＝2伏特时，因而可以得到2eV＝2×1.6×10^-19库仑×伏特＝3.2×10^-19焦耳。根据温度的微观定义，E＝W＝3/2kT＝2eV＝3.2×10^-19焦耳，把玻耳兹曼常数代入便可得到电子温度T，T＝23200K。

这仅是考虑单独电子行为。电子能量很大、温度很高，但数量很少。当等离子态变为正常态时，温度骤降，这为熔点相对高的镍形核提供了条件。低熔点的锌，则吸附在镍的上面，形成锌包镍的纳米颗粒，即所说的纳米胶囊。由于纳米金属粒子的粒径小、比表面大，在空气中极易氧化，因而难以应用，但表面是氧化物，则稳定得多。锌包镍的纳米颗粒，在空气中，锌被氧化形成氧化锌时，则变成为稳定的氧化锌包镍的纳米吸波材料。

本发明制备的氧化锌包镍纳米吸波材料提高了纳米胶囊的耐氧化性。

附图说明

图1为制备装置说明图，其中：1上盖、2阴极、3阀、4靶、5、观察窗、6档板、7铜阳极、8通冷却水、9夹头、10铜坩锅、11直流脉动电源、12氩气、13氢气；

图2中(a)为ZnO包裹Ni的纳米胶囊的透射电镜的形貌像，(b)为ZnO包裹Ni的纳米胶囊的放大图；

图3为ZnO包裹Ni的纳米胶囊的X光衍射谱；

图4中是ZnO包裹Ni的纳米胶囊的：(a)介电常数ε，ε′为实部，ε″为虚部；(b)磁导率μ，μ′为实部μ″为虚部；(c)科尔-科尔(Cole-Cole)半园；(d)当ZnO包裹Ni的纳米胶囊与蜡复合时，μ″(μ′)^-2f^-1的频率函数曲线；

图5为吸波材料在厚度分别为1.90mm，1.95mm和2.00mm时，电磁波反射损失和频率的关系图；

图6为吸波材料在厚度分别为2.05mm，2.10mm，2.40mm和2.50mm时，电磁波反射损失和频率的关系图；

图7为吸波材料在厚度分别为2.60mm，3.00mm和5.00mm时，电磁波反射损失和频率的关系图。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1电弧放电产生等离子体的技术

将图1所示的装置上盖(图1所示1)打开，用钨作阴极(图1所示2)固定在夹头上(图1所示9)，所消耗阳极靶材(图1所示4)的成分为纯镍粉与纯锌粉压成的块体，放在通冷却水的铜阳极上(图1所示7)，在通冷却水的铜阳极和靶材之间是铜坩锅(图1所示10)。盖上装置上盖，通冷却水(图1所示8)，通过阀(图1所示3)把整个工作室抽真空后，通入氩气(图1所示12)和氢气(图1所示13)，接通直流脉动电源(图1所示11)，电压为10-40V，靶与电极间发生弧光放电，产生电弧放电的电流为20-200A，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定。图1所示5为观察窗，图1所示6为档板。弧光放电过程中镍粉与锌粉熔化并蒸发和电离，形成锌包镍的纳米颗粒，沉积在侧壁和上盖上。完成所需弧光放电过程后，切断电源，弧光熄灭。抽出工作室气体，注入氩气钝化纳米颗粒，钝化结束后，打开上盖收集侧壁和上盖上的纳米粉，因锌和空气中氧结合形成氧化锌，形成氧化锌包镍的纳米胶囊。

在ZnO包裹Ni的纳米胶囊中，电介质损耗吸收机制的ZnO和磁损耗吸收机制的Ni在纳米尺寸完美的复合在一起形成一个整体，优秀的电磁匹配性提高了其微波吸收性能。

实施例2

将平均粒度为10微米的镍粉和锌粉按原子比97∶3(Ni₉₇Zn₃)的比例压成块，置于图1所示的设备中做为靶材，抽真空至5×10^-3Pa，充入压强为16kPa氩气，压强为2kPa的氢气，钨为阴极，电流80A，电压20V，电弧放电2小时后，抽出工作气体，再充入20kPa氩气钝化8小时后，再抽出氩气，放入空气后，开盖收集在壁上的粉，得到粒径为5-25nm的氧化锌包镍的纳米吸波材料，图2中(a)为ZnO包裹Ni的纳米胶囊的透射电镜的形貌像，尺寸在5-25纳米；(b)为ZnO包裹Ni的纳米胶囊的放大图，核为Ni，在晶向[111]方向上，晶面间距为0.203纳米，ZnO为外壳；图3为ZnO包裹Ni的纳米胶囊的X光衍射谱，表明核是Ni。

将40％的ZnO包裹Ni的纳米胶囊与蜡混合，置于外径7mm，内径3.04mm的管中，测量频率在2-18GHz(1GHz＝10亿赫兹)下的磁导率μ和介电常数ε，测得结果如图4中的(a)和(b)所示，在图4(b)中最强的介电共振峰为16.6GHz。

吸波材料的性能通过对电磁波反射损失RL，是通过计算输入和空间的阻抗得到的，即：

RL＝20log|(Z_in-Z₀)/(Z_in+Z₀)|                       (1)

式中，Z_in是输入的阻抗，Z₀是空间(空气)的阻抗，RL单位为分贝(dB)。

输入的阻抗Z_in则通过与相对磁导率μ_r，介电常数ε_r，Z₀是空间的阻抗的关系得到：

Z_in＝Z₀(μ_r/ε_r)^1/2tanh[j(2πfd/c)(μ_rε_r)^1/2]     (2)

式中，f是频率，d是吸波材料厚度，c是光速。

根据(1)，(2)两式和图4测得的磁导率，介电常数在不同的厚度时，电磁波反射损失和频率的关系如图5，图6和图7所示。

在频率2-18GHz时，吸波材料厚度不同，不同频率反射损失不同。在频率Ku波段12.4-18GHz，吸波材料厚度为1.95-2.10mm，反射损失超过20分贝；在频率X波段10-12.4GHz，吸波材料厚度为2.40-2.60mm，反射损失超过10分贝。

测得的结果表明，氧化锌包镍的纳米胶囊是可实用的吸波材料。

Claims (6)

1.一种氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：采用阴、阳极在工作气体下电弧放电产生等离子体的技术制备，阳极靶材为元素镍和锌。

2.按照权利要求1所述氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：所述工作气体为氩气和氢气。

3.按照权利要求1所述氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：所述阴极为钨。

4.按照权利要求1所述氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：所述阳极靶材中镍和锌的含量占40-100％。

5.按照权利要求1或4所述氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：所述阳极靶材为镍粉与锌粉混合压成的块体。

6.按照权利要求5所述氧化锌包镍纳米吸波材料的制备方法，其特征在于：所述压强为1Mpa～1Gpa。

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