摘要: 随着现代电子探测技术的飞速发展，各种先进的探测设备不断问世。雷达的探测功能强、精度高、作用距离远，在电子探测装备中被广泛应用。目前，雷达主要使用的频段集中在C波段(4～8 GHz)、X波段(8～12 GHz)和Ku波段(12～18 GHz)，研制针对上述波段的雷... 展开 随着现代电子探测技术的飞速发展，各种先进的探测设备不断问世。雷达的探测功能强、精度高、作用距离远，在电子探测装备中被广泛应用。目前，雷达主要使用的频段集中在C波段(4～8 GHz)、X波段(8～12 GHz)和Ku波段(12～18 GHz)，研制针对上述波段的雷达波吸收材料（吸波材料）是当前研究的重点。理想的吸波材料应具有吸收强、频段宽、厚度薄、质量轻的特点，然而迄今为止还没有发现能够同时满足上述要求的吸波材料。因此，对现有材料进行适当改性和设计是现阶段的研究热点。 本文以铁氧体吸波材料作为研究对象，首先，提出通过制备具有高各向异性形貌的铁氧体，使其在高频下更容易突破snoek极限，获得较高的磁导率;其次，借助离子掺杂改性进一步优化铁氧体的微波电磁参数，改善电磁阻抗匹配特性和电磁损耗性能;最后，对铁氧体吸波涂层的组成和结构进行优化，设计出能够分别满足C、X和Ku波段的吸波涂层。具体开展的研究内容如下: (1)采用静电纺丝法制备一维ZnFe2O4铁氧体纳米纤维，主要研究了制备工艺对ZnFe2O4铁氧体相组成和形貌的影响，并分析了不同形貌ZnFe2O4铁氧体的电磁性能。在前驱体制备过程中，PVP浓度、金属盐浓度、静电电压和收集距离对前驱体纤维的形貌有着较大的影响。在PVP浓度为15 wt％、金属盐浓度为13 wt％、静电电压为13kv以及收集距离为13 cm的工艺条件下制得的前驱体纤维形貌完好，纤维直径约为165 nm，并且直径分布均匀。前驱体纤维在700℃下煅烧热处理后可以制得ZnFe2O4铁氧体，但其形貌却受到升温速率的影响。当200～400℃温度范围内升温速率分别为2℃/min、4℃/min和6℃/min时，制得的ZnFe2O4铁氧体的形貌分别为长纤维状、短纤维状以及纳米棒状。 对不同形貌的ZnFe2O4铁氧体静态磁性能的分析表明，ZnFe2O4铁氧体的饱和磁化强度随形貌的变化并不明显，Ms值基本都为13 emu/g。ZnFe2O4铁氧体的矫顽力却随着形貌各向异性的增强逐渐变大，纤维状ZnFe2O4铁氧体的Hc可以达到48.79Oe。ZnFe2O4铁氧体的复介电常数和复磁导率也随着形貌各向异性的增强而变大，并且ZnFe2O4铁氧体的吸波性能随着形貌各向异性的增强得到改善。纳米球状ZnFe2O4铁氧体在2～18 GHz频率范围内反射损耗(RL)的峰值仅为-3.8 dB左右;棒状ZnFe2O4铁氧体的反射损耗峰值为-5 dB;短纤维状ZnFe2O4铁氧体的反射损耗峰值为-7 dB，长纤维状ZnFe2O4铁氧体的反射损耗峰值增强到了-8.1 dB，具有高形貌各向异性的纳米纤维状ZnFe2O4铁氧体具有更为优异的吸波性能。 (2)通过Ni2+、Co2+掺杂对ZnFe2O4铁氧体纤维的电磁性能进行改性。首先，借助XRD、FTIR和XRF等测试手段分析Ni2+、Co2+掺杂对ZnFe2O4铁氧体纤维物相组成和显微形貌的影响。结果发现，在本实验条件下，Ni2+、Co2+掺杂虽然没有改变ZnFe2O4铁氧体纤维的尖晶石型晶体结构，却改变了ZnFe2O4结构中金属离子的占位情况。同时，Ni2+、Co2+掺杂抑制了ZnFe2O4铁氧体纤维的晶粒生长，并且增强了沿(400)面择优取向生长的趋势。随着Ni2+、Co2+掺杂量的增加，ZnFe2O4铁氧体纤维的直径从65 nm分别减小到40 nm和35nm。 对NixZn(1-x)Fe2O4和CoxZn(1-x)Fe2O4铁氧体纤维静态磁性能的分析表明，Ni2+、Co2+掺杂均使ZnFe2O4铁氧体纤维表现出亚铁磁性，并且比饱和磁化强度随着掺杂量的增加先变大后减小，矫顽力则随着掺杂量的增加逐渐变大。对Ni2+、Co2+掺杂ZnFe2O4铁氧体纤维吸波性能的分析表明，当Ni2+掺杂量为x=0.5以及Co2+掺杂量为x=0.6时，ZnFe2O4铁氧体纤维在X波段表现出优异的吸波性能。其中，Ni0.5Zn0.5Fe2O4铁氧体纤维吸波涂层在5.52～9.04 GHz频率范围内RL＜-10dB，Co0.6Zn0.4Fe2O4铁氧体纤维吸波涂层在4.7～9.1 GHz频率范围内RL＜-10 dB。同时，提出了Ni2+、Co2+掺杂ZnFe2O4铁氧体纤维的吸波机理是由电磁阻抗匹配特性、电磁损耗性能以及λ/4干涉模型共同决定的。其中，电磁阻抗匹配特性决定了进入吸波涂层内部的电磁波频段，电磁损耗特性决定了吸波涂层吸收电磁波的能力，λ/4干涉模型决定了反射损耗峰的出现位置。 (3)采用cellulose吸附燃烧法制备具有六角片状形貌的BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体，并且借助Gd3+、Er3+稀土离子掺杂对BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体的电磁性能进行改性。对BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体合成过程的研究表明，cellulose吸附燃烧法可以制备纯相的BaZn0.6Co1.4Fe16O27，该方法简单快捷、可重复性高。通过对Gd3+、Er3+掺杂BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体相组成和形貌的研究发现，在Gd3+、Er3+掺杂量分别在x≤0.15和x≤0.10的条件下，可以制备纯相的BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体，并且Gd3+、Er3+掺杂增加了BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体六角片状形貌的扁平率。 Gd3+、Er3+掺杂改变了BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体的比饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc，其中Ms随着掺杂量的增加先变大后减小，Hc则随着掺杂量的增加逐渐变大。本实验条件下，当Gd3+掺杂量x=0.15、Er3+掺杂量x=0.10时，BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体在X和Ku波段范围内表现出优异的吸波性能。其中，Ba0.85Gd0.15(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27铁氧体吸波涂层在9.5～16.1 GHz频率范围内反射损耗达到-10dB，Ba0.9Er0.1(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27铁氧体吸波涂层在8.7～18 GHz频率范围内反射损耗达-10 dB，有效带宽达到9.3 GHz。对Gd3+、Er3+掺杂BaZn0.6Co1.4Fe16O27铁氧体吸波机理的研究表明，电磁阻抗匹配特性决定了进入吸波涂层内部的电磁波频段，电磁损耗特性决定了吸波涂层吸收电磁波的能力，λ/4干涉模型决定了反射损耗峰的出现位置。 (4)利用吸波涂层的传输线理论计算铁氧体吸波涂层的反射损耗，并且采用枚举法优化设计方案。分别通过对Ni0.5Zn0.5Fe2O4铁氧体纤维吸波涂层、Co0.6Zn0.4Fe2O4铁氧体纤维吸波涂层、Ba0.85Gd0.15(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27铁氧体吸波涂层、Ba0.9Er0.1(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27铁氧体吸波涂层的优化，设计出了能够分别满足C、X和Ku波段雷达吸波需求的铁氧体吸波涂层 在理论计算的基础上，选择能够同时满足X和Ku波段雷达吸波需求的Ba0.9Er0.1(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27铁氧体吸波涂层作为研究对象，讨论涂层制备工艺参数对吸波性能的影响。研究表明，吸波涂层的最优制备工艺条件分别是溶剂比为0.58，搅拌时间为1.38 h，铁氧体含量为78wt％。在最优制备工艺条件下，利用喷涂法制备了Ba0.9Er0.1(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27吸波涂层。采用弓形法测试涂层的反射率，结果表明，Ba0.9Er0.1(Zn0.3Co0.7)2Fe16O27铁氧体吸波涂层在7.1～17.8 GHz频率范围内反射损耗RL＜-10 dB，实际测试的反射率数据与理论计算结果相吻合。 收起