【摘要】：當(dāng)電磁波與介質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí),在界面處將發(fā)生諸如透射和反射的物理現(xiàn)象。此時(shí),介電常數(shù)或磁導(dǎo)率通常被用于表征電磁場(chǎng)與材料之間的相互作用。傳統(tǒng)電磁材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為正值。近年來(lái),具有負(fù)磁導(dǎo)率或負(fù)介電常數(shù)的電磁超材料由于其非凡的電磁特性(如負(fù)折射,反多普勒和完美的透鏡成像),引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。電磁超材料的電磁特性主要是通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)元件來(lái)調(diào)控的,和它的微觀結(jié)構(gòu)和物相組成無(wú)關(guān)。因此,隨機(jī)復(fù)合型超材料的負(fù)電磁參數(shù)研究已成為一個(gè)新的研究方向。通過(guò)傳統(tǒng)的制備工藝可以制備得到隨機(jī)復(fù)合型電磁超材料,通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)可以調(diào)控其電磁參數(shù)。對(duì)這類隨機(jī)復(fù)合材料的研究有效地促進(jìn)了隨機(jī)復(fù)合型電磁超材料的發(fā)展。本論文主要圍繞鐵氧體粉體的制備、鐵氧體逾滲復(fù)合材料的制備與其超常電磁性能展開研究和討論,探明改變鐵氧體逾滲復(fù)合材料中導(dǎo)電相的種類和含量變化引起電磁參數(shù)變化的規(guī)律,揭示負(fù)電磁參數(shù)出現(xiàn)的機(jī)理。此外,本論文研究了鐵氧體逾滲復(fù)合材料的微波吸收性能。主要研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:(1)采用水熱合成法在不同的保溫時(shí)間下制備了鋇鐵氧體粉體,研究了保溫時(shí)間對(duì)物相組成、微觀形貌和靜態(tài)磁性能的影響。結(jié)果表明,保溫時(shí)間為17h時(shí)制備得到的鋇鐵氧體的靜態(tài)磁性能最優(yōu)。確定最佳保溫時(shí)間后,研究了不同鑭摻雜量下的鋇鐵氧體的物相組成、微觀形貌和靜態(tài)磁性能。結(jié)果表明,La摻雜量為0.1時(shí),摻La鋇鐵氧體為多磁疇結(jié)構(gòu),其飽和磁化強(qiáng)度高、矯頑力低,適合在高頻下應(yīng)用。(2)以摻La鋇鐵氧體和硝酸銀為原料,利用浸漬還原工藝將金屬銀顆粒負(fù)載在多孔摻La鋇鐵氧體陶瓷中。隨著金屬銀含量的增加,金屬銀/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料由電容性轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼行�。�?dāng)金屬銀含量超過(guò)19 wt%時(shí),介電頻散特性符合Drude模型。由于復(fù)合材料中電子濃度隨著銀含量的增加而增加,引起等離體子共振頻率向高頻移動(dòng)。金屬銀/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料的磁導(dǎo)率隨頻率增加而下降是由摻La鋇鐵氧體的磁共振和渦流效應(yīng)導(dǎo)致的。(3)以摻La鋇鐵氧體和羰基鐵粉為原料,采用無(wú)壓燒結(jié)工藝制備了羰基鐵/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料。復(fù)合材料的逾滲閾值在70 wt%和80 wt%之間,當(dāng)羰基鐵粉含量接近逾滲閾值(60 wt%和70 wt%)時(shí),復(fù)合材料獲得了大的介電常數(shù);當(dāng)羰基鐵粉含量為80 wt%,即超過(guò)逾滲閾值時(shí),羰基鐵/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料的介電常數(shù)數(shù)值相對(duì)較小,且在650 MHz時(shí)由負(fù)轉(zhuǎn)正。在650 MHz頻率附近,其介電常數(shù)接近于零,這類材料可以稱之為介電近零超材料。介電近零超材料在超級(jí)耦合,隱形,高定向天線和光學(xué)設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。羰基鐵/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料磁導(dǎo)率的下降主要是由疇壁共振、自然共振和渦流效應(yīng)共同引起的。為了研究負(fù)電磁參數(shù)材料的負(fù)參數(shù)和微波吸收性能之間的關(guān)系,本論文研究了羰基鐵/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料在2-18 GHz的微波吸收性能。羰基鐵含量為80wt%的羰基鐵/摻La鋇鐵氧體復(fù)合材料在100 MHz-1 GHz頻段內(nèi)獲得近零介電常數(shù)。當(dāng)樣品厚度為2.5 mm時(shí)反射損耗RL達(dá)到最大值為-41.3 dB,表明其具有良好的微波吸收性能。(4)以碳納米管和釔鐵石榴石為原料,采用熱壓成型工藝制備得到了碳納米管/釔鐵石榴石復(fù)合材料。當(dāng)碳納米管含量超過(guò)逾滲閾值時(shí),介電常數(shù)表現(xiàn)為洛倫茲(Lorentz)共振型。隨著碳納米管含量的增加,洛倫茲共振中的由正轉(zhuǎn)負(fù)點(diǎn)向低頻移動(dòng)。復(fù)合材料中電子濃度的增加導(dǎo)致了等離體子共振頻率的增加。采用K-K關(guān)系公式,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部計(jì)算出介電常數(shù)的實(shí)部。對(duì)比計(jì)算出的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的介電常數(shù)實(shí)部,發(fā)現(xiàn)結(jié)果的吻合度較高,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)得的介電常數(shù)是可靠的。碳納米管/釔鐵石榴石復(fù)合材料的磁導(dǎo)率實(shí)部隨著頻率的增加而降低,磁導(dǎo)率虛部表現(xiàn)出損耗峰,這主要是由釔鐵石榴石弛豫型的共振和導(dǎo)電相的渦流效應(yīng)共同作用導(dǎo)致的。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33
【圖文】：

介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是表征材料電磁性能的兩個(gè)重要本征參數(shù)［１５］，決定逡逑電磁材料的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率數(shù)值的正負(fù)，可以將材料分逡逑為四大類【１６－１７］，如圖１－３所示。逡逑第一類材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為正值Ｇ＞0且／／＞0），位于第一象限。逡逑自然界中大多數(shù)的透明材料為此類材料，這類材料符合右手定則。雙正材料在不逡逑同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姶艆?shù)有不同的要求。用于電子領(lǐng)域的電子封裝或者高儲(chǔ)能電逡逑５逡逑

表理論研究論文，分別提出了實(shí)現(xiàn)低頻負(fù)有效介電常數(shù)和負(fù)有效磁導(dǎo)率的金屬線逡逑（ｗｉｒｅ）邋［４３］及開口諧振環(huán)（ｓｐｌｉｔ邋ｒｉｎｇ邋ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，邋ＳＲＲ）邋［４４］周期性人工材料模型（如逡逑圖１－４所示），使實(shí)現(xiàn)“左手材料”成為可能。金屬陣列的有效介電常數(shù)可以表逡逑示為［４５］：逡逑其中，為由幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的電共振頻率；ｒ?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的損耗參數(shù)，可以看出，逡逑對(duì)于頻率￡０滿足0）0＜0）邋＜ｃｙｐ的電磁波，金屬線陣列的有效介電常數(shù)小于零。周逡逑期性排列的ＳＲＲ陣列的有效磁導(dǎo)率可以表示為逡逑＝邋１邋－邋Ｗ２＿ｌ？＋ｉ６ｊｒ邐（１＇１３）逡逑其中，ｃｗｏ為諧振頻率，Ｆ為ＳＲＲ占空比，ｒ?yàn)閾p耗參數(shù)。設(shè)６Ｊｍｐ邋＝邋ｗ０／ＶＨ，逡逑為磁等離子體頻率，則由上式可得，對(duì)于頻率滿足伽＜ｃｙ＜ｃｙｍｐ的電磁波，ＳＲＲ逡逑陣列形成的復(fù)合材料具有負(fù)的有效磁導(dǎo)率。逡逑

如圖ｌ－５ｂ所示，但是由于棱鏡形樣品存在較大的損耗，后來(lái)的學(xué)者便逡逑在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)出低損耗的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)在環(huán)狀電流及等效ＬＣ逡逑電路的啟發(fā)下，研究者提出了更加簡(jiǎn)單的雙棒結(jié)構(gòu)［５５—５８］和漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)１５９？］，如圖１－逡逑６所示。從圖ｌ－６（ａ）可以看出，雙棒結(jié)構(gòu)將ＳＲＲ垂直于電磁波磁場(chǎng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)改逡逑為分立在兩平行面上的平行棒對(duì)，這種設(shè)計(jì)使雙棒結(jié)構(gòu)不僅能夠工作在電磁波垂逡逑直入射的條件下，并且為通過(guò)微納米加工技術(shù)獲得高頻電磁響應(yīng)提供了更加易于逡逑實(shí)現(xiàn)的模型。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明雙棒結(jié)構(gòu)是代替ＳＲＲ實(shí)現(xiàn)磁響應(yīng)的一種好逡逑的選擇。除了與電磁波磁場(chǎng)相互作用，垂直入射條件下雙棒結(jié)構(gòu)還將受到電磁波逡逑磁場(chǎng)部分激勵(lì)發(fā)生電共振。然而，由于結(jié)構(gòu)限制，其電共振頻段很難與磁共振頻逡逑段重合，因此很難通過(guò)雙棒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左手效應(yīng)。而漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過(guò)相互正交的結(jié)構(gòu)逡逑設(shè)計(jì)分別實(shí)現(xiàn)電共振和磁共振，從而獲得同時(shí)小于零的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。逡逑目前現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)光頻左手效應(yīng)最有效的是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)。逡逑ａ邐ｂ逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2795776