近些年,具有負介電常數(shù)、負磁導率等負物性參數(shù)的電磁超材料(Electromagnetic metamaterials)引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。其有別于具有正參數(shù)的傳統(tǒng)電磁材料,展現(xiàn)出許多獨特的電磁性能,比如負折射、完美成像和超吸收等,其在光學隱身、成像、無線通信、傳感器、電磁波吸收及屏蔽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前電磁超材料的研究主要集中于兩種類型的材料,即具有周期性結(jié)構(gòu)的超材料(Periodic metamaterials)和隨機結(jié)構(gòu)的超材料(Random metamaterials)。周期性超材料是由亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而構(gòu)成的,其電磁性能主要決定于結(jié)構(gòu)單元的幾何形貌、尺寸和排列方式等,而非材料的化學組成和微觀結(jié)構(gòu)。因此,基于材料本征性質(zhì)的隨機超材料得到了科研工作者的青睞。研究發(fā)現(xiàn)通過合理地剪裁材料的微觀結(jié)構(gòu),可以利用材料的本征性質(zhì)來實現(xiàn)負介電常數(shù)或/和負磁導率。積極探索超材料中可調(diào)控的負參數(shù),不僅具有極大的理論意義,也是為了滿足實際應(yīng)用的需要。比如,相對小的負介電常數(shù)的數(shù)值有利于超材料應(yīng)用于微波吸收和電容器領(lǐng)域;實現(xiàn)負電磁參數(shù)出現(xiàn)頻段的可調(diào)控有助于其應(yīng)用于多頻段可調(diào)濾波器。所以,負電磁參數(shù)的調(diào)控是電磁超材料研究的重要方向和主要目標。本論文主要圍繞隨機復(fù)合超材料的設(shè)計、制備與電磁性能展開研究和討論,提出了利用逾滲復(fù)合材料構(gòu)筑電磁超材料的學術(shù)思路,探究了多種陶瓷基逾滲復(fù)合材料的電磁參數(shù)隨化學成分和微觀結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律,揭示了負電磁參數(shù)的實現(xiàn)和調(diào)控機理。取得的主要研究結(jié)果如下:(1)利用浸漬-還原工藝制備了鈷/氮化硅金屬陶瓷復(fù)合材料,亞微米級金屬鈷顆粒分布在氮化硅基體的孔道內(nèi)。隨著鈷含量的增加,材料中逐漸形成三維金屬網(wǎng)絡(luò),并出現(xiàn)逾滲現(xiàn)象。金屬鈷含量較低時,材料的導電機理為電子跳躍電導,材料具有電容性;當鈷含量超過逾滲閾值時,形成的金屬鈷網(wǎng)絡(luò)使材料具有金屬電導,并展現(xiàn)出電感性。鈷網(wǎng)絡(luò)中自由電子的低頻等離子體態(tài)導致了負介電常數(shù)的出現(xiàn),其介電頻散特性符合Drude模型;金屬鈷顆粒的磁共振和導電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抗磁性共同導致了負磁導率的出現(xiàn)。當鈷含量達到35 wt%時,復(fù)合材料的在550 MHz-1 GHz頻帶出現(xiàn)了雙負性質(zhì)。(2)利用熱壓燒結(jié)工藝制備出碳納米管/氧化鋁逾滲復(fù)合材料。不同碳納米管含量的復(fù)合材料展現(xiàn)出兩種類型的負介電行為,即Lorentz共振型負介電和等離子振蕩型負介電。當碳管含量較低時,材料中出現(xiàn)Lorentz共振型負介電,其由孤立的碳納米管中產(chǎn)生的誘導偶極子極化引起的;當碳管含量足夠高時,材料出現(xiàn)等離子體振蕩型負介電,其來自于形成的碳納米管導電網(wǎng)絡(luò)中自由電子的低頻等離子體態(tài)。利用等效電路分析了復(fù)合材料的阻抗頻譜。研究發(fā)現(xiàn),碳納米管含量較低的材料可以等效為包含電容和電阻的電路;當碳納米管含量超過逾滲閾值時,材料可以等效為由電容、電阻和電感組成的電路,在高頻電場下材料內(nèi)部出現(xiàn)的電流回路導致了電感的出現(xiàn)。材料中電感的產(chǎn)生往往伴隨著負介電現(xiàn)象。(3)利用放電等離子燒結(jié)工藝制備出石墨烯/氮化硅逾滲復(fù)合材料。在低石墨烯含量的復(fù)合材料中,石墨烯片孤立地分布在陶瓷基體中,具有正的介電常數(shù);在高石墨烯含量的復(fù)合材料中,增多的石墨烯含量使材料中石墨烯片相互接觸,形成了逾滲導電網(wǎng)絡(luò),材料在低頻出現(xiàn)等離子體振蕩型負介電行為。隨著石墨烯含量的增加,負介電常數(shù)的數(shù)值變大,負正轉(zhuǎn)變點對應(yīng)的頻率向高頻移動。材料的介電損耗主要包括電導損耗和極化損耗,并在介電常數(shù)負正轉(zhuǎn)變的頻率點處出現(xiàn)明顯的損耗峰。(4)利用浸漬-碳化工藝制備出不同碳含量的裂解碳/氮化硅復(fù)合材料。蔗糖經(jīng)高溫鍛燒后生成的裂解碳為無定形碳,并呈現(xiàn)薄膜狀,這種超薄的碳膜附著在氮化硅晶粒上或位于孔道內(nèi);隨著裂解碳含量的增加,材料中的碳膜越明顯;高的碳化溫度使無定形碳中形成了更多的有序結(jié)構(gòu),從而其導電性增強。當材料內(nèi)部連通的碳網(wǎng)絡(luò)中形成了導電回路,材料出現(xiàn)負介電行為。材料的負介電常數(shù)的數(shù)值相對較小,并具有弱的頻散特性,無定形碳中相對較低的載流子濃度導致了這種弱負介電行為。通過控制碳含量和碳化溫度,復(fù)合材料展現(xiàn)出可控的弱負介電行為,負介電常數(shù)的數(shù)值隨碳含量的增加和碳化溫度的升高而變大。(5)利用原位氧化聚合的方法制備出聚吡咯/鐵石榴石復(fù)合材料,其中顆粒狀的聚吡咯粘附在釔鐵石榴石顆粒表面。研究發(fā)現(xiàn)材料展現(xiàn)出金屬電導行為,并出現(xiàn)類金屬的負介電特性。通過調(diào)節(jié)聚吡咯的含量,可以有效地調(diào)控材料的負介電行為。聚吡咯含量的增加可以使材料中的等效載流子濃度變大以及載流子等效質(zhì)量減小,從而材料負介電參數(shù)的數(shù)值變大,等離子體頻率向高頻移動。材料具有典型的弛豫型磁譜,其主要由釔鐵石榴石的磁共振引起的,同時內(nèi)部形成了導電網(wǎng)絡(luò)使材料在高頻出現(xiàn)抗磁響應(yīng)。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 前言
    1.2 電磁超材料的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 周期性結(jié)構(gòu)的電磁超材料
        1.2.2 隨機結(jié)構(gòu)的電磁超材料
    1.3 電磁超材料的應(yīng)用
    1.4 電磁超材料的發(fā)展趨勢與前景
    1.5 逾滲復(fù)合材料
    1.6 本課題研究內(nèi)容及意義
第2章 實驗材料、儀器及測試方法
    2.1 實驗原料
    2.2 實驗設(shè)備
    2.3 材料組分和結(jié)構(gòu)表征
        2.3.1 X射線衍射相分析（XRD）
        2.3.2 X射線光電子能譜（XPS）
        2.3.3 拉曼光譜（Ramon Spectroscopy）
        2.3.4 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）
        2.3.5 紅外光譜分析（FT-IR）
        2.3.6 熱失重分析（TGA）
    2.4 材料孔結(jié)構(gòu)和密度測試
        2.4.1 孔徑分布測試
        2.4.2 氣孔率和密度測試
    2.5 材料電磁性能測試
        2.5.1 直流電導率
        2.5.2 高頻電磁性能
第3章 鈷/氮化硅金屬陶瓷復(fù)合材料的雙負性質(zhì)
    3.1 引言
    3.2 材料制備
    3.3 結(jié)果分析與討論
        3.3.1 物相組成和微觀結(jié)構(gòu)
        3.3.2 電導行為和逾滲現(xiàn)象
        3.3.3 電容和電感特性
        3.3.4 負介電常數(shù)
        3.3.5 負磁導率
    3.4 本章小結(jié)
第4章 碳納米管/氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的兩類負介電行為
    4.1 引言
    4.2 材料制備
    4.3 結(jié)果分析與討論
        4.3.1 物相組成與微觀結(jié)構(gòu)
        4.3.2 電導行為和逾滲現(xiàn)象
        4.3.3 等效電路分析
        4.3.4 兩種類型的負介電行為
    4.4 本章小結(jié)
第5章 石墨烯/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的負介電行為
    5.1 引言
    5.2 材料制備
    5.3 結(jié)果分析與討論
        5.3.1 物相組成與微觀結(jié)構(gòu)
        5.3.2 電導行為和逾滲現(xiàn)象
        5.3.3 負介電行為
    5.4 本章小結(jié)
第6章 裂解碳/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的弱負介電行為
    6.1 引言
    6.2 材料制備
    6.3 結(jié)果分析與討論
        6.3.1 材料組成與微觀結(jié)構(gòu)
        6.3.2 電導行為和逾滲現(xiàn)象
        6.3.3 弱的負介電行為
        6.3.4 碳化溫度對材料組成和微觀結(jié)構(gòu)的影響
        6.3.5 碳化溫度對材料負介電行為的影響
    6.4 本章小結(jié)
第7章 聚吡咯/釔鐵石榴石陶瓷復(fù)合材料的可調(diào)負介電行為
    7.1 引言
    7.2 材料制備
    7.3 結(jié)果分析與討論
        7.3.1 物相組成和微觀結(jié)構(gòu)
        7.3.2 可控的負介電行為
        7.3.3 磁性質(zhì)
    7.4 本章小結(jié)
第8章 結(jié)論與展望
    8.1 結(jié)論
    8.2 展望
    8.3 本文主要創(chuàng)新點
參考文獻
致謝
附錄Ⅰ 博士期間發(fā)表的論文和取得的成果
附錄Ⅱ 英文論文
學位論文評閱及答辯情況表

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 杜云峰;姜交來;廖俊生;;超材料的應(yīng)用及制備技術(shù)研究進展[J];材料導報;2016年09期

2 張勇;張斌珍;段俊萍;王萬軍;;左手材料的研究進展與應(yīng)用前景[J];材料導報;2015年23期

3 Akihisa Inoue;;Bulk Glassy Alloys: Historical Development and Current Research[J];Engineering;2015年02期

4 韓雅娟;褚文博;;超材料發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J];新材料產(chǎn)業(yè);2014年09期

5 周濟;;超材料與自然材料融合的若干思考[J];新材料產(chǎn)業(yè);2014年09期

6 王總;朱文君;唐玲;;超材料技術(shù)發(fā)展概覽[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2012年07期

7 劉生麗;馮輝霞;張建強;王毅;;逾滲理論的研究及應(yīng)用進展[J];應(yīng)用化工;2010年07期

8 俞宏坤;X射線光電子能譜(XPS)[J];上海計量測試;2003年04期

相關(guān)博士學位論文 前9條

1 吳凱敏;新型電磁超材料的微波工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究[D];電子科技大學;2016年

2 燕克蘭;錳酸鍶鑭的摻雜改性與雙負機理[D];山東大學;2015年

3 王國棟;電磁超材料的設(shè)計及其吸波性能的研究[D];華中科技大學;2014年

4 何應(yīng)然;人工電磁超材料波導的物理特性及其在光子器件上的應(yīng)用[D];浙江大學;2013年

5 史志成;多孔金屬陶瓷微結(jié)構(gòu)調(diào)控及雙負機理[D];山東大學;2013年

6 王歡;還原氧化石墨烯及氧化石墨烯/ZnO復(fù)合物的制備及其光、電性能研究[D];吉林大學;2012年

7 楊超;聚吡咯基導電復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];蘭州大學;2011年

8 高敬偉;多形態(tài)聚吡咯的制備與吸波性能研究[D];東華大學;2010年

9 徐馥芳;碳納米管結(jié)構(gòu)的電子輸運特性研究[D];清華大學;2007年

相關(guān)碩士學位論文 前2條

1 徐世海;碳材料催化石墨化研究[D];湖南大學;2010年

2 史麗弘;單負材料中的全方向表面導模和成像性質(zhì)[D];蘇州大學;2007年

本文編號：2853470