Vervaardiging van NiO/NiCo2O4-mengsels als uitstekende microgolfabsorbers

Resultaten en discussie

De karakteristieke röntgenspectra van de monsters bij verschillende uitgloeitemperaturen worden getoond in Fig. 1. Vergelijking van de standaardkaarten van NiO (PDF#44-1159) en NiCo₂ O₄ (PDF#20-0781), blijkt dat de diffractiepieken van de monsters met een uitgloeitemperatuur van 650 °C en 550 °C overeenkomen met NiO (2θ =37,2°, 43,3° en 62,9°) en NiCo₂ O₄ (2θ = 31,1°, 36,7°, 44,6°, 59,1° en 64,9°), respectievelijk. De XRD-patronen laten zien dat de NiO/NiCo₂ O₄ mengsels worden met succes gesynthetiseerd met behulp van de in het experiment genoemde grondstoffen. De diffractiepieken van NiO worden echter niet gevonden in monsters met een uitgloeitemperatuur van minder dan 550 ° C, wat aangeeft dat hoge temperaturen gunstig zijn voor de vorming van NiO. In de hydrothermische reactiefase verkrijgen we door de deelname van ureum een ​​kleine hoeveelheid NiCO₃ , die kan worden ontleed tot NiO en CO₂ bij hoge temperatuur. Tegelijkertijd, met de toename van de gloeitemperatuur, neemt de kristalliniteit van NiCo₂ O₄ kristallen is ook geoptimaliseerd, wat betekent dat de monsters kunnen worden gebruikt in een omgeving met hoge temperaturen.

XRD-patronen van de samples

SEM-afbeeldingen van alle monsters worden getoond in Fig. 2. Zoals te zien is op de microfoto's van het monster, vertoonden de meeste monsters microsferen met verschillende diameters met een groot aantal radiale nanodraden op het oppervlak. Naarmate de gloeitemperatuur stijgt, worden echter het oppervlak van het monster scheuren en een massa poriën gegenereerd, zoals het monster dat overeenkomt met de gloeitemperatuur van 650 °C.

SEM-afbeeldingen van NiCo₂ O₄ deeltjes en NiO/NiCo₂ O₄ mengsels

Om de microstructuur en de verdeling van NiO en NiCo₂ . verder te onderzoeken O₄ in de NiO/NiCo₂ O₄ mengsels, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en elektronendiffractiespectrum (EDS) werd gebruikt om het monster te meten met een uitgloeitemperatuur van 650 ° C. Uit Fig. 3a, b kunnen we een typische dooierschaalstructuur zien. In figuur 3c zijn Co-elementen voornamelijk geconcentreerd op het kerngedeelte. Daarom kan worden afgeleid dat NiCo₂ O₄ is voornamelijk verdeeld in de kern. Volgens de verdeling van Ni-elementen getoond in Fig. 3d, is er een duidelijke opening tussen de schaallaag en het kerndeel, die enigszins verschilt van de verdeling van Co-elementen. In combinatie met de XRD-patronen van het monster kan worden geconcludeerd dat NiO voornamelijk wordt verdeeld over de buitenste bol van de hele holle kern-schaalstructuur. De samenstelling wordt geverifieerd door EDS-spectroscopie zoals weergegeven in Fig. 3d [30]. Bovendien behoren de Cu-, Cr- en C-elementen in het EDS-spectrum tot het meetinstrument zelf.

De TEM-afbeeldingen (a –c ) en EDS-afbeelding (d ) van NiO/NiCo₂ O₄ mengsels met een gloeitemperatuur van 650 °C

Bovendien kan de poreuze structuur de effectieve permittiviteit van het materiaal verminderen, wat gunstig is voor impedantie-aanpassing [31, 32]. Volgens de daaropvolgende analyse van de gemeten elektromagnetische parameters van de monsters, wordt aangenomen dat deze verandering gunstig kan zijn om de mate van impedantie-aanpassing van de monsters te verbeteren en vervolgens het absorptie-effect van elektromagnetische golven te verbeteren.

Het is algemeen bekend dat de elektromagnetische parameters van een materiaal, inclusief relatieve permittiviteit (ε _γ =ε′-jε″ ) en relatief complexe permeabiliteit (μ _γ =μ′-jμ″ ), spelen een uiterst belangrijke rol in de EMW-absorptieprestaties. Het reële deel van de complexe permittiviteit (ε′ ) en de complexe permeabiliteit (μ′ ) tonen de opslagcapaciteit van het absorberende materiaal voor elektrische en magnetische energie, terwijl het denkbeeldige deel de verliescapaciteit van elektrische en magnetische energie laat zien [33, 34]. Wanneer deze twee elektromagnetische parameters dicht bij elkaar liggen, betekent dit dat het materiaal een goede impedantie-overeenkomst heeft. In dit experiment werden de elektromagnetische parameters van monsters gemeten door de composieten te dispergeren in een paraffinematrix met een belasting van 30 gew.% in het frequentiebereik van 2-18 GHz. Door de gemeten elektromagnetische parameters in de volgende formule te plaatsen, kan het reflectieverliesvermogen van het monster voor een elektromagnetische golf met verschillende diktes worden gesimuleerd en berekend [35].

Waarbij ε′, ε″, μ′ en μ″ respectievelijk de reële en imaginaire delen van permittiviteit en permeabiliteit vertegenwoordigen. De ƒ-waarde is de frequentie van elektromagnetische golven, d is de dikte van de absorber, Z ₀ is de impedantie van vrije ruimte, Zin is de genormaliseerde ingangsimpedantie, en c is de lichtsnelheid in de vrije ruimte [36].

Volgens formule (1)~(2) kan worden geconcludeerd dat wanneer het reflectieverlies -20 dB bereikt, het corresponderende materiaal ongeveer 99% van de EMW absorbeert, wat betekent dat het monster kan worden toegepast op werkelijke behoeften [37] .

Het reële deel (ε′) en het denkbeeldige deel (ε″) van de permittiviteit van de monsters worden respectievelijk getoond in Fig. 4a, b, en de veranderingen in de reële en imaginaire delen van de permittiviteit van het monster bij verschillende temperaturen zijn zorgvuldig vergeleken. Het is aangetoond dat de waarde van ε′ afneemt van 72,6 naar 30,3 met toenemende frequentie voor het monster met een gloeitemperatuur van 350 °C. De ε″-waarde van de steekproef vertoont echter verschillende trends en de algemene trend van afnemende werking in het testfrequentiebereik. Er is een grote fluctuatie in het bereik van 7,1-10,4 GHz, die voornamelijk wordt veroorzaakt door diëlektrische relaxatie. Het is duidelijk dat de ε′en ε″-waarden van NiO/NiCo₂ O₄ mengsels (550 °C en 650 °C) veranderen niet significant in vergelijking met NiCo₂ O₄ deeltjes. In figuur 3 is duidelijk te zien dat de ε′ van de composieten afneemt naarmate de gegloeide temperatuur toenam. De elektromagnetische parameters van de S3 en S4 hebben zeer vergelijkbare trends en verschillen van de S1 en S2. In het frequentiebereik van de test varieerden ε′ en ε″ van S3 en S4 in het bereik van respectievelijk 15,3 tot 8,5 en 4,1 tot 2,0. Op basis van de theorie van vrije elektronen resulteerde de hoge ε″-waarde van monsters in de hoge geleidbaarheid [38]. Een te hoge geleidbaarheid leidt echter tot een mismatch tussen permittiviteit en permeabiliteit, wat niet gunstig is voor de microgolfabsorptieprestaties. Wanneer NiO-kristal met hogere elektrische weerstand wordt gecombineerd met NiCo₂ O₄ , de vorming van elektrisch geleidende netwerken van de NiCo₂ O₄ wordt voorkomen, waardoor de geleidbaarheid van de composieten wordt verminderd. Voor alle voorbeelden geldt de μ′ en μ″ van complexe permeabiliteit in het hele frequentiebereik, zijn zeer dicht bij 1 en 0 zelfs tot negatief, respectievelijk [39, 40], (aanvullend bestand 1; figuur S1) wat impliceerde dat het magnetisme van monsters klein en verwaarloosbaar is.

Frequentieafhankelijkheden van ε′ (a ) en ε″ (b ) van de mengsels met verschillende calcineringstemperaturen. Diëlektrische verliesfactor (c ) en impedantie-aanpassingssnelheid (d ) van de monsters door gesynthetiseerd bij verschillende temperaturen voor frequentiecurven

In het algemeen is het reflectieverlies voor elektromagnetisch golfmateriaal gerelateerd aan de diëlektrische verliesfactor (tanδ _e = |ε′). Zoals getoond in figuur 4c, zijn de diëlektrische verliesfactoren voor S3 en S4 aanzienlijk kleiner dan voor S1 en S2. De maximale diëlektrische verliesfactoren voor S3 en S4 zijn respectievelijk 0,69 (10,9 Hz) en 0,57 (18 Hz). De impedantie-aanpassingsverhouding wordt veel gebruikt om het diëlektrische verliesvermogen van microgolfabsorbers aan te tonen [41]. De impedantie-aanpassingsverhouding van de monsters kan worden aangeduid als Vgl. (3).

In de verg. (3), f , c , Z _in , Z ₀ , en Z _r is respectievelijk de verzwakkingsconstante, frequentie, lichtsnelheid, de ingangsimpedantie van de absorber, de impedantie van de vrije ruimte en de impedantie-aanpassingsverhouding. Om de elektromagnetische verlieseigenschappen van de monsters verder te illustreren, wordt de impedantie-aanpassingsverhouding van het materiaal geïntroduceerd en weergegeven in figuur 4d. Interessant is dat we ontdekten dat de impedantieverhouding van de NiO/NiCo₂ O₄ mengsels is aanzienlijk hoger dan die van de S1 en S2. Als gevolg hiervan is de eerste effectiever in het absorberen van elektromagnetische golven.

Het is duidelijk dat de RL-curve van monsters kan worden gebruikt om hun microgolfabsorptieprestaties weer te geven. Op basis van de transmissielijntheorie is het mogelijk om de microgolfabsorberende parameters in het diktebereik van 1,0-5,0 mm te simuleren en te berekenen, volgens de elektromagnetische parameters. De theoretische RL-curven van de monsters gecalcineerd bij verschillende temperaturen in het frequentiebereik van 2-18 GHz worden getoond in Fig. 5. Algemeen wordt aangenomen dat wanneer de RL lager is dan -10 dB, de absorptiesnelheid van de elektromagnetische golf van het monster kan meer dan 90% bereiken [42], wat een typische prestatie-index is die moet worden bereikt door de toepassing van het microgolfabsorptiemateriaal. Volgens figuur 5a en b wordt duidelijk aangegeven dat de RL-waarden van S1 en S2 relatief slecht zijn en dat er geen bandbreedte is onder -10 dB. Met de toename van de NiO-kristalliniteit in de monsters, neemt het minimale reflectieverlies van de NiO/NiCo₂ O₄ mengsels is veel lager dan − 10 dB. Zoals S4 getoond in figuur 5d, het frequentiebereik onder -10 dB komt overeen met de waarde van RL is 10,6 ~ 14,6 GHz en de bandbreedte is 4,0 GHz. Ondertussen vinden we dat het minimale reflectieverlies tot -37,0 dB bij 12,2 GHz reikt met een absorberdikte van 2,0 mm. Om de relatie tussen de RL en de dikte van het monster intuïtief weer te geven, worden de overeenkomstige 3D-contourcurven getoond in Fig. 5. Uit het gesimuleerde beeld van het reflectieverlies van elektromagnetische golven zou S4 uitstekende golfabsorberende prestaties laten zien in het diktebereik van 1,5-5,0 mm.

EM reflectieverliescurven van de monsters. Waar een –d vertegenwoordigen de reflectieverliescurves van de monsters met de uitgloeitemperaturen van 350 °C, 450 °C, 550 °C en 650 °C, en de afbeeldingen aan de rechterkant komen overeen met de 3D-reflectieverliezen van de monsters, respectievelijk

Naast de inherente dipolen in NiCo₂ O₄ en NiO-fasen, worden de defectdipolen ook gegenereerd door de vorming van roosterdefecten veroorzaakt door fasetransformatie [28]. Als resultaat zouden deze dipolen diëlektrisch verlies produceren door oriëntatiepolarisatie-relaxatie in alternerende elektromagnetische velden. Interessant is dat grensvlakpolarisatie-relaxatie zal optreden in NiO/NiCo₂ O₄ mengsels met veel heterogene grensvlakken, wat resulteert in een groter diëlektrisch verlies. Zoals te zien is in het XRD-patroon, kunnen enkele karakteristieke pieken, zoals 37,2 °, 43,3 ° en 62,9 °, worden gevonden wanneer de uitgloeitemperatuur 550 ° C bereikt, wat de vorming van NiO aantoont. De intensiteit van de diffractiepiek van NiO bij 35,49 ° wordt versterkt door de temperatuur, wat impliceert dat er meer NiO-kristallen werden geproduceerd.

Om het mogelijke mechanisme intuïtief te illustreren, werd de schematische kaart met de naam Fig. 6 verstrekt. Volgens de afbeelding is NiO/NiCo₂ O₄ mengsels vertonen prominente microgolfabsorptie-eigenschappen, wat de volgende redenen kan zijn. Ten eerste de NiO/NiCo₂ O₄ mengsels hebben een rijk heterogeen grensvlak, wat resulteert in een sterke grensvlakpolarisatierelaxatie, wat leidt tot grote diëlektrische verliezen. Ten tweede maken de lege ruimte en tussenruimten in de schaal-kernstructuren de volledige blootstelling van NiO/NiCo₂ mogelijk O₄ mengmaterialen naar de atmosfeer, wat de introductie van elektromagnetische golven vergemakkelijkt en diëlektrische resonantie produceert [43, 44]. Ten derde, de unieke dooierschaalstructuur van NiO/NiCo₂ O₄ mengsels kunnen de geabsorbeerde elektromagnetische golven meerdere keren reflecteren en absorberen om het verlies van elektromagnetische golven in het monster te vergroten [45, 46].

Een schematische illustratie van NiO/NiCo₂ O₄ mengsels met dooierschaalstructuur tot mechanisme voor het verzwakken van elektromagnetische golven