摘 要

随着科学技术的不断进步，电磁波已经广泛地使用在通信领域，在给我们的生活带来便利的同时也造成了信息泄露、电磁污染等问题，电磁辐射对人类的身体健康也造成了威胁。为了消除电磁干扰对电子设备造成的故障，减轻电磁辐射对人类的危害，对建筑物采取电磁防护措施是及其必要的。所以制备出吸波性能良好的吸波材料是国内外研究人员的研究热点，把吸波材料添加到水泥基材料中是解决电磁辐射的一种有效途径。Fe₃O₄凭借其优良的磁学性能、电学性能、低毒以及低成本等优点被认为是一种理想的吸波材料。但是Fe₃O₄存在着一些缺点，比如吸波的强度不大、频带不宽、密度大等。因此，科研人员致力于研制出吸波性能良好的复合吸波材料。本文通过化学共沉淀法制备纳米Fe₃O₄颗粒及其复合材料，利用XRD、FE-SEM、VSM、矢量分析仪等对制备样品的物相、显微结构和电磁性能、吸波性能进行测试分析。本文的主要研究成果如下：

（1）以FeCl₃·6H₂O，FeSO₄·7H₂O，NH₃·H₂O为原料，采用化学共沉淀法合成纳米Fe₃O₄颗粒，通过对产物的X射线衍射图谱分析，得到合成的物质是Fe₃O₄的结论。由样品的磁滞回线可以得到所制得的纳米Fe₃O₄颗粒的饱和磁化强度是43.39 emu/g。

（2）设计正交试验探究出最佳的实验方案，由正交试验的结果可以得到包覆实验最好的方案是A3B3C1D2，即温度为80℃，总铁浓度为0.2mol/L，装载量为2g，无水乙醇与溶液体积比为1:15。

（3）纳米Fe₃O₄包覆的空心微珠掺入量为5%的水泥基材料的吸波性能最好，在频率8.6GHz时，试样的反射率达到最小值为-10.5dB。有匹配层的水泥基复合材料的吸波性能优于没有匹配层的水泥基材料，当纳米Fe₃O₄包覆的空心微珠掺量为5%时水泥基材料的吸波最好，反射率的最小值可以得到-13.5dB。掺入纳米Fe₃O₄包覆的空心微珠的水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度和掺量为0的水泥砂浆相比都有减小。

关键词：纳米Fe₃O₄；空心微珠；吸波性能；力学性能

Abstract

With the advancement of science and technology, electromagnetic wave has been wildly used in the communications fields. We are benefit from the electromagnetic wave, but it also causes some problems, which includes information leakage, electromagnetic interference and threats to our health. In order to eliminate the malfunction of electronic devices and mitigate human suffering caused by the electromagnetic wave, it is necessary to take measures for building protection. Therefore, the preparation of excellent microwave-absorbing materials is the study interest of many researchers at home and overseas. It is a significant way to solve the problems by adding the microwave absorbers into cement-based materials. Due to the brilliant magnetic properties, electronic properties, low toxicity and low cost of Fe₃O₄, it is regarded as one of the perfect microwave absorbers compared with others. However, Fe₃O₄ also has some problems, such as low absorption intensity, narrow absorption-band and high density and so on. So many researchers are devoted to develop new composites with good absorption. In this paper, nanometer Fe₃O₄ and its composites are prepared by chemical coprecipitation method; they are characterized by XRD, FE-SEM, VSM and VNA. The main results of this paper are summarized as follow:

(1) Using FeCl₃·6H₂O，FeSO₄·7H₂O and NH₃·H₂O as the main raw materials, nanometer Fe₃O₄ was prepared by chemical coprecipitation method. By analyzing the XRD pattern, we could conclude that the sample is Fe₃O₄. It can be concluded that the saturation magnetization is 43.39 emu/g.

(2) Orthogonal experiments were designed to explore the best experiment project. According to the Orthogonal experiments, the best mixture is A3B3C1D2, the parameters are as follow: temperature is 80℃, total concentration of iron ion is 0.2mol/L, powder load is 2g and the volume ratio of ethanol and solution is 1:15.

(3) The reflectivity of cement-based composite is optimal when the content of the Fe₃O₄/HGMs is 5%(by mass). When the frequency is 8.6GHz, the reflectivity of the sample is -10.5dB. The cement-based composite with matching layer is better, the reflectivity could reach -13.5dB when the content of nanometer Fe₃O₄ is 5%(by mass). The mechanical strength of the material doped with nanometer Fe₃O₄ will be decline compared with the non doped one.

Key words: Nanometer Fe₃O₄; Hollow glass microspheres; microwave absorption; mechanical property.

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1吸波材料 1

1.1.1 吸波材料的研究意义 1

1.1.2 吸波原理 1

1.1.3 吸波材料的分类 2

1.1.4 吸波材料的应用 3

1.1.5 吸波材料的研究进展 3

1.2 四氧化三铁的概述 5

1.3 空心微珠 5

1.3.1 空心微珠的简介 5

1.3.2 空心微珠的研究现状 6

1.4 本论文的研究内容 7

第二章纳米Fe₃O₄颗粒的制备及其表征 8

2.1 引言 8

2.2 实验部分 9

2.2.1 实验原料和试剂 9

2.2.2 实验设备 9

2.2.3 工艺流程 9

2.2.4 实验过程 9

2.2.5 产物表征 10

2.3 结果与讨论 10

2.4 本章小结 12

第三章 Fe₃O₄包覆空心微珠复合材料的制备及其表征 13

3.1 引言 13

3.2 实验部分 13

3.2.1 实验原料及试剂 13

3.2.2 实验设备 14

3.2.3 工艺流程 14

3.2.3 实验过程 15

3.2.5 产物表征 16

3.3 实验结果与讨论 16

3.4 本章小结 19

第四章 纳米Fe₃O₄包覆空心微珠的水泥基复合材料的制备及其吸波性能 20

4.1实验部分 20

4.1.1 实验原料 20

4.1.1 实验过程 20

4.1.2 产物表征 20

4.2 实验结果与讨论 21

4.3 本章小结 24

第五章 结论 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1吸波材料

1.1.1 吸波材料的研究意义

能够把入射的电磁波吸收、衰减，同时把电磁能转换成热能或其它形式的能量而耗散掉，或使电磁波因干涉而消失的一类材料称为吸波材料^[1]。伴随着现代科学技术的飞跃发展，电磁波作为一种资源已经在宽频率范围内应用在很多领域。因为电磁波在日常生活中的普遍使用。电磁波虽然方便了我们的日常生活，但是电磁污染已经对我们的生活造成了威胁。很多科学家预言，在二十一世纪，人类生活中最主要的物理污染将会是电磁污染。

电磁辐射是能量以电磁波形式在空间传播的物理现象。自然电磁辐射和环境电磁辐射是电磁辐射的两个主要的来源。电磁辐射产生的主要危害有电磁干扰，信息泄漏和对人体健康产生的危害^[2]。电磁干扰会影响日常电子用品、精密仪器、测量电子系统等的正常工作，在军事方面会影响雷达系统、通讯系统的正常运作，严重的时候还会影响国防安全。信息泄漏可能会造成政治、经济、国防、科技等重要情报的泄密，从而造成巨大的损失。热效应和非热效应以及积累效应是电磁辐射对人体健康的主要危害。热效应是指机体的温度由于受到电磁辐射的影响而升高。由于体温的升高，人体的生理状态会受到很大的影响。非热效应是指人体的器官和组织存在的稳定而有序的微弱的电磁场因受到外界电磁波的干扰而处于非平衡状态。由于非热效应，人体的神经系统、免疫系统、心血管系统以及生殖功能等都会受到负面的影响。积累效应是指由于滞后效应，电磁辐射作用在人体后，机体受到的伤害尚未自我修复之前再次受到了电磁辐射，这样就使伤害进一步累积。总之，电磁污染对我们的生活带来了伤害和威胁。因此，各国的研究人员都对吸波材料进行了大量的研究，致力于研制出吸波性能良好的吸波材料，从而削弱电磁辐射的危害。

1.1.2 吸波原理

吸波材料一般是由基体材料（或粘接剂）与吸收介质复合而成^[3]。为了达到较好的吸波效果，材料需要满足以下两个要求：（1）满足材料阻抗匹配特性的要求；（2）通过材料自身的损耗机制来衰减入射的电磁波，达到吸波效果。