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Rare Metals 昆明理工大学冯晶：新型伪二元Sr2TiMoO6-Al2O3复合吸波材料

学术   2024-11-04 17:44   北京  





新型伪二元Sr2TiMoO6-Al2O3复合吸波材料
吴鹏，汪俊*，利建雨，冯晶*，何雯婷，郭洪波*
昆明理工大学材料科学与工程学院
北京航空航天大学材料科学与工程学院 

【文献链接】
Wu, P., Wang, J., Li, JY. et al. Pseudo-binary composite of Sr2TiMoO6–Al2O3 as a novel microwave absorbing material. Rare Met. (2024).
https://doi.org/10.1007/s12598-024-03013-z

【背景介绍】

本文通过固相反应法，首次获得了一种由Sr2TiMoO6-Al2O3伪二元复合组分制备的新型吸波材料STM X (X=60，70，80和100，其中X表示Sr2TiMoO6的初始重量百分比)。与STM100相比，由于Sr2TiMoO6与Al2O3之间发生化学反应，STM X (X=60，70和80)复合样品由SrTiO3、Mo、Sr8(Al12O24)(MoO4)2等平衡相和少量未标定的物相构成。电磁损耗结果表明除了电导损耗外，各平衡相之间的非均匀界面引入了界面极化损耗，进一步增强对入射电磁波的损耗。STM80样品具有最优异的电磁波损耗性能：当其匹配厚度仅为1 mm时，最小反射损耗(RLmin)为-26 dB，有效吸收带宽(EAB)高达2.7 GHz。与传统吸波材料相比，STM80新型吸波材料具有电磁波损耗强、厚度薄、有效吸波带宽大等优势。


【文章亮点】

1.首次提出了一种新型伪二元复合吸波材料：Sr2TiMoO6-Al2O3

2.通过实验及模拟，揭示了Sr2TiMoO6-Al2O3复合材料中电磁损耗机理

3.与传统吸波材料相比，Sr2TiMoO6-Al2O3复合吸波材料具有反射损耗强（RLmin≈-26 dB）、厚度薄（1 mm）、有效吸波带宽大（2.7 GHz）等优势。


【内容简介】

日前，昆明理工大学材料科学与工程学院的冯晶教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Pseudo-binary composite of Sr2TiMoO6-Al2O3 as a novel microwave absorbing material”的研究文章，通过固相反应法首次制备了Sr2TiMoO6-Al2O3新型复合吸波材料，并揭示了复合材料中的电磁损耗机理。

通过两步固相反应，制备了Sr2TiMoO6-Al2O3伪二元复合材料。通过调控Sr2TiMoO6-Al2O3的起始重量比例，优化了伪二元复合材料的电磁波阻抗匹配和损耗性能。由于复合材料中存在Sr2TiMoO6，Mo，SrTiO3，Sr8(Al12O24)(MoO4)2等平衡相，导致了丰富的电磁损耗机制，包括电导损耗、界面极化损耗以及偶极子极化弛豫损耗。STM80样品表现出最佳吸波性能，其中反射损耗强（RLmin≈-26 dB）、厚度薄（1 mm）、有效吸波带宽大（2.7 GHz）。

【图文解析】

图1 a Sr2TiMoO6-Al2O3伪二元复合材料制备过程示意图；b 制备的块体XRD图；c 立方相Sr2TiMoO6晶格原子配位

XRD结果表明Sr2TiMoO6为立方相钙钛矿结构，同时Sr2TiMoO6和Al2O3在高温热处理过程中发生了化学反应，形成了Sr2TiMoO6，SrTiO3，Mo和Sr8(Al12O24)(MoO4)2等平衡相。


图2 a STM 80样品的显微形貌；b EDS图；c-g 分别对应Sr，Ti，Mo，Al和O元素EDS

SEM结果表明样品内部元素的分布呈偏聚状态。图中1标记处的亮白色球形颗粒是Mo偏聚区域，表1中EDS数据进一步表明其为金属Mo。金属Mo可能是由于在弱还原性气氛下Sr2TiMoO6和Al2O3发生还原反应所生成。除了Mo元素的偏聚外，还存在Al的偏聚和Ti/Sr富集区，对应区域分别为Sr8(Al12O24)(MoO4)2和Sr2TiMoO6相。


图3 STMX（X=60,70,80,90和100）样品的介电常数实部a，介电常数虚部b和介电损耗角正切值c

介电频谱结果表明除STM100样品外，合成样品的复介电常数随频率增加而降低，呈现频散效应。此外，随着Sr2TiMoO6含量的增加，介电常数逐渐增大。介电常数实部在42-9之间变化，虚部在-3-14之间波动，损耗角正切值最高达到0.55，表现出强电磁损耗性能。


图4 a STM60、b STM70、c STM80、d STM100样品不同厚度下反射损耗与频率的关系

反射损耗结果表明STM70和STM80样品具有最佳的吸波性能，其中当匹配频率为9.8 GHz，厚度为1.6 mm时，STM70的最小反射损耗(RLmin)为-34 dB。STM80样品匹配厚度为1mm时，其表现出最大的有效吸波带宽2.7GHz。由于四分之一波长效应，随着厚度的增加，反射损耗峰向低频方向移动。


图5 a STM60、b STM70、c STM80、d STM100样品的归一化输入阻抗和吸收系数e

STM100样品虽然具有最大的吸收系数，但其表现最差的归一化输入阻抗值，导致其反射损耗性能恶化。相较之下，STM70和STM80样品表现出最佳的阻抗匹配性和吸收系数，因此具有最佳的反射损耗性能。


图6 RCS仿真结果。a仿真模型，b STM60，c STM70， d STM80， e STM100


图7 STMX（X=60,70,80,90和100）样品直角坐标系下的RCS仿真结果

除了反射损耗(RL)外，雷达截面(RCS)是评价吸波性能的另一个重要指标。利用HFSS软件模拟了在PEC板上覆盖STM X (X分别为60、70、80和100)涂层的远场雷达散射信号，结果如图6所示。仿真计算频率为14GHz，入射方向为负z轴，θ表示探测角。各吸收体的RCS形状相似，但强度不同。由于PEC是强的雷达反射体，因此在z轴的负方向散射信号最大，而覆盖STM X涂层的PEC沿z轴的正方向散射信号减小，特别是在STM 70和STM 80样品中。其中STM 80涂层在z轴正方向的RCS值最小，在图7所示的-180°~ 180°探测度范围内RCS值小于-10 dBm2，具有优异的吸波性能。


图8 STM80样品与相关吸波材料的匹配厚度和EAB的比较

图8总结了本文STM80样品与其他吸波材料EAB和匹配厚度的比较，主要材料包括BaTiO3、TiO2管、VO2、MnO2、ZnO、SnO2、共掺杂ZnO、La0.3Sr0.7FeO3、Na0.78CoO2、Ni2Co2O4、Cr2AlC、Ti3SiC2、ZnO@Ni和Fe@TiO2。显然，STM80样品具有最薄的厚度（1mm），对应的EAB可以达到2.7 GHz，表现出优异的吸波性能。


图9 STM80样品的Cole-Cole曲线a，相界面极化机理b，不同方向异质界面电场强度分布图c-d

采用德拜弛豫理论模型及电磁模拟进一步揭示合成样品中的电磁损耗机理。介电极化损耗可进一步分为原子极化、电子极化、偶极取向极化和界面极化[83,84]。对于0.5-18 GHz范围内的电磁波，界面极化和偶极取向极化是吸收电磁波能量的主要机制。界面极化发生在异质界面上。由于材料中存在多种不同的物相，具有不同物理性质的物相之间构成了大量的异质界面。在电磁波的作用下，异质界面间建立瞬时电场，从而对入射电磁波产生损耗效应。同时由于样品中存在Mo和Sr2TiMoO6等导电相，在入射电磁波作用下会引入电导损耗效应。


【全文小结】

1.首次报道了Sr2TiMoO6-Al2O3伪二元复合材料吸波性能，拓展了其新应用；

2. Sr2TiMoO6-Al2O3伪二元复合吸波材料具有超薄厚度及有效吸波带宽大等优势；

3.揭示了Sr2TiMoO6-Al2O3伪二元复合材料中的电磁损耗机理。


【作者简介】


冯晶，男，昆明理工大学材料科学与工程学院院长、博士生导师。2014年哈佛大学归国学者，国家级人才。曾获杰出青年科学家奖、中国五四青年奖章、中国建筑材料科学技术一等奖、中国发明协会创业成果一等奖、美国陶瓷协会杰出贡献奖等。目前主要从事超高温热障涂层材料的研发、制备及应用研究。累积发表论文300余篇，包括Prog Mater Sci、Nat Commun、J Am Chem Soc、Acta Mater、Phys Rev B等；担任J Adv Ceram、Rare Metals、J Rare Earth、J Eur Ceram Soc、J Am Ceram Soc等十余份学术期刊编委。

消息来源：稀有金属RareMetals

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