NZFO-PZT磁电复合纳米纤维的制备及其吸波性能

叶芹 向军＊, 李佳乐 刘敏 徐加焕＊, 沈湘黔

NZFO-PZT磁电复合纳米纤维的制备及其吸波性能

叶芹1向军＊,1李佳乐1刘敏1徐加焕＊,1沈湘黔2

(1江苏科技大学数理学院，镇江212003)
(2江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013)

采用静电纺丝法制备(1-x)Ni0.5Zn0.5Fe2O4-(x)Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(简称为(1-x)NZFO-(x)PZT，x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)磁电复合纳米纤维，研究了PZT含量对复合纳米纤维结构、电磁特性及微波吸收性能的影响。所有样品均由尖晶石结构NZFO和钙钛矿结构PZT两相所组成。由于NZFO磁损耗与PZT介电损耗的协同效应及界面效应的加强，适量PZT相的引入可改善复合纳米纤维吸波涂层的电磁阻抗匹配和衰减特性，提高微波吸收性能。x=0.3和0.4的复合纳米纤维分别在低频和高频范围表现出最强的微波吸收能力。当涂层厚度为2.5～5.0 mm时，x=0.3样品的最小反射损耗在6.1 GHz处达-77.2 dB，反射损耗小于-10 dB的有效吸收带宽为11.2 GHz(2.8～12.9和16.9～18 GHz)；x=0.4样品的最小反射损耗位于18 GHz处为-37.6 dB，有效吸收带宽达到12.5 GHz(3.3～12.5和14.7～18 GHz)。

Ni-Zn铁氧体；锆钛酸铅；磁电复合纳米纤维；微波吸收性能；协同效应

近年来随着G赫兹频段电磁波在电子通讯领域的广泛应用，如移动电话、无线局域网、雷达系统等，随之带来的电磁辐射和电磁干扰也越发严重，这不仅对人类健康带来潜在危害，而且还可能造成信息泄露、系统故障等问题；另一方面，现代及未来战争要求尽可能降低武器装备的雷达反射截面，实现电磁隐身，以提高其生存防御能力和总体作战性能。于是为了解决电磁干扰和污染，以及军事装备隐身问题，高性能微波吸收材料的研制与开发一直是各国军事和民用领域的一个热点[1-4]。吸波材料对电磁波的吸收主要依赖于填充其中的电磁波吸收剂，其吸波性能主要取决于复磁导率/复介电常数、阻抗匹配特征及吸收剂的微观结构等[5]。根据吸波机理，电磁波吸收剂材料大体可分为磁损耗型和介电损耗型两类。介电损耗型吸收剂一般具有密度低、强度高、耐高温等优点，但其吸收强度较弱、吸收频带较窄；磁损耗型吸收剂吸收强、频带宽，但大多存在密度高、匹配厚度大、稳定性较差等缺点。无论是磁损耗型还是介电损耗型吸收剂，它们单独使用时由于其阻抗匹配特性较差，一般都难以满足现代科学技术发展对吸波材料提出的“薄、轻、宽、强”的要求。大量研究[3-9]表明将不同吸收机制的吸收剂复合制成纳米结构复合吸波材料是增强吸波性能的一个有效途径，利用纳米复合材料中各组分的电、磁损耗协同效应和电磁参数可调的优点，使其同时具有良好的电磁波衰减和阻抗匹配特性，以达到低密度、强吸收和宽频带的效果。

铁磁/铁电多铁性复合材料是一类非常重要的先进功能材料，能够实现磁和电功能的转化，在磁电传感器(磁场、电场探测等)、磁电能量转换、数据存储、微波探测及高压输电线路的电流测量等技术领域具有广阔的应用前景，人们对其磁电耦合效应进行了大量而深入的研究[10-12]。然而此类多铁性复合材料的铁磁、铁电共存及其损耗协同效应，同时也是强吸收、宽频带微波吸收材料的重要基础。一些研究结果显示铁磁与铁电陶瓷材料的复合能够表现出良好的吸波性能，如Mandal等人考察了Co0.5Zn0.5Fe2O4/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3和Co0.4Ni0.2Zn0.4Fe2O4/ BaTiO3纳米复合材料在X波段的微波吸收性能，当涂层厚度为2 mm时，最小反射损耗分别达到-47.87 dB和-42.53 dB[13-14]。但至今对于磁电复合吸波材料的研究主要还是集中在零维纳米粉体上，而有关一维纳米结构磁电复合材料的电磁特性及吸波性能的研究鲜有报道。

一维纳米结构材料如纳米线、纳米纤维、纳米管和纳米棒等因其独特的形状各向异性提供了不同于各向同性微粒的损耗机制而在电磁波吸收方面展示出独到的优势，已成为一类很有发展前途的新型吸波材料[2,4,15-18]。静电纺丝技术是聚合物溶液或熔体借助于高压静电作用进行喷丝拉伸形成超细纤维的一种纺丝工艺，已被证明是当今制备陶瓷纳米纤维一种简单、低成本、高效的方法[19]。本文采用静电纺丝技术将尖晶石结构Ni0.5Zn0.5Fe2O4(NZFO)铁磁材料和钙钛矿结构Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)铁电材料原位复合制成纳米纤维微波吸收剂，期望通过一维纳米材料独特的形状各向异性及空间限域作用更好地实现NZFO相的磁损耗与PZT相的介电损耗的协同效应，加强微波吸收性能；研究了PZT含量对复合纳米纤维电磁特性及吸波性能的影响及机理。

1 实验部分

1.1 NZFO-PZT复合纳米纤维的制备

按产物(1-x)Ni0.5Zn0.5Fe2O4-(x)Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(x= 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)的化学计量比先称取一定量的钛酸四丁酯和乙酸铅溶解于4.875 g二甲基甲酰胺(DMF)、2.925 g乙酸和1.95 g去离子水所组成的混合溶剂中，然后加入适量的乙酸镍、乙酸锌、硝酸锆和硝酸铁(所有金属盐的总量为2.7 g)，待完全溶解后再加入1.2 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，平均分子量1 300 000，Aldrich)，在室温下继续磁力搅拌2～3 h配制成均匀、透明、稳定的纺丝溶液，其中PVP和金属盐的质量百分含量分别为8%和27%。将所得溶液通过自制的静电纺丝装置，在溶液进给速率0.3mL·h-1、电压25 kV、接收距离20 cm的条件下电纺丝制成PVP/金属盐复合前驱体纤维。将收集到的前驱体纤维在100℃充分干燥后置于程控箱式电炉中，从室温加热到900℃焙烧2 h得到晶态的(1-x) NZFO-(x)PZT复合纳米纤维，升降温速率均为2℃· min-1。

1.2 表征与测试

用日本电子JSM-7001F型场发射扫描电镜(FESEM)及附加的X射线能谱仪(EDX，英国牛津仪器公司)观测所制备的复合纳米纤维的表面形貌及化学组成，工作电压为20 kV。用日本电子JEM-2100型透射电镜(TEM)观测复合纳米纤维的微观结构及选区电子衍射谱(SAED)，工作电压为200 kV。用日本理学D/max 2500PC型X射线衍射仪(XRD)分析纤维样品的物相结构及组成，辐射源为Cu靶Kα线(波长0.154 06 nm)，管电压40 kV，管电流200 mA，扫描速度6°·min-1，步长0.02°，2θ扫描范围为20°～70°。用南京南大仪器厂生成的HH-20型振动样品磁强计(VSM)测量各样品的室温磁性能，施加的外磁场为1.5 T。使用同轴线传输/反射法测试所得纤维材料的电磁参数，以硅胶(Dow Corning 184，含固化剂)为基质，将NZFO-PZT复合纳米纤维以质量比7∶3的比例与硅胶及固化剂均匀混合，然后把混合物装填到不锈钢模具中经高温固化制成外径7.00 mm、内径3.04 mm、厚2.00 mm的环状试样，在美国安捷伦E5071C矢量网络分析仪上测量它们在2～18 GHz频率范围内的相对复介电常数(εr=ε′-jε″)和复磁导率(μr=μ′-jμ″)，并根据传输线理论模拟计算和分析相应吸波涂层的微波吸收性能。

2 结果与讨论

2.1 复合纳米纤维的结构和形貌

图1为所得(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维的XRD图。图中各样品在2θ为31.12°、38.44°、44.57°、50.21°、55.39°处的衍射峰均来自四方钙钛矿结构Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(JCPDS 33-0784)，而其余的位于30.11°、35.45°、37.08°、43.08°、53.44°、56.96°附近的衍射峰则可分别归属于立方尖晶石结构Ni0.5Zn0.5Fe2O4(JCPDS 08-0234)，未见其他物相的衍射峰，说明所有复合纳米纤维样品均由NZFO和PZT两相组成。随PZT相含量的增加，相应衍射峰强度提高，而NZFO相衍射峰的强度在下降，但两相各衍射峰峰形都比较尖锐，这表明纤维中NZFO和PZT两相的晶格发育都较为完整。利用各自主峰的半峰宽，通过Scherrer公式估算了不同组成的复合纳米纤维中NZFO和PZT相的平均晶粒尺寸，所得结果列于表1中。可以看出，PZT相含量多少对NZFO和PZT的平均晶粒尺寸没有明显的影响，其值分别约在30～40 nm和23～30 nm之间。

图1 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维的XRD图Fig.1 XRD patterns of as-prepared(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofibers

表1 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维的磁性能参数及各相的平均晶粒尺寸Table1 Average crystallite sizes and magnetic parameters of(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofibers

以x=0.3样品为代表研究了复合纳米纤维的表面形貌、微观结构及化学组成等情况。图2(a)～(d)分别为(0.7)NZFO-(0.3)PZT复合纳米纤维的SEM图、EDX能谱图、TEM图和SAED谱图。由图2(a)可见，所制备的磁电复合纳米纤维粗细较为均匀，纤维直径基本在200～350 nm之间，但纤维表面非常粗糙，同时部分相互接触的纤维由于在高温焙烧过程中晶粒的融合生长，还出现了相互交联的现象。对其进行EDX能谱测试表明(如图2(b)所示)，该复合纳米纤维由Ni、Zn、Fe、Pb、Zr、Ti和O元素所组成，它们的原子百分含量分别为5.4%、5.7%、21.6%、4.4%、2.5%、2.3%和58.1%，与x=0.3样品的化学计量比基本一致，这说明通过电纺丝及后期热处理过程能够制得所需要的目标产物。

图2 (0.7)NZFO-(0.3)PZT复合纳米纤维的(a)SEM图、(b)EDX能谱图、(c)TEM图和(d)SAED图Fig.2(a)SEM image,(b)EDX spectra,(c)TEM image and(d)SAED pattern of(0.7)NZFO-(0.3)PZT composite nanofibers

从图2(c)中的TEM照片可以看出，所制备的复合纳米纤维无明显孔洞，微观上比较致密，由NZFO和PZT颗粒紧密聚集构成，但它们的粒径明显大于由XRD数据所估算的平均晶粒尺寸，有的颗粒甚至达到约200 nm，这意味着构成复合纳米纤维的NZFO和PZT颗粒大都是多晶聚集体。如图2(d)所示，复合纳米纤维的SAED谱图由一系列带亮点的同心圆环组成，其内侧较好分辨的圆环可分别归属于NZFO相的(220)、(311)、(400)、(440)晶面和PZT相的(100)与(101)晶面，这进一步确认了所制备的纳米纤维是一个由NZFO和PZT两相组成的多晶纳米复合材料。

2.2 磁性能

图3是所制备的(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维的室温磁滞回线。由图可见，各复合纳米纤维均表现出良好的软铁磁性，且在所施加的外场下，磁化强度均基本达到饱和；根据所测磁滞回线得到的各样品的比饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc也列于前面表1中。结果显示，随PZT含量即x的增大，复合纳米纤维的Ms值单调减小，这是由PZT的非磁性造成的；而矫顽力大体呈一个先增大后减小的变化趋势。一个纳米颗粒组装体系的磁行为不但随着组成颗粒的形貌(尺寸和形状)而变化，而且也强烈地受到磁性颗粒间相互作用的影响[20]。对于本文所制备的磁电复合纳米纤维，其磁性相NZFO的平均晶粒粒径小于相应的单畴临界尺寸(40 nm[21])，矫顽力将随粒径的增大而增大，减小而减小。此外，随PZT含量的增加，非磁性PZT粒子对磁性NZFO粒子的隔离作用将变得更加显著，使得NZFO粒子间的磁交换耦合作用总体减弱，体系的有效各向异性增大，矫顽力升高[22]。上述两方面的共同作用导致体系的矫顽力先增大后减小，并在x=0.4时出现极大值。

图3 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维的室温磁滞回线Fig.3 Room-temperature hysteresis loops of(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofibers

2.2 电磁特性

复介电常数及复磁导率的实部和虚部可分别代表材料对进入其内部传播的电磁波能量的储存和损耗能力[23]。图4所示为(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的复介电常数和复磁导率随频率的变化曲线。由图4(a)和(b)可见，除x=0.5样品的复介电常数实部ε′随频率升高约呈下降外，其他所有样品的ε′在整个2～18 GHz频率范围内几乎保持为一个常数，而相应虚部ε″随频率升高总体都呈逐渐增大态势。在频率相对较低时，介电损耗主要由漏导所决定，相应损耗基本独立于频率；而当频率逐渐升高时，介电损耗机制则主要是松弛极化损耗和电导损耗[24]。于是导致ε″出现在低频区的值及增幅均较小，而在高频范围明显增大的现象。对于ε″曲线在上升过程中出现的一些小幅波动可归因于PZT的介电松弛以及PZT与NZFO粒子间的界面松弛[25,26]。此外可发现，随x即PZT含量的增加，ε′和ε″呈现出一个相同的变化趋势即先增大后减小，且均在x=0.4时达到其最大值。我们认为该现象可能是此时PZT与NZFO两相间的有效接触面积达到最大所致，同时还可能与复合纳米纤维体系在此比例下发生渗流效应有关[27]，这样会有更多的极化电荷聚集在PZT与NZFO相的界面，从而使得x=0.4样品的界面极化及松弛明显高于其他样品。虽然随着复合纳米纤维中PZT相含量的增加，固有电偶极子的取向极化及相关松弛逐步加强，但对于NZFO-PZT复合纳米纤维这样一个非均匀复合体系，在决定介电性能上界面性质通常还是处于一个主导地位[28]。因此复合纳米纤维的界面极化及松弛随PZT含量的变化行为最终导致了介电常数出现先增大后减小的结果。

图4 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的(a)ε′、(b)ε″、(c)μ′和(d)μ″与频率的依赖关系Fig.4 Frequency dependence of(a)ε′,(b)ε″,(c)μ′and(d)μ″for the(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofiber/silicone microwave absorbing coatings

从图4(c)和(d)可观察到，所有样品的复磁导率实部μ′在2～8 GHz范围内快速减小，之后随频率升高大体又呈现出一个平缓增加趋势；而复磁导率虚部μ″在整个2～18 GHz范围内总体上随频率的升高而减小，但在中高频段减小幅度趋缓。随PZT相含量的增加，复合纳米纤维的μ″值大体呈下降趋势，这一现象在低频范围更为明显，这主要是体系的饱和磁化强度降低造成的。磁导率与饱和磁化强度有直接的依赖关系，高的饱和磁化强度有利于得到高磁导率[29]。尖晶石铁氧体的自然共振频率虽然一般都在数百MHz以下[30],但对于相应的纳米结构体系,由于小尺寸效应引起表面各向异性能显著提高，使其自然共振频率能够达到GHz范围，从而在微波频段也能表现出较强的磁损耗能力。因此，NZFO-PZT复合纳米纤维在微波频段的磁频散及磁损耗应主要由NZFO铁氧体的自然共振引起[16]。在低频范围内，μ′和μ″值均随频率的增加而急剧下降，相应曲线实际上构成自然共振峰的一部分。

磁损耗和介电损耗是吸波材料衰减吸收电磁波的两个可能机制[4,26]。为了探讨(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维的微波吸收机制，根据所测电磁参数计算了各样品在2～18 GHz频率范围内的磁损耗角正切(tanδm=μ″/μ′)和介电损耗角正切(tanδε=ε″/ε′)值，其结果如图5所示。可以看出，复合纳米纤维吸波涂层在中低频段的微波吸收机制主要是磁损耗，而在高频范围则主要为介电损耗。此外可见，磁损耗角正切和介电损耗角正切随PZT含量的变化与其相应的复磁导率和复介电常数虚部的情况基本类似。值得注意的是，x=0.3和0.4的复合纳米纤维吸波涂层，它们在低频范围内拥有较大的磁损耗角正切，同时在高频区域还具有相对较高的介电损耗角正切。磁损耗与介电损耗的这种互补预示着这两个样品可能具有更好的微波吸收性能，如更强的微波吸收能力或更宽的吸收频率范围。

2.3 微波吸收性能

材料的吸波性能可用其反射损耗的大小进行评价。根据传输线理论，单层吸波涂层在电磁波垂直入射时的反射损耗(RL)可通过下面的公式计算得到[5,9]：

图5 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的(a)磁损耗和(b)介电损耗角正切随频率的变化Fig.5 Frequency dependences of(a)magnetic loss and(b)dielectric loss tangent for the(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofiber/silicone microwave absorbing coatings

式中，Zin是吸波涂层的输入阻抗，Z0是自由空间的波阻抗，μr和εr分别为吸波涂层的相对复磁导率和复介电常数，d为吸波涂层的厚度，f是入射微波的频率，c为光速。RL值等于-10 dB意味着90%的微波吸收率，因此通常将RL≤-10 dB视作一个材料是否适合作为电磁波吸收剂的一个重要判据[9]。图6所示为根据所测电磁参数计算得到的厚度2.5～5.0mm的(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层在2～18 GHz范围内的反射损耗曲线。由图可见，所有吸波涂层在所考察的厚度范围内RL峰值基本上都超过了-10 dB。随复合纳米纤维中PZT含量的增加，相应吸波涂层的微波吸收强度及有效吸收带宽(RL≤-10 dB)都大致呈先增大后减小变化趋势，x=0.3和x=0.4这两个吸波样品分别在低频和高频范围显示出更好的微波吸收性能。对于x=0.3样品，厚度为4.5 mm的涂层的吸波能力最强，吸收峰位于6.1 GHz处，此时最小反射损耗达到-77.2 dB，有效吸收带宽为11.2 GHz，频率范围覆盖2.8～12.9和16.9～18 GHz；对于x=0.4样品，当吸波涂层厚度为4.5 mm时反射损耗在18 GHz处达到其最小值约-37.6 dB，有效吸收带宽为12.5 GHz，吸收频率范围为3.3～12.5和14.7～18 GHz。上述结果表明，通过改变(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维吸收剂中PZT相的含量可方便有效地对其电磁特性及微波吸收性能进行调控。与以前文献报道的Co0.5Zn0.5Fe2O4/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3纳米复合物(-47.87 dB)[13]、Ni0.2Co0.4Zn0.4Fe2O4/BaTiO3纳米复合物(-45.23 dB)[14]、Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米纤维(-11.25 dB)[31]和BaTiO3纳米管(-21.8 dB)[32]相比，本文的NZFO-PZT复合纳米纤维表现出更强的微波吸收能力，这可能要归于纤维中NZFO的磁损耗与PZT的介电损耗的协同效应和界面极化及松弛的加强。

图6 不同厚度(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的反射损耗曲线Fig.6 Reflection loss curves of the(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofiber/silicone microwave absorbing coatings with different assumed thicknesses

吸波涂层的厚度是影响其吸收峰强度和位置的重要参数之一[33]。从图6可以清楚看到，随涂层厚度从2.5逐步增加到5.0 mm，所有样品的吸收峰都向低频方向移动，且峰值即最小RL值要么单调减小，要么先减小后增大，说明通过改变涂层厚度也可有效调控其吸波性能。同时发现，对于x≥0.2的样品，当涂层厚度超过4.0 mm时，在主峰之后还出现了第二个吸收峰，这将有益于提高吸波涂层的有效吸收带宽。根据1/4波长相消模型，如果吸波涂层的厚度d满足[4,34]：

λ为吸波涂层中的微波波长，此时吸波涂层上下表面的反射波将相消，产生强的微波吸收，在一定频率形成一个衰减吸收峰。于是当吸波涂层厚度增大时，衰减吸收峰将朝低频区移动，且同时在所测频段内有可能出现更多的衰减吸收峰。

通常，电磁阻抗匹配和衰减特性是决定微波吸收材料性能的两个关键要素[6,34]。良好的电磁阻抗匹配特性，即材料的输入阻抗要尽量地接近于自由空间的波阻抗，这样才能使入射的电磁波有效进入到材料内部，避免强的反射，这是电磁波吸收的前提条件；强的电磁波衰减能力可保证进入到材料内部的电磁波能在一个有限的厚度范围内被迅速衰减和吸收。根据传输线理论和电磁波传播常数，衰减常数α决定了材料的衰减特性，可用下面的方程进行描述[4]：

图7 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的衰减常数随频率的变化Fig.7 Attenuation constant of the(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofiber/silicone microwave absorbing coatings as a function of frequency

图7 为NZFO-PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的衰减常数α随频率的变化关系。从图中可看到，随PZT含量的增加，衰减常数α值大体呈先增大后减小变化趋势；x=0.3和x=0.4两个样品分别在低频和高频范围内具有最大的衰减常数，表明这2个样品各自对进入其内部的低频和高频电磁波拥有最强的衰减或吸收能力。

最近，一个Δ函数方法被提出用以评价吸波涂层材料的电磁阻抗匹配程度[5,35]：

式中，K和M由材料的相对复介电常数和复磁导率所决定。Δ值越小意味着电磁阻抗匹配越好，反射更小，即有更多的入射电磁波能够进入吸波涂层内部被衰减吸收。根据公式(5)计算得到的NZFO-PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的Δ值分布图如图8所示。由图可见，对于x=0.3和x=0.4两个样品，Δ值小于0.4的蓝色及深蓝色区域明显大于其他样品；而且对于x=0.4样品，在涂层厚度约大于4 mm时，在高频范围还出现了代表Δ值相对较小的蓝色区域，表明x=0.3和x=0.4两个样品分别在低频和高频范围内具有相对更好的电磁阻抗匹配特性。结合到前面图6和图7可进一步发现，反射损耗、衰减常数和Δ值几乎表现出一个相同的变化趋势，这反映出x=0.3和x=0.4的(1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层微波吸收性能的提高应主要源于NZFO的磁损耗与PZT的介电损耗的恰当结合以及界面极化及松弛加强所带来的电磁阻抗匹配和衰减特性的改善。

图8 (1-x)NZFO-(x)PZT复合纳米纤维/硅胶吸波涂层的Δ值分布图Fig.8 CalculatedΔvalue maps of the(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofiber/silicone microwave absorbing coatings

3 结论

采用静电纺丝方法成功制备了(1-x)NZFO-(x) PZT磁电复合纳米纤维微波吸收剂，发现通过改变复合纳米纤维中PZT的含量可对其微波吸收强度及频率范围进行有效调控。NZFO的磁损耗与PZT的介电损耗的恰当结合以及界面极化及相关松弛的加强使x=0.3和x=0.4的两个样品分别在低频和高频范围内表现出更好的微波吸收性能。x=0.3样品的最小反射损耗位于6.1 GHz处达到-77.2 dB；x=0.4样品的最小反射损耗在18 GHz处为-37.6 dB。当吸波涂层厚度为2.5～5.0 mm时，它们的有效吸收带宽各自达到11.2 GHz和12.5 GHz，覆盖了整个C和X波段以及部分S和Ku波段。微波吸收频率遵从1/4波长匹配模型，而且当涂层厚度较大时，在2～18 GHz范围内还出现了双衰减吸收峰现象。NZFO-PZT磁电复合纳米纤维有望发展成为一种新型宽频带、强吸收的纳米复合吸波材料。

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Fabrication and Microwave Absorption Properties of NZFO-PZT Magnetoelectric Composite Nanofibers

YE Qin1XIANG Jun＊,1LIJia-Le1LIU Min1XU Jia-Huan＊,1SHEN Xiang-Qian2
(1School of Mathematics and physics,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu 212003,China)
(2School of Material Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)

(1-x)Ni0.5Zn0.5Fe2O4-(x)Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(known simply as(1-x)NZFO-(x)PZT,x=0.1,0.2,0.3,0.4,and 0.5)magnetoelectric composite nanofibers have been successfully fabricated using the electrospinning method. The effects of PZT content on structures,electromagnetic characteristics and microwave absorption properties of the resultant products have been investigated in detail.It is found that all the as-prepared composites nanofibers are composed ofboth spinel-structured NZFO and perovskite-structured PZT phases.The appropriate incorporation of PZT phase in the composite nanofibers can improve the electromagnetic impedance matching and attenuation characteristics of the corresponding microwave absorbing coatings due to the synergistic effects between magnetic loss of NZFO and dielectric loss of PZT and the enhanced interfacial effects,and consequently boost their microwave absorption performances.The(1-x)NZFO-(x)PZT composite nanofiber/silicone microwave absorbing coatings with x=0.3 and 0.4 exhibit the strongest microwave absorption ability in the low-and high-frequency ranges,respectively.When the coating thickness is between 2.5 and 5.0 mm,the minimum reflection loss(RL) value of the x=0.3 sample is-77.2 dB at 6.1 GHz and the effective absorption bandwidth with RL below-10 dB reaches 11.2 GHz covering the 2.8～12.9 and 16.9～18 GHz frequency ranges.While for x=0.4 sample,an optimalRL value of-37.6 dB is observed at 18 GHz and the effective absorption bandwidth is up to 12.5 GHz ranging from 3.3 to 12.5 and 14.7 to 18 GHz.

Ni-Zn ferrite;lead zirconate titanate;magnetoelectric composite nanofiber;microwave absorbing performance; synergistic effect

O611.6；TB332

A

1001-4861(2015)07-1296-09

10.11862/CJIC.2015.204

2015-04-14。收修改稿日期：2015-05-29。

国家自然科学基金(No.11204108)、中国博士后科学基金(No.2013M540418)和江苏省博士后科研资助计划(No.1301055B)资助项目。

＊通讯联系人。E-mail：jxiang@just.edu.cn，jiahuan0669@163.com