氧化锌形态及含量对ZnO／Ni—Zn铁氧体复合材料电磁特性的影响

氧化锌形态及含量对氧化锌形态及含量对ZnOZnO NiNi ZnZn铁氧体复合材料电磁特性的影响铁氧体复合材料电磁特性的影响 第3卷第4期功能材料与器件学报1997年12月JOURNAL OFFUNCTIONAL MATERIALSAND DEVICESV3 No4Dec 1997 f氧化锌形态及含量对ZnO Ni Z一n铁氧体复合材料电磁特性的影响 1代 l黄婉霞陈家钊先健 涂铭旌 四川联合大学金属材料系成都610065 摘要研究了氧化锌形 态及含量在1 1000MHz范围内对ZnO Ni Zn铁氧体复合材料电磁特性的影响 结果表明 复合材料的等效介 电常数 e 和等效磁导率 均随着ZnO 颗粒或晶须 含量 的增加而逐渐减小 在I 1000MHz范围内 相同成份配比条件下涿加 晶颡状ZnO比瀑加颗粒状ZnO所得复合材料的电磁参量 值 要高 关键词ZnO晶须及颗粒 ZnO Ni Zn铁氧体复食材料 复合电磁参量 言牺呻叫 1 1l l氧化锌 ZnO 具有许多优良的物理特性 应用范罔相当广泛 高纯氧化锌是典型的绝缘体 禁带宽度约为3 3ev 但工业氧化锌 存在本征缺陷 在禁带中形成了附加施主能级 是一种n型半导体 氧化锌原料多为颗粒状 但近年来已研究成功新型的四针状氧化 锌晶须 据报道 这种ZnO晶须在微波段有较好的吸波发热特性 3 但在1 1000MHz电磁波频段内对电磁特性的研究未见报导 本文采用晶须状 ZnO与Ni zn铁氧体复合 研究其在I 1000MHz频率范围内电磁参量的复合规律 并与颗粒状ZnO Ni Zn铁氧体复合材料的电磁参量进行对比 为 新型电磁波屏蔽复合材料的研究提供材料和理论依据 2实验材料与方法实验所用的晶须状氧化锌由4根沿六方晶体C轴方向 生长的针状单晶体组成 针长10 100pr o 颗粒状氧化锌为常用微米级颗粒状原料 将晶须状ZnO及颗粒状Z nO分别与Ni Zn铁氧体粉末按不同比例均匀混合 用环氧树脂粘结 制得所需测 试试样 试样成份配比见表1 1997 01 22收到功能材料与器件学报3卷表1试样的成份配比 wt 成份a1 b1a2b2a3b3用hp4191型阻抗分析仪测定介电常数实部 虚部及 磁导率实部 虚部 在i 1000mhz范围内选取50mhz 200mhz 5 00mhz和8oomhz频率点进行测量 并按vi vi mi p l分别为单体的体积占空比 重量比和比重 p为复合材料比重 将重 量比换算为体积占空比作图 3实验结果3 1介电常数实部 及虚部e f 1 at different frequencysolid line for posite with zno wiskers1dash line for postewith znoparticle 图1各频率下 测试结果史线一添加zno晶频 虚线一 添加zno wi 粒fig 2 at diferent frequencysolid line for pc itewith zno wiskers dash1 np forposite withzno particles图2各频率下 测试结果实线一添加zno晶须 虚线一添加 zno颗粒由图1 图2可见 晶须状zno及颗粒状zno分别与ni zn铁氧体复合 图中实线表示添加zno晶须 虚线表示添加zno颗粒 在所测定的各频率下 介电常数宴部 及虚部 随zno 晶须和颗 粒 含量增加呈逐渐下降的趋势 而且在各频率下相同复合比例的复 合材料中 添加晶须状zno的介电常数 均比添加颗粒状zno的 要高 3 2磁导率实部 及虚部由图3 图4可见 晶须状及颗粒状z no分别与ni zn铁氧体复合后 磁导率实部 及虚部 的规律与介电常数参量的 复合规律一致 4期黄蜿霞等氧化锌形态及含量对zno n zn铁氧体 复台材料电磁特性的影响261f 3p at different frequencysolid line posite withzno wiskers dash line posite withzno particles图3备频率下 i i i试结果实线一添加zno晶须 虚线一蒲加zno颗粒fig4at differentfrequency solidllne posite withznowiskers da sh line positewithzno particles图4各频率下 ii i试结果实线一添加zno晶颊 虚线一添 加zno颗粒4分析与讨论对于由两类不同电磁特性的材料构成的复合 材料 可在一定条件下推导出该复合材料等效电磁参数及e 的计算 公式 但过去这些数学模拟公式很少考虑复合材料中备单体材料的形态对 其等效电磁参量的影响14 l 尽管有研究者对微波吸收材料进行了 这些方面的研究 617j 但在I 1000MHz电磁波屏蔽范围内未见研究 报道 随机取向混合媒质的等效介电常数公式为f8J N3 1 V 是第i种粒子的体积占空比 自为第i种粒子的介电常 数 为复合材料的等效介电常数 L 是第i中粒子沿J轴方向的极 化因子 j 1 2 3分别代表第i种粒子的三条主轴方向 复合材料等效磁导率公式 与上式一致 只需将介电常数换为磁导率即可 由公式可知 复合材料等效电磁特性不仅与复合单体的电磁特性和 含量有关 而且与复合单体的形态有关 略去少量环氧树脂的影响后 Zn0 NgZn铁氧体复合材料的等效介电 常数表达式为 等效磁导率类似 Vz 式中下标N代表Ni zn铁氧体单体 Z代表ZnO晶须或颗粒单体 因 为极化因子Lj满足 lLj l 设ZnO为旋转椭球体 则其极化因子LzI Lz2 Lz Lz3 I 2Lz 代入 2 式可得0 I2Lz z 0 3 一 e 功能材抖与器件学报3卷南极化理论可知 混合媒质的 形态不同 其l值亦不同 对盘状体l 0 对球体l 对针状体l i1 l的取值范围为 0 对 3 式求Lz的偏导数 可得L1 ZnO单体为球体1时 其为极小值 当L O ZnO单体为盘状 时 其 为最大值 而L ZnO体为针状 时 其 值介于两者之问本文实验结果正符合此结论 即在同一配比同一测 定频率下 晶须状ZnO 针状 比颗粒状 球状 ZnO与NVZn铁氧体复合 所得复合材料的介电常数 和 值要大 对磁导率此结论一致 随晶须I犬或颗粒状ZnO含量的增加 其复合材料的介电常数 e e 和磁导率 逐渐减小 是由于Ni Zn铁氧体的和e均大于ZnO的和 之故 由公式 1 可知 当低参量体的含量增加时 其复合等效电磁参数会逐渐减 小 5结论在1一IO00MHz频率范闱内 随ZnO晶须或颗粒含量的增加 ZnO N Zn铁氧体复合材料的等效介电常数 和 和磁导率 和 逐渐减小 且晶须状ZnO比颗粒状ZnO与Ni Zn铁氧复合后所得的等效介电常数 和 和磁导率 和 值要高 这说明 不仅ZnO的含量而且ZnO的形态也对复合材料的复合等效电 磁参量会产生 当程度的影响 参考文献l踩彬 壬忐良 季幼章 功能材料 25 1 1994 49 2萤斌 E思信 谢吕健 恽正中 功能材料 1995增刊 392 3謇树1 吕籁 J爿柞万 功能材料 l995增刊 329 4Vi swanatbanR Lyer Vichate Ungvichianand ParamburS NeelakantaI IEEEt199311085朱夭札 馀城龙 郑茂盛 功能村料 1990增刊 7 766刘述 邱寸刚 应用科学学报 14 1 1996 68 7刘述酋 邱寸明 林为干 电子学报 22 9 1994 104 8 富 刘述章 林为干 电子科学学刊 12 5 1990 503 EFFECT OFZnO SHAPEAND CONTENTON ELECTROMAGNETICcHARAcTERIsTICS OFZnO N Zn FERRITEc0MPOSITE HUANGWanxia CHEN Jiazhao MAO Jian TU MingjingfDepartment ofMetal MaterialsISichuan UnionUniversity Chengdu610065 ABSTRACT Theefkct of ZnO shapea ndcontent onelectromagic characteristicsof ZnO Ni Zn ferrite fr om posRe inthe rangeof1 1009MHz wasstudied It wasfound outthat the posite permittivltyf and permeabiiity decreased withincrease ofzno whiskersor particlescontent and atthe sainepo sitionand frequencyitheposite permittivity e 1 a ndpe