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略論化學(xué)鍍空心玻璃微珠基吸波材料的研究進展論文
引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，改性技術(shù)以其方便、快捷的特點，成為新材料的研究方向之一。目前材料表面改性技術(shù)有物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)熱分解法、真空濺射和化學(xué)鍍等。其中化學(xué)鍍具有成本低、操作簡便、設(shè)備簡單以及包覆效果好等特點被廣泛應(yīng)用。
吸波材料作為一種潛在的、具有隱身性能的軍事應(yīng)用、抗電磁干擾和輻射材料已成為材料科學(xué)中的一支新秀，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海及坦克裝甲材料等方面。
空心玻璃微珠具有中空、球形、質(zhì)輕及化學(xué)性能穩(wěn)定等特點，其本身沒有吸波性能，卻是吸波材料良好的基材，采用化學(xué)鍍方法對空心玻璃微珠表面改性，改性后可提高電磁波的吸收和近紅外的反射，用于防電磁輻射材料或吸波材料等。
1化學(xué)鍍
1. 1化學(xué)鍍的發(fā)展
化學(xué)鍍又稱不通電或無電解電鍍，是一種通過在溶液中加入適當(dāng)還原劑可使金屬離子在金屬表面的自催化作用下進行還原的沉積過程，其實質(zhì)為化學(xué)氧化還原反應(yīng)，即為有電子轉(zhuǎn)移且不加外電流的化學(xué)沉積過程。化學(xué)鍍沉積的鍍層金屬最先報道的是鎳，隨著各種新材料的不斷出現(xiàn)，化學(xué)鍍發(fā)展到化學(xué)鍍銀、化學(xué)鍍鉆、化學(xué)鍍錫、化學(xué)鍍銅、化學(xué)鍍貴金屬和多元合金以及復(fù)合化學(xué)鍍等。另外，所涉及的基體材料由鋼鐵發(fā)展到不銹鋼、合金、玻璃、塑料或陶瓷等，使化學(xué)鍍的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。
1.2空心玻璃微珠化學(xué)鍍預(yù)處理
為使化學(xué)鍍層均勻，并與基體空心玻璃微珠顆粒產(chǎn)生良好的結(jié)合強度，須對基體粉末表面進行預(yù)處理。預(yù)處理過程:一是除油，超聲波清洗。用于除去空心玻璃微珠表面的油污和有機物等雜質(zhì)，清洗介質(zhì)采用NaOH，可使空心玻璃微珠表面產(chǎn)生更明顯的輕基化作用，利于金屬離子的吸附。二是活化處理，便于在空心玻璃微珠表面建立化學(xué)鍍銅時所需要的貴金屬顆粒。傳統(tǒng)材料采用硝酸銀和把作為活化劑，但兩者的成本都較高，而新型材料多加入硫酸銅，價廉易得。
1.3化學(xué)鍍的原理
根據(jù)所鍍金屬層適當(dāng)選擇化學(xué)鍍液的主鹽，甲醛或其替代物次磷酸鈉為還原劑，酒石酸鉀鈉、檸檬酸和EDTA為絡(luò)合劑，NaOH調(diào)節(jié)化學(xué)鍍液的pH，在化學(xué)鍍時要嚴格控制反應(yīng)溫度并適當(dāng)攪拌。
化學(xué)鍍反應(yīng)過程是通過兩個連貫的反應(yīng)進行的，陽極反應(yīng)中釋放電子，陰極反應(yīng)中消耗電子。化學(xué)鍍總反應(yīng)速率的兩個部分，由電極反應(yīng)中較慢的一個所控制。
2化學(xué)鍍空心玻璃微珠的研究現(xiàn)狀
空心玻璃微珠是一種中空材料，其密度很低，因而采用化學(xué)鍍方法改性空心玻璃微珠，可以使所得材料體系基體的密度降低，入射電磁波可以在空心粒子的空腔內(nèi)形成反復(fù)振蕩的吸收機制，延長電磁波與材料之間的相互作用時間，從而增加吸波材料對電磁波的有效吸收厚度，使其作為吸波材料被廣泛應(yīng)用。
國外對空心玻璃微珠改性作為吸波材料研究較早，改性后易得到輕質(zhì)吸波材料，其具有殼核結(jié)構(gòu)且密度低等特點，成功解決了傳統(tǒng)吸波材料的不足。而國內(nèi)空心微珠基吸波材料的研究也是通過對其表面改性，使材料的吸波性能有所提高。
2. 1化學(xué)鍍銀空心玻璃微珠基吸波材料
Wu GM等在聚苯乙烯空心微珠表面采用化學(xué)鍍方法進行鍍銀處理，改性后的材料在10-18 GHz波段有良好的微波吸收性能。
杜軍等圈通過在空心玻璃微珠表面化學(xué)鍍銀，探討影響化學(xué)鍍銀的條件:預(yù)處理、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對紅外輻射率變化。實驗表明，在反應(yīng)溫度和時間一定條件下，化學(xué)法鍍銀可使空心玻璃微珠的紅外輻射率從最初的1. 02降到0. 70，使涂料涂層的紅外輻射率達到0. 80。
陳步明等使用不同表面活性劑對化學(xué)鍍液分散和潤濕，用硝酸銀作活化劑對空心玻璃微珠化學(xué)鍍銀，然后對所得銀包覆粉體鍛燒，研究表面活性劑對化學(xué)鍍銀的影響。實驗表明，銀包覆粉體均勻的顆粒鍛燒效果較好，用表面活性劑PVP化學(xué)鍍銀，可得到體積電阻低于4 兆歐姆的導(dǎo)電填料。
王宇等利用3-10 微米的空心玻璃微珠，在甲醛件良氨溶液作用下化學(xué)鍍銀，制得化學(xué)鍍銀空心玻璃微珠基吸波材料，同時研究了影響化學(xué)鍍銀的因素如pH、穩(wěn)定劑和裝載量等。
通過對空心玻璃微珠表面金屬化改性處理，根據(jù)改性的目的，除化學(xué)鍍銀外，還可采用其他金屬進行化學(xué)鍍。化學(xué)鍍后有望得到同時具有吸波性能和低紅外輻射性能的材料。
2. 2化學(xué)鍍鎳空心玻璃微珠基吸波材料
葛凱勇等利用化學(xué)鍍鎳法，對空心玻璃微珠表面改性，分別將改性前后的玻璃微珠制備成吸波材料，測其吸波性能，并采用掃描電鏡和能譜分析儀觀察、測定空心玻璃微珠表面鍍鎳后的形貌。該化學(xué)鍍鎳的溶液配方為:60g/L硫酸鎳，20 g/L次磷酸鈉，20 g/L無水乙酸鈉，pH為5-6，反應(yīng)e在70℃左右，t大于60 min。實驗表明，改性后的空心玻璃微珠具有較好的吸波性能，在掃描測試范圍g ...18 GHz內(nèi)，小于-10 dB頻段范圍為16. 6-18 GHz,最大吸收達-13. 57 dB，對應(yīng)頻率為17.2 GHz。可見，該法對空心玻璃微珠表面的改性為其再利用找到有效的途徑。
5hinkareva E V等采用化學(xué)鍍鎳方法對空心玻璃微珠表面改性，得到涂料導(dǎo)電效果較好，表面電阻可達0.05兆歐姆。
Yu等探討了化學(xué)鍍鎳空心玻璃微珠的電磁屏蔽性能，與金屬粉相比，空心玻璃微珠密度較小，對其表面金屬化改性處理后，用于制備電磁波吸收或電磁屏蔽材料。
陶長元等回利用化學(xué)鍍，將空心微珠表面包覆合金。實驗表明，頻率16.8 GHz處，涂層的反射衰減達-18.2 dB以上，在12. 5-18.0 GHz頻段范圍內(nèi)，反射衰減均低于一10.0dB。
周學(xué)梅等網(wǎng)采用堿性化學(xué)鍍，對粒徑為26 微米的空心微珠表面進行鎳磷和鎳鉆磷合金層的包覆，利用結(jié)構(gòu)阻抗匹配設(shè)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層在8和3mm處雷達波反射衰減均大于10db。
肇研等囚采用化學(xué)鍍鎳使空心玻璃微珠表面鍍金屬鎳層，得到一種輕質(zhì)吸波材料。實驗表明，其最佳工藝條件為:化學(xué)鍍液的主鹽Ni504，6HZ0濃度為0. 12mo1/L，還原劑濃度為0. 32mo1/L (主鹽):。(絡(luò)合劑)為0.46:1,pH=8。對包覆鎳層的空心玻璃微珠的電磁性能測試，發(fā)現(xiàn)鍍鎳層的空心玻璃微珠有部分電磁損耗性能。
化學(xué)鍍鎳技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)過大約50年，與電鍍工藝相比，化學(xué)鍍鎳以污染低和鎳利用率高而深受環(huán)保等部門的青睞。今后，化學(xué)鍍鎳工藝有望在原有化學(xué)鍍鎳工藝的完善和提高以及使用具有超功能性的材料的應(yīng)用和具有商業(yè)價值的新領(lǐng)域方面得到進一步發(fā)展。
2. 3化學(xué)鍍鉆空心玻璃微珠基吸波材料
Kim 5 T等采用化學(xué)鍍鉆方法對空心玻璃微珠表面改性，經(jīng)過多次鍍鉆覆層處理增加了鉆膜的厚度，獲得了殼厚度分別為1,2和3 微米空心金屬粉，該金屬粉具有良好的吸波性能。
Kim 5 5等采用化學(xué)鍍對空心玻璃微珠進行鍍合金層，制得輕質(zhì)吸波材料。實驗表明，鍍層中Fe含量的增加導(dǎo)致復(fù)磁導(dǎo)率的虛部變大，在8-10 GHz范圍內(nèi)鍍層5為1.5mm時其反射損耗小于-20 dB，且復(fù)合粒子的密度為0. 8畝，與傳統(tǒng)的吸波材料相比密度有較大改善，在微波頻段范圍內(nèi)有良好的吸波性能。
申雄剛等對空心玻璃微球表面化學(xué)鍍鉆后進行不同溫度的熱處理，在2-18 GHz頻段經(jīng)過800和1000℃熱處理，化學(xué)鍍鉆空心玻璃微珠的磁導(dǎo)率變化不顯著，介電常數(shù)明顯提高，電磁波反射率降低。
曾愛香等采用硝酸銀活化，對空心玻璃微珠表面鍍合金。實驗表明，合金鍍層最大吸收量可達13.8 dB，吸收大于10 dB的頻寬是6. 75GHz，可用于電磁屏蔽和微波吸收。
徐堅等使用化學(xué)鍍在空心玻璃微珠表面改性包覆合金。通過掃描電鏡、能譜分析儀研究分析包覆層形貌和成分，化學(xué)鍍合金層均勻包覆效果好。另外，使用X射線衍射和磁強計對包覆合金涂層研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)熱處理的為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)且鐵磁性不明顯，而熱處理后的Ni-Corm合金鍍層變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu)，有較強的鐵磁性，利于吸收電磁波。
凌國平利用化學(xué)鍍方法，在空心玻璃微珠表面鍍帶有磁性的金屬Co層得到低密度的磁粉。結(jié)果表明，化學(xué)鍍鉆層軟磁和硬磁性能優(yōu)異。
賈治勇等用化學(xué)鍍在空心玻璃微珠表面包覆Nice。合金。結(jié)果表明，隨著化學(xué)鍍Nice。合金層中空心玻璃微珠涂料厚度的增加，微波吸收峰逐漸向低頻方向移動，且頻率為16. 80 GHz時達到最大反射率-25.22dB。
2. 4化學(xué)鍍銅空心玻璃微珠基吸波材料
國內(nèi)對于化學(xué)鍍銅空心玻璃微珠基吸波材料的研究報道相對較少，大多集中在化學(xué)鍍鐵、鉆、鎳和銀方面。傳統(tǒng)材料采用硝酸銀和金屬把作為活化劑，但兩者的成本都太高，而新型材料多加入硫酸銅作活化劑，其價廉易得。自1947年起，、最先報道了化學(xué)鍍銅液化學(xué)鍍后，化學(xué)鍍銅以工藝設(shè)備簡單、銅系成本低、鍍層厚度均勻且鍍層性能好，被廣泛使用。
5hula 5等對粉煤灰空心玻璃微珠表面化學(xué)鍍銅，化學(xué)鍍銅后的粉煤灰空心玻璃微珠可用于導(dǎo)電填料及聚合物中的電磁屏蔽中。
Jorgen Ace5。等利用掃描電鏡的獨創(chuàng)方法控制空心玻璃微珠表面鍍銅的反應(yīng)過程，獲得了導(dǎo)電填料作為電磁防護材料。
張輝等采用化學(xué)鍍銅對空心玻璃微珠表面改性，用于滌棉織物的涂層整理。實驗得出，在涂層劑中銅系空心玻璃微珠若形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，電磁波屏蔽性能最好。
營澤等研究了玻璃微珠復(fù)合鍍層的制備及其光催化降解甲基橙，并用掃描電子顯微鏡和射線衍射儀等對樣品的形貌和結(jié)構(gòu)進行分析和表征，結(jié)果提高了光接觸面積且增加了催化劑的光催化活性，具有一定的穩(wěn)定和重復(fù)利用性。
3結(jié)語
改性后的空心玻璃微珠即使用化學(xué)鍍對空心玻璃微珠表面處理，使其具有光電和熱動性能，可廣泛應(yīng)用于微波吸收、電磁屏蔽和制備功能材料等領(lǐng)域，拓寬了應(yīng)用范圍。隨著化學(xué)鍍空心玻璃微珠基吸波材料的獨特性能被認識，它的應(yīng)用領(lǐng)域和市場需求量會不斷擴大，但其在發(fā)展過程中需要進一步改善，而化學(xué)鍍銅空心玻璃微珠基吸波材料以其成本低且吸波性能良好等特點將成為新的研究熱點。
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