ارزيابي تاثير افزودن نانو لوله کربني بر خواص ساختاري و مغناطيسي نانو ذرات فريت استرانسيم

STUDENT

DEGREE

YEAR

Recently, with the rapid advances and broad implementation of computer and telecommunications technology there is an increasing problems due to the electromagnetic interference (EMI) especially in the radio and microwave frequency ranges. To overcome the drawbacks, there is much attention to development of electromagnetic absorber materials. In this research, the microwave absorbers applicable in X-band frequency (8-12 GHz) made of substituted Sr-hexaferrite nanoparticles with different types of carbon nanotube (multiwalled and singlewalled CNTs) nanocomposites have been studied. First, strontium hexaferrite nanoparticles with nominal composition of SrFe 12-2x (MgCo) x/2 Ti x O 19 (for x=0-2.5) with step increment of 0.5 were synthesized by a chemical co-precipitation technique. Well suitable crystallinity of hexaferrite nanoparticles in the whole series of substitutions was confirmed from sharpen peaks of XRD patterns. However with an increase in the amount of substitutions, the nonmagnetic ?-Fe 2 O 3 impurity phase was formed during synthesis process. TG/DTA analysis results show that the formation of Sr-hexaferrite nanoparticles is according to the nucleation and growth mechanism and with increasing of x content, the particle size of nanoparticles is decreased. The magnetic properties such as saturation of magnetization and coercivity were extracted from the hysteresis loops. The values of M s are found to decrease from 40 emu/g for x=0 to 19 emu/g for x=2.5. The reflection loss behavior of samples was also measured in X-band frequencies. It is found that the absorption bandwidth of substituted Sr-hexaferrite nanoparticle with x=2 reaches to 2.6 GHz by choosing reflection loss value of -20dB as a reference. The effects of value of MWCNTs and SWCNTs on the reflection loss of the nanocomposites were also evaluated. The results shown that with an increase amount of CNTs to nanocomposite, the saturation of magnetization is decreased from 19 emu/g for Sr-hexaferrite nanoparticles to about 11 emu/g for nanocomposite sample contains of 5%vol of MWCNTs. The maximum absorption bandwidth and maximum reflection loss of this sample were 4 GHz and -44.45 dB (at resonance frequency of 11.1 GHz), respectively. The optimum microwave absorption ability are also obtains in nanocomposite sample contains of 4% vol SWCNTs. For this sample, the maximum reflection loss and the maximum absorption bandwidth were obtained of -36.4 dB (at frequency of 11.1GHz) and 4 GHz (under the reflection loss of -20 dB), respectively. It can be inferred that these two nanocomposite samples, have the better microwave absorption performance than the other nanocomposite samples. Subsequently, it can be noted that the nanocomposite contains of substituted Sr-hexaferrite nanoparticles with optimum volume percentage of carbon nanotube have considerable potential as an absorption material for using in high frequency application. Keywords : Strontium hexaferrite, magnetic properties, reflection loss, carbon nanotube

چکيده پديده تداخل امواج الکترومغناطيس ناشي از پيشرفت سريع سيستم هاي الکترونيکي و ارتباطي در محدوده گيگاهرتز، از جمله مشکلات جوامع امروزي است. به همين دليل توجه خاصي به رشد و توسعه جاذب هاي امواج الکترومغناطيسي جديد بخصوص مواد نانوکامپوزيتي شده است. در اين تحقيق از نانوذرات فريت استرانسيم آلاييده شده با کاتيونهاي منيزيم، کبالت و تيتانيم (با ترکيب شيميايي SrFe 12-2x (MgCo) x/2 Ti x O 19 ) بدست آمده از روش هم رسوبي، به همراه نانولوله هاي کربني(تک ديواره و چندديواره) جهت تهيه يک ماده نانوکامپوزيتي جاذب امواج الکترومغناطيس با قابليت تلفات انعکاس بالا در محدوده فرکانسي باند X (GHz 12-8) استفاده شد. بدين منظور در ابتدا مقادير کاتيونهاي آلاينده از 5/0 تا 5/2 انتخاب گرديده تا در بين آنها، نانوذرات فريت استرانسيم آلاييده شده با خواص بهينه از لحاظ خواص مغناطيسي و مايکروويو انتخاب گردد. سپس نمونه بهينه با مقادير مختلفي از نانولوله هاي کربني (از 1 تا 6 درصد حجمي) کامپوزيتي گرديد. در اين راستا جهت ارزيابي هاي ساختاري، مغناطيسي و مايکروويو نمونه ها، از آزمونهاي پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني، ميکروسکوپ الکتروني عبوري، آناليز حرارتي، مغناطومتر ارتعاشي و تحليل گر شبکه برداري استفاده گرديد. نتايج آزمون پراش پرتو ايکس نشان دادکه در تمامي نمونه ها فاز فريت استرانسيم با خلوص بالا تشکيل شده، اما با افزايش ميزان کاتيونهاي آلاينده، فاز Fe 2 O 3 ظاهر مي شود. مطابق با نتايج آناليز حرارتي نيز، مکانيزم تشکيل نانوذرات فريت استرانسيم براساس مکانيزم جوانه زني و رشد تعيين گرديد. نتايج آزمون مغناطومتر ارتعاشي نشان دادکه با افزايش ميزان کاتيونهاي آلاينده، مغناطش اشباع فريت استرانسيم از حدود emu/g 40 به emu/g 19 کاهش مي يابد. از بين نانوذرات فريت استرانسيم آلاييده شده، نمونه با مقدار 2= x ، بعنوان نمونه با خواص بهينه انتخاب گرديد. پهناي باند قابل جذب توسط اين نمونه در محدوده فرکانسي باند X برابر با 6/2 گيگاهرتز (در زير dB20-) بدست آمد. نتايج نشان داد که حضور نانولوله هاي کربني تاثير زيادي بر نيروي پسماندزداي نانوذرات فريت استرانسيم نداشته اما با افزايش ميزان نانولوله کربني در نمونه نانوکامپوزيتي مغناطش اشباع کاهش مي يابد. بطوريکه مغناطش اشباع از حدود emu/g 19 براي نانوذرات فريت استرانسيم به حدود emu/g 11 براي نمونه نانوکامپوزيتي حاوي 5 درصد حجمي نانولوله کربني کاهش يافت. در اين مورد، نتايج نشان داد که نمونه نانوکامپوزيتي با مقدار 5 درصد حجمي از نانولوله هاي کربني چند ديواره، در بين نمونه هاي مشابه، بيشترين پهناي باند جذب (GHz4) در زير dB 20- در محدوده فرکانسي باند X (GHz 12-8) را دارا مي باشد. بيشترين تلفات انعکاس اين نمونه نيز در فرکانس GHz 1/11 و برابر dB45/44- بدست آمد. نتايج حاصل از آزمونهاي انجام شده بر روي نمونه هاي نانوکامپوزيتي حاوي مقادير مختلفي از نانولوله هاي کربني تک ديواره نيز نشان داد که در 4 درصد حجمي از نانولوله کربني تک ديواره مي توان به خواص بهينه اي از جذب مايکروويو دست يافت. اين نمونه نيز توانست کل پهناي باند X را پوشش دهد. بيشترين تلفات انعکاس آن در فرکانس GHz 1/11 و برابر با dB4/36- مي باشد. با توجه به نتايج بدست آمده از مقايسه نمونه هاي نانوکامپوزيتي حاوي نانولوله هاي کربني تک ديواره و چند ديواره، مشخص گرديد که نمونه نانوکامپوزيتي متشکل از نانوذرات فريت استرانسيم آلاييده شده (2=x) و 5 درصد حجمي نانولوله کربني چند ديواره، از خواص جذب مايکروويو بهتري در بين ساير نمونه ها برخوردار است. بطور کلي ماده نانوکامپوزيتي حاوي نانوذرات فريت استرانسيم آلاييده شده به همراه نانولوله هاي کربني، عملکرد مطلوبي در محدوده مايکروويو از خود نشان داد و بنابراين مي تواند انتخاب مناسبي بعنوان ماده جاذب امواج مايکروويو در محدوده فرکانسي رادارهاي بلندبرد محسوب گردد. کليد واژه ها : نانوذرات فريت استرانسيم، نانولوله کربني، خواص مغناطيسي، تلفات انعکاس مايکروويو