ارزیابی تاثیر افزودن نانو لوله کربنی بر خواص ساختاری و مغناطیسی نانو ذرات فریت استرانسیم

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

پدیده تداخل امواج الکترومغناطیس ناشی از پیشرفت سریع سیستم های الکترونیکی و ارتباطی در محدوده گیگاهرتز، از جمله مشکلات جوامع امروزی است. به همین دلیل توجه خاصی به رشد و توسعه جاذب های امواج الکترومغناطیسی جدید بخصوص مواد نانوکامپوزیتی شده است. در این تحقیق از نانوذرات فریت استرانسیم آلاییده شده با کاتیونهای منیزیم، کبالت و تیتانیم (با ترکیب شیمیایی SrFe 12-2x (MgCo) x/2 Ti x O 19 ) بدست آمده از روش هم رسوبی، به همراه نانولوله های کربنی(تک دیواره و چنددیواره) جهت تهیه یک ماده نانوکامپوزیتی جاذب امواج الکترومغناطیس با قابلیت تلفات انعکاس بالا در محدوده فرکانسی باند X (GHz 12-8) استفاده شد. بدین منظور در ابتدا مقادیر کاتیونهای آلاینده از 5/0 تا 5/2 انتخاب گردیده تا در بین آنها، نانوذرات فریت استرانسیم آلاییده شده با خواص بهینه از لحاظ خواص مغناطیسی و مایکروویو انتخاب گردد. سپس نمونه بهینه با مقادیر مختلفی از نانولوله های کربنی (از 1 تا 6 درصد حجمی) کامپوزیتی گردید. در این راستا جهت ارزیابی های ساختاری، مغناطیسی و مایکروویو نمونه ها، از آزمونهای پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آنالیز حرارتی، مغناطومتر ارتعاشی و تحلیل گر شبکه برداری استفاده گردید. نتایج آزمون پراش پرتو ایکس نشان دادکه در تمامی نمونه ها فاز فریت استرانسیم با خلوص بالا تشکیل شده، اما با افزایش میزان کاتیونهای آلاینده، فاز Fe 2 O 3 ظاهر می شود. مطابق با نتایج آنالیز حرارتی نیز، مکانیزم تشکیل نانوذرات فریت استرانسیم براساس مکانیزم جوانه زنی و رشد تعیین گردید. نتایج آزمون مغناطومتر ارتعاشی نشان دادکه با افزایش میزان کاتیونهای آلاینده، مغناطش اشباع فریت استرانسیم از حدود emu/g 40 به emu/g 19 کاهش می یابد. از بین نانوذرات فریت استرانسیم آلاییده شده، نمونه با مقدار 2= x ، بعنوان نمونه با خواص بهینه انتخاب گردید. پهنای باند قابل جذب توسط این نمونه در محدوده فرکانسی باند X برابر با 6/2 گیگاهرتز (در زیر dB20-) بدست آمد. نتایج نشان داد که حضور نانولوله های کربنی تاثیر زیادی بر نیروی پسماندزدای نانوذرات فریت استرانسیم نداشته اما با افزایش میزان نانولوله کربنی در نمونه نانوکامپوزیتی مغناطش اشباع کاهش می یابد. بطوریکه مغناطش اشباع از حدود emu/g 19 برای نانوذرات فریت استرانسیم به حدود emu/g 11 برای نمونه نانوکامپوزیتی حاوی 5 درصد حجمی نانولوله کربنی کاهش یافت. در این مورد، نتایج نشان داد که نمونه نانوکامپوزیتی با مقدار 5 درصد حجمی از نانولوله های کربنی چند دیواره، در بین نمونه های مشابه، بیشترین پهنای باند جذب (GHz4) در زیر dB 20- در محدوده فرکانسی باند X (GHz 12-8) را دارا می باشد. بیشترین تلفات انعکاس این نمونه نیز در فرکانس GHz 1/11 و برابر dB45/44- بدست آمد. نتایج حاصل از آزمونهای انجام شده بر روی نمونه های نانوکامپوزیتی حاوی مقادیر مختلفی از نانولوله های کربنی تک دیواره نیز نشان داد که در 4 درصد حجمی از نانولوله کربنی تک دیواره می توان به خواص بهینه ای از جذب مایکروویو دست یافت. این نمونه نیز توانست کل پهنای باند X را پوشش دهد. بیشترین تلفات انعکاس آن در فرکانس GHz 1/11 و برابر با dB4/36- می باشد. با توجه به نتایج بدست آمده از مقایسه نمونه های نانوکامپوزیتی حاوی نانولوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره، مشخص گردید که نمونه نانوکامپوزیتی متشکل از نانوذرات فریت استرانسیم آلاییده شده (2=x) و 5 درصد حجمی نانولوله کربنی چند دیواره، از خواص جذب مایکروویو بهتری در بین سایر نمونه ها برخوردار است. بطور کلی ماده نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات فریت استرانسیم آلاییده شده به همراه نانولوله های کربنی، عملکرد مطلوبی در محدوده مایکروویو از خود نشان داد و بنابراین می تواند انتخاب مناسبی بعنوان ماده جاذب امواج مایکروویو در محدوده فرکانسی رادارهای بلندبرد محسوب گردد. کلید واژه ها : نانوذرات فریت استرانسیم، نانولوله کربنی، خواص مغناطیسی، تلفات انعکاس مایکروویو