磁性吸波材料的研究进展及展望

电工材料 2011 No . 2

王 磊等: 磁性吸波材料的研究进展及展望

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磁性吸波材料的研究进展及展望

王 磊, 朱保华

( 桂林电子科技大学 材料科学与工程学院, 广西桂林 541004)

摘要: 综述了磁性吸波材料的研究现状; 总结了铁氧体磁性吸波材料、金属微粉磁性吸波材料、多晶金 属纤维磁性吸波材料和纳米磁性吸波材料的最新研究进展; 指出了目前研究存在的一些问题。通过对 比发现, 磁性吸波材料研究的主要趋势为尺度纳米化、结构复合化以及形貌纤维化。不同损耗机制的复 合化将是目前磁性吸波材料的重要发展方向。

关键词: 吸波材料; 铁氧体; 金属微粉; 多晶纤维; 纳米材料 中图分类号: T M 25; TM 27

文献标志码: A

文章编号: 1671- 8887( 2011) 02- 0037- 04

Research Progress and Prospects of Magnetic Absorbing Material s

W AN G Lei, Z H U Bao - hua

( Sch ool o f M aterial s Sci en ce an d Engin eer ing , G u ili n Un iversit y of E lectro ni c Science an d T ech n ology , Gu il in 541004 , Ch in a )

Abstract : Th e recen t research st ate o n m agn et ic ab sorb ing m ateri al s w as review ed . T h e lat est p rogr ess o f elect rom agnet ic w ave abso rben ts in f er rit e , m etal pow der , pol ycr y_ stall ine m et al f ibers an d nan o_m at erials w as sum m ari zed . Som e def iciencies in curr en t re sear ch . w as p oin ted o ut . By com p arison , th e m ain t ren ds of m agn eti c m icrow ave ab sorb ent s w ere f or w ard t o n ano_scale, com po si te str uctur e an d f ib rou s m o r p ho logy. T he com p osit e of d if f eren t loss m ech an ism w il l be an im po rt ant di rect ion o f m icrow ave absorb ers.

Key words: abso rbin g m at erials; f err it e; m et al p ow d er; p olycr yst allin e f ibers; n an o_m ater ials

1 引言

随着电子技术的飞速发展, 人们日常生活中受 到的电磁辐射不断增多; 同时为适应现代战争的需 要, 隐身材料在武器中将被广泛应用, 因此, 吸波材 料的研究具有重要的实用价值。吸波材料是一种能 量转换材料, 能够有效地吸收电磁波, 并通过能量 转换将电磁能耗散掉或使电磁波因干涉而消失。吸 波材料包括抗电磁干扰和微波吸收材料, 甚至还包 括从声波到红外线的吸收材料, 其应用范围逐步扩 大。磁性吸波材料是目前研究和应用最多的一类。 本文主要对近年来磁性吸波材料的研究进展进行

基金项目: 国家自然基金 ( 50961005) ; 广西信息材料重点实验室主 任基金 (桂科能 0710908- 12- Z) 。

作者简介: 王磊 ( 1987- ) , 男, 湖南岳阳人, 硕士研究生, 研究方向: 吸波材料。

收稿日期: 2011- 01- 27

分类总结。

2 吸波材料分类

吸波材料有许多分类方法, 目前尚未有权威的

定论, 主要有三种分类法: 按损耗机理的不同, 可 分为介电型吸波材料和磁性吸波材料。介电型吸波 材料的主要特点是具有高的介电常数和较大的介电 损耗角, 以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁 波; 磁性吸波材料损耗机理主要为铁磁共振吸收, 具 有较大的磁损耗角, 以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损

按成型工艺和承载能 耗机制衰减, 吸收电磁波。

力可分为涂覆型和结构型两类。涂覆型吸波材料是 具有电磁波吸收功能的涂料, 其工艺简单, 使用方 便, 因容易调节而受到重视, 隐身兵器几乎都使用了 涂覆型吸波材料; 结构型吸波材料具有承载和吸波 的双重功能, 其结构形式有蜂窝状、角锥状和波纹状

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等。 按吸收原理可分为吸收型和干涉型。吸收型 主要是材料本身对雷达波损耗吸收; 干涉型则是利 用吸波层表面反射和底层反射波的振幅相等、相位

( 其中添加稀土元素的研究 [ 9]取得了较好的效果) 等 方面入手, 以改善其吸波性能。

3. 2 金属微粉磁性吸波材料

通常所指的金属微粉的粒度为 0. 5~ 20 m 。金 属微粉吸波材料具有居里温度高、温度稳定性好、在 磁性材料中磁化强度最高、微波磁导率较大、介电常 数较高等优点, 因此在吸波材料领域得到广泛应 用。它主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等方式吸收 电磁波。金属微粉吸波材料已得到实际应用。如美国 F / A_18C/ D 大黄蜂 隐身飞机使用的就是羰基铁 微粉吸波材料。

羰基金属微 金属微粉磁性吸波材料主要有:

粉吸波材料; 通过蒸发、还原、有机醇盐等工艺得 到的磁性金属微粉吸波材料等。

目前 主要使用 的金属微 粉的尺寸 通常是 1~ 10 m , 对于金属微粉磁性吸波材料的研究主要集 中在其合金及其化合物方面

, 并且取得了较好

的效果。有一项对于 F e_Co 合金磁性微粉和中空碳 纤维吸波性能对比的研究表明, F e_Co 合金磁性微 粉的吸波性能优于中空碳纤维的吸波性能 到 12. 12 GH z。林培豪等 潘顺康等

4 [10 , 11 ]

相反进行干涉抵消。 3 磁性吸波材料研究现状 3. 1 铁氧体磁性吸波材料

铁氧体磁性吸波材料是一种复介质材料, 对电 磁波的吸收既有介电特性方面的极化效应又有磁 损耗效应。具有吸收率高、涂层薄和频带宽等优点, 被广泛应用于雷达吸波材料领域。美国 B_2 隐形轰 炸机和 T R_1 高空侦察机均使用铁氧体作为吸波材 料制备雷达波隐身涂层。

铁氧体吸波材料的制备方法有固相合成法、水 热合成法、溶胶- 凝胶法和化学共沉淀法等。目前 铁氧体磁性吸波材料的主要类型有尖晶石型、磁铅 石型和石榴石型

[1 ~ 3 。其中对尖晶石型的研究主要

集中在 Zn 系和 Ni 系以及二者的复合铁氧体。Dong L in Zhao 等 [4 ]采用传统烧结方法制备的 NiZ n 铁氧 体吸波材料, 当涂层厚度为 3 mm 时, 反射吸收值小 于- 10 dB 的带宽为 3. 3~ 12. 7 H z, 峰值为在频率 为 11. 8 GHz 时的- 49. 1 dB。Lee 等 [5 ]通过化学共 沉淀法制备得到了 NiZnCu 铁氧体, 通过改变 Zn 原子的替代数量, 在 1 GH z 得到了- 47. 05 dB 的最 小反射吸收值。磁铅石型铁氧体吸波材料为六角晶

, 前者

在 2 ~ 18 GHz 的范围内小于- 5 dB 的吸收带宽达

采用电弧熔炼后高能球

磨和晶化热处理方法制备的 NdF eB 吸波微粉以及

采用类似的方法制备的 YF eCr 合金吸

[12 ]

系, 具有较高的磁晶各向异性、较大的复磁导率实 波微粉都获得了较好的吸波性能。有研究表明, 扁 部 和虚部 、吸 收 频 带 宽等 优 点 , 其 中以 平化处理( 即高能球磨) 明显改善了合金磁性微粉吸 BaF e 12O 19 及其衍生物为代表, 按照晶体的结构不同 分为 M 、W、X、Y、Z 和 U 六种 。Wang Jing 等 采用水热合成法制备的稀土掺杂 W 型钡铁氧体, 当涂层匹配厚度为 2. 1 m m 时, 反射吸收值小于 - 10 dB 的频带范围为 9. 9~ 18. 06 GH z, 其间吸收 峰峰值达- 51. 92 dB。徐超等 采用柠檬酸溶胶-

凝胶自蔓延法制备的 Y 型 BaZnCo Cu 铁氧体在 X 波段中, 匹配厚度为 1 m m 时, 反射功率损耗大于 10 dB 的频宽在 3 GH z 以上。

铁氧体磁性吸波材料的不足之处是其复介电 常数实部

和复磁导率实部

较小, 密度大, 饱和

磁化强度低, 居里温度低及高温稳定性差, 因此应 用范围受到限制。当前关于铁氧体作为吸波材料的 研究可以从纳米化 ( 降低密度, 提高低频吸波性 提高等效电磁参数) 以及添加其他磁性金属微粉

3. 3 多晶金属纤维磁性吸波材料

多晶金属纤维磁性吸波材料的吸波机理是涡流 损耗和磁滞损耗, 此外它还是一种良导体, 具有较强 的介电损耗吸收性能, 在外界交变电场的作用下, 纤 维内的电子产生振动, 将电磁能部分转化为热能。 频带内实现高吸收, 质量比传统的金属微粉材料减

[8 ] [6 ]

[ 7]

波材料的吸波性能

[ 15, 16]

。

虽然对于磁性金属微粉吸波性能的研究取得了 较好的效果和应用, 但是由于磁性金属微粉的密度 大, 抗氧化、耐酸碱能力差, 远不如铁氧体; 磁性金属 微粉的填充率不会很高, 电阻率低, 介电常数较高且 频谱特性差、低频段吸收性能较差等原因, 磁性金属 微粉向纳米尺度和复合化的研究 的一个重要研究方向。

[ 17 ,18 ]

将会是今后

能) 、合金化 ( 提高抗氧化能力) 、纤维化( 降低密度, 多晶铁纤维具有独特的形状各向异性, 可在很宽的

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轻 40% ~ 60% , 克服了大多数磁性材料的严重缺 陷。多晶铁纤维吸波材料具有重量轻、面密度小 ( 可降至 1. 5~ 2 k g / m 2) 、频带宽 ( 4~ 18 GH z) 的优 点, 并且可以通过调节纤维的长度、直径、排列方 式、分散剂的含量等调节材料的电磁参数。

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频带窄、吸收效果差的缺点, 而采取复合方式制得

的合金 粉 体吸 波 性能 优于 纯 的纳 米 级金 属 。如 L i Xue_ai 等 [27 ]在 F e 3O 4 纳米晶上裹覆 N i_B 合金制 得了粒径分布为 20~ 50 nm 的复合纳米颗粒, 并在 2~ 18 GH z 的雷达波下考查了 N i_B 合金复合球形 纳米颗粒与纯 Fe 3O 4 纳米晶的微波吸附性能, 发现 裹覆 Ni_B 合金后的复合球形纳米颗粒大大增强了 微波吸附能力, 在磁共振频率为 3. 2~ 4. 6 GH z 的 范围内, 最小反射率衰减下降了 10 dB。陈康华等 [28 ] 通过对铝板进行阳极氧化, 而后在铝的阳极氧化多 孔膜中沉积铁、镍等磁性金属纳米线阵列, 制成铝基 磁性纳米线阵列吸波材料。这种材料具有吸波层 薄、吸收率高、与金属基体结合强、易于制备的特点, 是一种新型纳米磁性薄膜吸波材料。王建等 [ 29]以碳 纳米管和四针状纳米氧化锌混合物作为吸收剂、环 氧树脂为粘接剂制备吸波涂层, 当涂层厚度为 1. 5 m m 时, 吸波涂层的最小反射率为- 23. 07 dB, 小于 - 10 dB 的带宽为 5 GH z。胡照文等

在国外, 美国 3M 公司研制出的亚微米级多晶 铁纤维吸波涂层在 4~ 6 GH z 频带内的反射率低于 - 5 dB, 在 6~ 20 GH z 频带内的反射率低于- 10 dB, 在 10. 5~ 13. 5 GH z 频带内的反射率低于- 20 dB。欧洲 GAM M A 公司利用多晶铁纤维吸波材料 成功研制出雷达隐身涂层, 实现了宽频的吸收, 其 最大吸收可达 34 dB。据报道, 该技术已成功用于法 国战略导弹和载人飞行器上。

在国内, 关于多晶金属纤维磁性吸波材料的研 究还处于起始阶段, 仅有一些初步的探讨 地研究。

3. 4 纳米磁性吸波材料

纳米材料是指材料尺寸为纳米级 ( 通常为 1~ 100 nm ) 。纳米材料独特的结构使其具有隧道效应、 量子效应、小尺寸效应和界面效应等特点。将纳米 材料作为吸收剂制成涂料, 不仅能很好地吸收电磁 波, 而且涂层薄, 吸收频带宽。

纳米磁性吸波材料的主要形态包括纳米颗粒 或超微颗粒、多层膜、纳米颗粒膜 ( 相对多层膜来 说, 纳米颗粒膜中的铁磁性颗粒呈无规则的统计分 布) 和纳米组装体系。

纳米磁性吸波材料理论研究体现在如下几个 方面:

纳米晶粒间强交换偏置效应使混乱取向的

晶粒磁矩趋于平行排列, 使得材料的矫顽力大幅度

小尺寸的晶粒、 下降, 静态起始磁导率显著提高;

大量存在的晶界和晶格畸变可导致材料的电阻率 显著增大, 从而提高高频磁导率; 磁导率;

具有强各向异

性使其自然共振频率到达微波频率, 从而保持高的

阻尼系数的增大将降低吸收峰值, 但可

以提高半峰的频宽。上述因素决定了微波磁导率和 磁损耗的主要影响机理和作用规律, 为纳米磁性材 料可作为微波吸收剂提供了可靠的依据

, 在

材料的制备、测试、设计方面还很薄弱, 需要更深入

[19 ~ 22 ]

采用气体雾

化工艺制备的 T b 掺杂铁合金粉为原料, 经高能球 磨处理和真空退火处理制备薄片状外形和纳米晶微 结构的 T b 掺杂铁基合金吸收剂, 选用改性聚氨酯 为胶粘剂, 以 T b 掺杂铁基合金吸收剂为填料制备 了吸波涂层, 厚度为 1 mm 的涂层在 2~ 18 GH z 全 频段吸波性能优于- 4. 5 dB。王晨等 [31 ]利用超声和 酸处理工艺将膨胀石墨剥离成纳米厚度的薄片, 并 利用简单的共沉积和退火还原工艺在石墨薄片上均 匀沉积了铁钴镍磁性合金粒子, 这种 Fe 3Co 6N i/ 石 墨薄片作为吸波剂的复合材料在 12. 6 GH z 处最大 吸收可达- 24 dB, 有效吸收带宽 ( < - 5 dB) 达 8 GHz。

吸波材料的重要发展方向是提高高频磁导率和 磁损耗并改善其频率特性, 磁性材料纳米化技术很 可能是实现这一目标的有效途径。今后关于纳米吸 波材料的研究将主要集中于纳米材料的电磁性能机 理、复合纳米材料的制备和处理 [32 ]、含纳米材料吸 波器件的设计和制造等方面。其中, 复合纳米材料 的制备和处理工艺作为整个研究的基础具有突出的 重要性。 4 结束语

综上所述, 目前国内外在磁性吸波材料的研制 方面还存在频带窄、密度大、性能低等缺点, 应用范围 受到一定限制。今后的主要研究方向将会是 :

。

。

目前研究的主要方向有纳米磁性薄膜吸波材 料、纳米金属与合金吸波材料、纳米陶瓷吸波材料、 纳米氧化物吸波材料、纳米复合吸波材料等 单一的纳米金属粉或氧化物

[26 [24 , 25 ]

的吸波性能仍存在

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料的吸波特性研究 [J ] . 材料导报, 2009, 23( 11) : 5- 8.

[ 13]

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( 1) 探索质轻、宽频、无污染的多功能高效吸波 材料、研究兼容型吸波材料 ( 即能兼容米波、厘米 波、毫米波及红外激光等多波段的吸波材料) 、拓宽 吸波波段是未来发展的方向之一。

( 2) 探索宽频范围内电磁参数频散效应不敏感 的新型损耗型吸波介质, 可在宽频率范围内同时满 足阻抗匹配和强吸收, 将是未来吸波材料研究的热 点和难点。

( 3) 研发既能隐身又能承载的多功能结构型吸 波材料, 以及能自动对外界作出最佳响应功能的智 能型吸波材料, 也是未来隐身材料的主要发展方向 之一。

( 4) 开发具有纳米异质结构包覆的亚微米金属 磁性纤维制备技术将是一个较有前景的新的研究 方向。 参考文献:

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/svk1.html