FeCoB非晶粉末吸波性能研究*

鄭 豪， 孫懷君,2， 方允樟

(1.浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院,浙江 金華 321004;2.浙江農(nóng)林大學 暨陽學院，浙江 諸暨 311800)

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展和電子設(shè)備的爆發(fā)式增長，電磁污染已經(jīng)引起人們的高度關(guān)注，其作為一種新型的環(huán)境污染，對通信、國防及人體健康都會帶來巨大的威脅和危害[1-3]，已經(jīng)成為繼大氣污染、水污染和噪聲污染之后的第四大污染.為緩解電磁污染問題，相應的吸波材料已經(jīng)被廣泛地應用到軍事和民用領(lǐng)域中，如戰(zhàn)斗機隱身技術(shù)和手機射頻屏蔽技術(shù)等[4-7].故研制具有優(yōu)異吸波性能的吸波材料具有深遠意義.

磁性金屬微粉由于其具有高居里溫度、高飽和磁化強度和高磁導率等特點而被廣泛應用于吸波材料研究領(lǐng)域[8-9].Xiong等[10]制備了NdFeB金屬微粉，其最大反射損耗值RL達到-44.4 dB.Zhao等[11]采用橫向磁場處理不含貴金屬Nd的FeNi金屬微粉，使最大反射損耗值RL達到-30.0 dB.2016年，Xu等[8]通過改變顆粒形貌，制備得到片狀FeSiAl金屬微粉，其最大反射損耗值RL達到-35.9 dB；后又與MnO2復合，使最大反射損耗值增大到-41.8 dB.其中磁性金屬微粉存在的介電常數(shù)較大、不易實現(xiàn)良好的阻抗匹配等不足開始被關(guān)注.

非晶態(tài)材料呈現(xiàn)長程無序、短程有序的獨特結(jié)構(gòu)特征，使其具有高阻態(tài)特性和多懸掛鍵特性[12-13].非晶態(tài)材料中，F(xiàn)e基非晶材料兼具以上兩特性的同時,依舊具有高飽和磁化強度和高磁導率等特性,其高阻態(tài)特性可使材料更易實現(xiàn)良好的阻抗匹配；表面多懸掛鍵特性可以提升材料的界面極化，從而增強介電損耗性能；二者均有助于獲得優(yōu)異的吸波性能[14-15].性能優(yōu)異的吸波材料可應用于戰(zhàn)斗機的隱身技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備電磁防護和微波暗室建造等領(lǐng)域.筆者選取FeCoB非晶粉末作為吸波劑制備吸波材料，并研究其吸波性能,這對現(xiàn)實具有積極意義.

1 實驗方法

將純度分別為99.95%，99.99%，99.90%的Fe，Co和B，按合金組分Fe65Co20B15進行配料，并將其裝載到石英玻璃管中.在3.5×10-3Pa的真空條件下，通入0.05 MPa氬氣作保護氣，采用高頻感應熔煉爐熔煉母合金.為確保各元素熔煉均勻，對母合金熔煉作如下均勻化處理：熔煉次數(shù)達3次，每次持續(xù)20 min.熔煉均勻后，澆鑄入銅模中，制備得到直徑為60 mm、厚度為2 mm的母合金鑄錠.非晶薄帶制備所需的母合金材料，均由此澆鑄制得的鑄錠破碎而來，以確保其能順利裝載到薄帶制備儀器的玻璃管中.通過單輥快淬法制備非晶薄帶，制備工藝參數(shù)如下：銅輥外側(cè)線速度為20 m/s，棍嘴間距0.3 mm，氬氣分壓20 kPa.制備得到的非晶薄帶利用刻度尺和千分尺測量得薄帶寬1 mm，厚27 μm.

將制備得到的非晶薄帶與不銹鋼磨球按照60∶1的質(zhì)量球料比共同裝載入球磨罐中，其大中小磨球個數(shù)成一定比例.球磨罐封裝完畢后，用機械泵進行初真空處理，以減少罐內(nèi)空氣，再通入氬氣作保護氣，使球磨過程在氬氣環(huán)境下進行，起防止氧化的作用.利用G0R75型行星球磨機，在300 r/min的實驗條件下，按交替運行模式運行4 min，以1 min的時間間隔交替運行球磨，運行總時間為24 h.球磨后利用500目篩網(wǎng)收集粉末.粉末晶格結(jié)構(gòu)通過D8型X射線粉末衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)進行表征，表面形貌通過S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)進行表征，磁滯回線通過TD8220型軟磁直流測試系統(tǒng)測量表征，電磁參數(shù)通過N5230型網(wǎng)絡矢量分析儀(VNA)測量表征.電磁參數(shù)測量簡略步驟如下：按質(zhì)量分數(shù)稱量FeCoB非晶粉末，然后在60 ℃條件下融化0.2 g石蠟，將二者均勻混合，制備出非晶粉末復合材料.復合材料樣品通過模壓法制成內(nèi)徑3 mm，外徑7 mm，高3.5 mm的同軸樣品.利用N5230型網(wǎng)絡矢量分析儀測量同軸樣品在2～18 GHz頻率內(nèi)的電磁參數(shù).

2 結(jié)果與討論

圖1～圖3分別是FeCoB合金粉末和薄帶的XRD圖譜，F(xiàn)eCoB合金薄帶不同升溫速度的差示掃描量熱法(DSC)曲線，以及FeCoB合金粉末的TEM圖和電子選區(qū)衍射圖.由圖1可知，圖中均未出現(xiàn)尖銳的衍射峰，僅有1個寬的彌散峰；圖2的DSC曲線中有2個放熱晶化峰(Tx1和Tx2為晶化溫度)；圖3的TEM 圖中未出現(xiàn)晶相，選區(qū)電子衍射呈現(xiàn)典型的非晶衍射暈.綜上所述，可明確合金材料確實為非晶態(tài)材料.圖4是非晶粉末的SEM圖和用顯微鏡法測量樣品顆粒大小的粒徑分布統(tǒng)計圖.由圖4可知,粉末的粒徑集中分布在十幾μm范圍內(nèi)，其平均值約為11.8 μm.

通過TD8220型軟磁直流測試系統(tǒng)測量得到非晶薄帶的靜態(tài)磁滯回線，結(jié)果見5.由圖5可知，F(xiàn)eCoB非晶粉末的磁滯回線呈現(xiàn)為典型的S形.其中矯頑力Hc=70.05 A/m，飽和磁感應強度Bs高達1.33 T，表明FeCoB非晶材料為軟磁材料.

圖1 FeCoB合金粉末和薄帶的XRD圖譜

圖2 FeCoB合金薄帶不同升溫速率DSC曲線

圖3 FeCoB合金粉末的TEM圖和選區(qū)電子衍射圖

圖4 FeCoB非晶粉末SEM圖和粒徑分布圖

圖5 FeCoB非晶薄帶磁滯回線圖

由VNA測量質(zhì)量分數(shù)分別為50%，60%，70%和80%的復合材料的復介電常數(shù)(εr=ε′-jε″)和復磁導率(μr=μ′-jμ″).其中ε′和μ′是復介電常數(shù)和復磁導率的實部，ε″和μ″是復介電常數(shù)和復磁導率的虛部，結(jié)果如圖6所示.其中實部代表材料對電磁波的儲能能力，虛部代表損耗能力[8].由圖6可知，F(xiàn)eCoB質(zhì)量分數(shù)的變化對樣品的復介電常數(shù)和復磁導率有較大影響.隨著FeCoB質(zhì)量分數(shù)的增加，ε′和ε″值在2～18 GHz頻率內(nèi)均有相應的增大.由圖6(a),6(b)可知，當質(zhì)量分數(shù)由50%增加到80%時，ε′由4.96增大到28.49,ε″由0.14增大到32.11.復介電常數(shù)的增大可能是由于隨著質(zhì)量分數(shù)的增加使FeCoB微粒間間距減小，且微粒間的石蠟減少，使其對電子的散射阻礙作用減弱，復合材料的電導率增加，導電網(wǎng)絡容易形成，從而增大了復介電常數(shù)[16].

由圖6(c),6(d)可知，μ′和μ″值的變化與復介電常相似，總體上隨著質(zhì)量分數(shù)的增加而增大.質(zhì)量分數(shù)為50%和60%時，μ′值變化不顯著，但μ″值相應增大，且在2～8 GHz內(nèi)有1個寬的自然共振峰[17].質(zhì)量分數(shù)為70%和80%時，μ′值增大到1.63和1.92；μ″值增大到0.61和0.74.復磁導率增大的原因可能是大質(zhì)量分數(shù)時,磁性材料在復合材料內(nèi)比重增加，且同時伴隨著粉末間距的減小，微粒間電磁耦合作用加強，從而增大了復磁導率[18].

(a)復介電常數(shù)實部

(b)復介電常數(shù)虛部

(c)復磁導率實部

(d)復磁導率虛部

圖6 不同F(xiàn)eCoB非晶粉末質(zhì)量分數(shù)復合材料的復介電常數(shù)的實部、虛部及復磁導率的實部、虛部隨頻率的變化關(guān)系

磁損耗角正切(tanδm=μ″/μ′)和介電損耗角正切(tanδε=ε″/ε′)[19]可分別表征材料的磁損耗和介電損耗的大小.為明確何種損耗在FeCoB材料中起主導作用，磁損耗角正切和介電損耗角正切值隨頻率的變化關(guān)系如圖7所示.當質(zhì)量分數(shù)小于80%時，磁損耗角正切值均大于介電損耗角正切值，可見當質(zhì)量分數(shù)為50%～70%時，F(xiàn)eCoB材料以磁損耗為主.在GHz頻率量級范圍內(nèi)的磁損耗又以渦流損耗和自然共振為主.其中渦流損耗可用下式表示：

μ″(μ′)-2f-1=2πμ0dσ.

(1)

式(1)中:μ″是復磁導率虛部；μ′是復磁導率實部；f是頻率；μ0是真空磁導率；d是樣品厚度；σ是電導率.如果材料的磁損耗僅由渦流損耗提供，那么μ″(μ′)-2f-1值隨頻率變化表現(xiàn)為常數(shù).樣品的μ″(μ′)-2f-1值與頻率變化關(guān)系如圖8所示.由圖8可知，在2～8 GHz頻率范圍內(nèi)，μ″(μ′)-2f-1值有一個比較明顯的減小情況，可見在該頻段內(nèi)磁損耗主要來自于自然共振，這與磁導率虛部中出現(xiàn)的自然共振峰相符合[19].

不同質(zhì)量分數(shù)FeCoB非晶粉末的復合材料及不同涂層厚度時反射損耗曲線如圖9所示.根據(jù)傳輸線理論，并結(jié)合測得的電磁參數(shù)和給定的涂層厚度，計算出在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)相應的反射損耗RL值,公式如下：

RL(dB)=20log10| (Zin-Z0)/(Zin+Z0)|;

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：Zin為材料的歸一化輸入阻抗；Z0為自由空間的特征阻抗；μr是復磁導率；εr是復介電常數(shù)；j是虛數(shù)單位；f是頻率；d是涂層厚度；c是電磁波在自由空間的傳播速度[20].

(a)磁損耗角正切值

(b)介電損耗角正切值

圖7 不同F(xiàn)eCoB非晶粉末質(zhì)量分數(shù)復合材料的磁損耗角正切值和介電損耗角正切值隨頻率的變化關(guān)系

圖8 不同F(xiàn)eCoB非晶粉末質(zhì)量分數(shù)復合材料μ″(μ′)f-2值與頻率的關(guān)系圖

由圖9可知，隨著涂層厚度的增加，反射損耗值先增大后減小，且最大反射損耗峰向低頻方向移動.這與界面反射模型相符合，如下式所示：

(5)

式(5)中:dm是涂層厚度；fm是最大反射損耗峰對應頻率；c是電磁波在自由空間中的傳播速度；εr是復介電常數(shù)；μr是復磁導率[21].

由圖9可知，當質(zhì)量分數(shù)為50%時，在頻率為13.68 GHz、厚度為2.5 mm 時，最大反射損耗值為-11.4 dB.仍然保持涂層厚度為2.5 mm，當質(zhì)量分數(shù)增加到60%時，在頻率為12.40 GHz處有最大反射損耗峰，且值達到了-50.3 dB，可見吸波性能顯著增強；繼續(xù)增加質(zhì)量分數(shù)到70%，在4.72 GHz處，反射損耗值為-19.6 dB，吸波性能有所減弱；進一步增加質(zhì)量分數(shù)到80%，在10.48 GHz處，反射損耗值僅為-5.4 dB，吸波性能已較弱.由此可知，質(zhì)量分數(shù)為50%～60%時，材料的吸波性能增強.這可能是因為復介電常數(shù)和復磁導率的增大，使材料的衰減特性增強引起的.吸波材料的衰減特性可用衰減系數(shù)α表示，公式如下：

(6)

式(6)中:tanδm=μ″/μ′是磁損耗角正切;tanδε=ε″/ε′是電損耗角正切;ε′和ε″分別是復介電常數(shù)實部和虛部;μ′和μ″分別是復磁導率實部和虛部[21].通過計算，當質(zhì)量分數(shù)分別為50%，60%，70%和80%時，衰減常數(shù)α分別為99.72，156.67，178.67和646.43.可見衰減特性的增強能提升材料的吸波性能[20].然而，當質(zhì)量分數(shù)為70%和80%時，吸波性能并沒有持續(xù)增強，反而減弱，這可能是因為過大的復介電常數(shù)和復磁導率使材料的阻抗匹配特性變差導致的.當|Zin/Z0|值越接近1時，材料與自由空間的阻抗匹配特性越好，從自由空間入射的電磁波越能最大限度地進入涂層內(nèi)部[22].其中Z0是自由空間的特征阻抗，Zin是材料的歸一化輸入阻抗.通過計算，當質(zhì)量分數(shù)為50%，60%，70%和80%時，|Zin/Z0|值分別為1.735 3，1.001 3，0.356 6和0.308 6.由此可知,當質(zhì)量分數(shù)為70%和80%時，雖然材料具有很強的衰減特性，但是如果阻抗匹配特性差，那么電磁波在界面會發(fā)生強烈發(fā)射，因而,進入材料內(nèi)部的電磁波將十分有限，從而將大大減弱材料的吸波性能.因此,優(yōu)異的吸波材料必須同時兼具優(yōu)異的阻抗匹配特性和衰減特性才能具有優(yōu)異的吸波性能.

圖9 不同F(xiàn)eCoB非晶粉末質(zhì)量分數(shù)復合材料的不同涂層厚度的反射損耗曲線

由圖9(c),9(d)可知，當質(zhì)量分數(shù)為70%時，在頻率為4.72 GHz處，最大反射損耗值達RL到-42.5 dB，但涂層厚度為4.0 mm，屬于涂層厚度偏厚的吸波材料；當質(zhì)量分數(shù)為80%時，雖然涂層厚度為1.5 mm，但在10.48 GHz處最大反射損耗值RL僅為-6.1 dB，吸波性能較弱.此外，當質(zhì)量分數(shù)為60%時，最大反射損耗中吸波性能優(yōu)于-10 dB(吸收率達到90%以上)的頻帶寬度達到5.92 GHz，而當質(zhì)量分數(shù)為70%時，材料的頻帶寬度僅為2.08 GHz.強的吸波特性在戰(zhàn)斗機隱身技術(shù)中可以提升其隱身性能，提升戰(zhàn)斗機生存和突防能力；低質(zhì)量分數(shù)的輕、薄吸波涂層能有效提高戰(zhàn)斗機的敏捷性；寬的吸波頻帶可以大大提高材料的應用范圍，以滿足多領(lǐng)域范圍內(nèi)對不同頻率電磁波的吸收和屏蔽的應用需求.綜上所述，質(zhì)量分數(shù)為60%的FeCoB吸波材料相較于質(zhì)量分數(shù)為50%,70%和80%而言，分別具有吸波性能強、頻帶寬度寬、材料質(zhì)量輕的“薄、寬、輕、強”優(yōu)點.

3 結(jié) 論

通過單輥快淬法和高能球磨工藝，分兩步制備得到組分為Fe65Co20B15的非晶粉末.利用非晶態(tài)材料高阻抗特性和表面多懸掛鍵特性來提升材料的阻抗匹配特性和衰減特性.當質(zhì)量分數(shù)為60%時，最大反射損耗值在涂層厚度僅為2.5 mm時達到了-50.3 dB，且具有5.92 GHz(RL<-10 dB)的寬頻特性.相較于50%質(zhì)量分數(shù)時-11.4 dB的吸波性能，有近5倍的提升.并相較于70%質(zhì)量分數(shù)時的厚涂層厚度和80%時的大涂層密度，60%質(zhì)量分數(shù)的FeCoB吸波材料更符合“薄、寬、輕、強”的要求，是具有良好應用前景的優(yōu)異吸波材料.

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