熱變形Sm-Fe-B質量填充量對微波吸收性能的影響

尤純子,李 軍,王峰義,劉 穎

(四川大學 材料科學與工程學院,四川 成都 610065)

隨著無線通信技術的發展和電磁波在軍事和民用領域的廣泛應用,各個領域對微波吸收劑的需求急劇增加[1]。金屬磁性材料具有較高的飽和磁化強度和較寬的吸收帶寬,表現出較好的微波吸收潛力。然而,由于Snoek極限的限制和金屬磁性材料的低磁導率特性以及它們較高的介電常數容易導致阻抗失配,阻礙其在微波頻段的發展[2]。因此,開發具有優異微波磁性能的新材料至關重要。

稀土-鐵金屬間化合物由于其平面各向異性的特性,可以突破Snoek極限,在更高的頻率上獲得較高的磁導率,成為高性能薄層微波吸收材料的重要候選人之一[3]。其中,Sm2Fe14B在0～600 K的寬溫度范圍內穩定表現出平面各向異性,是最具潛力的高性能電磁材料[4]。此外,熱變形是一種可以進一步提高其各向異性的有效方法[5]。熱變形Re-Fe-B具有平面各向異性場和形狀各向異性場的雙重各向異性,這有助于獲得更好的微波吸收性能。因此利用熱變形制備具有平面各向異性的稀土-鐵金屬間化合物在提高微波吸收性能方面具有獨特的優勢。

吸收劑在石蠟中的填充量對其微波吸收性能影響巨大,不同質量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉對其微波吸收性能的影響尚未可知。為了促進熱變形Sm-Fe-B在微波吸收領域的工程應用,本文詳細研究了不同質量填充比的熱變形Sm-Fe-B/石蠟復合物微波吸收性能,并對其機理進行了分析。研究發現當熱變形Sm-Fe-B磁粉在石蠟中的質量填充量為70% wt時,在厚度為2.83 mm,頻率為6.8 GHz,可獲得最大反射損耗-55.49 dB。而且該質量填充量下,厚度為1.33 mm的吸收體有效吸收頻寬(RL≤ -10.0 dB)為3.15 GHz。通過機理分析可知,主要原因在于該質量填充量下吸收體具有優異的阻抗匹配、高的介電損耗和磁損耗。因此,合適的質量填充量有助于優化熱變形Sm-Fe-B在微波吸收領域的應用。

1 實驗材料及方法

1.1 熱變形Sm-Fe-B磁粉的制備

以尺寸在100～350 μm范圍內的快淬粉〔Sm13.51Fe80.46B6.03(at.%)〕為原料,將快淬粉倒入硬質合金模具中,在923 K的溫度下,以300 MPa的壓力將磁體壓致密。隨后,將熱壓磁體在1053 K溫度下壓至高度減少70%。最后,將熱變形試樣機械粉碎成細粉,密封保存。

1.2 性能表征

采用X射線衍射儀(XRD, DX-2700)進行物相分析,Cu Kα(λ = 1.54 ?)作為衍射源;采用場發射掃描電子顯微鏡(FESEM, JEOL, JSM-7900F)對樣品形貌進行分析,工作電壓為15 kV;將熱變形Sm-Fe-B磁粉與固體石蠟按質量分數30%、50%和70%混合,并壓制成內徑3.04 mm、外徑7.00 mm的同軸圓環樣品;采用矢量網絡分析儀(Agilent 8720ET)對上述圓環樣品在0.5～18 GHz頻段范圍內的電磁參數進行測試。

2 實驗結果及分析

2.1 微觀結構分析

圖1 快淬粉、熱變形Sm-Fe-B磁體(沿垂直于壓力方向)和熱變形Sm-Fe-B粉末的XRD圖譜

圖2為熱變形磁體截面的SEM-BSE圖和其磁粉的SEM形貌,由圖2(a)可以看到熱變形Sm-Fe-B內部板條狀晶粒大多垂直于壓力加載方向,呈現明顯的取向排列,與圖1XRD結果一致。圖2(b)為熱變形磁粉的形貌表征,其典型厚度約為12.25 μm,粉末呈現出明顯的薄片狀,具有較大的徑厚比,且分散性較好,無明顯團聚現象。由此推斷熱變形Sm-Fe-B磁粉具有較大的形狀各向異性場。

(a)熱變形Sm-Fe-B截面內部BSE-SEM照片,(b)熱變形Sm-Fe-B磁粉的SEM照片圖2 熱變形Sm-Fe-B的形貌

2.2 微波吸收性能的分析

根據傳輸線理論,單層復合材料的反射損耗(RL)可以利用復磁導率和復介電常數由公式(1)計算[7]:

(1)

(2)

(3)

其中,Zin為輸入阻抗;Z0為自由空間的阻抗;μr為復磁導率,εr為復介電常數;f為電磁波頻率;d為吸收體的厚度;c為光速。

通過傳輸線理論,由公式(1)和(3)計算材料特定厚度特定頻率下的反射損耗,繪制如圖3所示不同質量分數的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的單層吸收體在不同厚度下的反射損耗三維圖、等高線圖、以及反射損耗隨頻率變化曲線。由圖3(a～c)可以看出熱變形Sm-Fe-B磁粉質量填充比為30%時,在全測試波段,反射損耗都未超過-5 dB,最大反射損耗只有-1.78 dB。當熱變形Sm-Fe-B磁粉質量填充為50%時,涂層厚度為5.08 mm的復合材料在18 GHz時,反射損耗RL達到-13.14 dB,且該厚度下的有效吸收帶寬(Effective absorption bands,簡稱EAB),即RL≤-10 dB的頻寬為0.53 GHz。涂層厚度為5.23 mm時,EAB為1.05 GHz;涂層厚度增至6.00 mm時,在15.11 GHz出現最大反射峰,峰值為-12.76 dB(圖3(d-f))。當磁粉質量填充比進一步增大至70%,吸收體在涂層厚度僅為1.33 mm時,在15.7 GHz下最大反射損耗為-36.84 dB,并且在14.24～17.39 GHz的較寬頻段內材料反射損耗RL都小于-10 dB,有效帶寬可達3.15 GHz〔圖3(g～i)〕;涂層厚度為2.83 mm時,在6.8 GHz頻率下出現最大反射損耗RL達-55.49 dB,且該厚度下的有效吸收帶寬EAB為1.31 GHz。

(a)～(c) 30%熱變形Sm-Fe-B磁粉;(d)～(f) 50%熱變形Sm-Fe-B磁粉;(g)～(i) 70%熱變形Sm-Fe-B磁粉圖3 反射損耗三維圖、等高線圖和RL-f曲線

從圖3(a)、(d)、(g)可知,吸波劑的微波吸收性能與粉末質量填充量有著密切關系,隨著熱變形Sm-Fe-B磁粉的質量填充量從30%增加到70%,樣品的最大反射峰逐漸向低頻移動,最大反射損耗明顯增強。其中70%磁粉質量填充比的復合材料在較薄的厚度下獲得了更強的微波反射損耗,且在較寬的頻段內都表現出優異的微波吸收特性。

2.3 微波吸收機理的分析

圖4為不同質量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的電磁參數隨頻率變化曲線。從圖4(a)中可以看到,在0.5～18 GHz范圍內,隨著磁粉質量填充量的增大,介電常數實部明顯增大,尤其填充比為70%時出現大幅的提升,這歸因于高頻變化電場下極化弛豫隨吸收劑有效含量的增加,極化作用隨之增強[8]。另外,從圖4(b)中可以看出,隨著質量填充的增加,介電常數虛部也明顯提升。這歸因于復合材料中吸收劑含量較高,樣品中導電性成分含量增加,材料的電導率增大[9],同時由于較高濃度的磁性顆粒在材料內部團聚造成內部組成之間連接程度增大,極化能力大幅增加,介電常數虛部隨之增大[8]。此外,隨著質量填充量的增大,介電常數虛部隨頻率變化曲線中逐漸出現弛豫峰,其中,磁粉填充比為70%的復合材料的ε″-f曲線中的弛豫峰最為明顯,表明該頻率范圍內存在非常強烈的介電極化弛豫作用。最可能的是,熱變形Sm-Fe-B磁粉內部的富Sm相與主相Sm2Fe14B之間由于電化學性能的不同,引發了界面極化弛豫的發生,隨著熱變形Sm-Fe-B磁粉填充量的提高,復合材料內部界面極化作用越來越明顯,從而導致了弛豫峰的強化。為了進一步直觀的評估不同質量填充量復合材料的介電損耗能力,繪制了tanδE-f曲線,如圖4(c)所示。從圖中可以看到與介電常數虛部相似的曲線變化趨勢,說明隨著質量填充量從30%提升到70%,介電損耗確實有大幅提高。

(a)復介電常數實部;(b)復介電常數虛部;(c)介電損耗;(d)復磁導率實部;(e)復磁導率虛部;(f)磁損耗圖4 不同質量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的電磁參數。

圖4(d-f)顯示了0.5～18 GHz范圍內,不同磁粉質量填充量的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的磁導率隨頻率變化曲線。由圖4(d)磁導率實部曲線即可看出,由于受到Snoek極限的限制,磁導率實部隨著頻率的增大而減小,并且隨著吸收體中磁粉填充量的提高,磁導率實部值呈現出微小的下降趨勢, 表明相應磁能儲存能力的下降。另一方面,如圖4(e)所示,所有樣品的磁導率虛部都出現共振峰,且隨著磁粉填充量的增加,共振峰越來越明顯,峰位也逐漸向高頻移動。根據Aharoni的理論[10],低頻段共振峰由自然共振引起,高頻段共振峰與熱變形磁粉內部納米晶粒之間作用的交換共振有關。另外,磁導率虛部的明顯增大說明了材料內部由于吸收劑含量的提高,磁損耗能力顯著提升。圖4(f) tanδμ-f曲線中也可看出與磁導率虛部相似的變化趨勢,隨著磁粉填充量的提高,tanδμ值也逐漸升高,表明相應磁損耗能力的提升。

阻抗匹配和衰減常數是影響電磁波有效吸收的關鍵因素。當阻抗匹配|Zin/Z0|等于或接近1.0時,大部分電磁波進入吸收體內部而不是在表面被反射出去。圖5為不同質量填充量的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的微波吸收特性曲線。在質量填充量較低,匹配厚度為1～6 mm時,并未出現完全損耗對應的反射損耗峰。由圖5(c)可以看出,當磁粉的質量填充比達到70%時,在6.8 GHz出現完全阻抗匹配 ,在2.83 mm的匹配厚度下,完全阻抗匹配頻率與最大反射損耗峰的頻率相對應。說明此時電磁波能最大程度的進入該吸收體內部。

圖5 不同質量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的微波吸收特性曲線

此外,衰減常數是評價入射電磁波耗散效果的另一個重要參數,可以用下式表示[11]:

(4)

圖6顯示了不同磁粉填充量的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的衰減常數α隨頻率變化曲線。所有樣品的α-f曲線中都出現了衰減峰,衰減峰對應的頻率與圖6(c)中的介電損耗峰相同,說明強烈的介電極化弛豫在電磁波衰減過程中發揮了重要的作用。另外,隨著質量填充量的增大,復合材料的α值也隨之增大,說明α值隨Sm-Fe-B磁粉含量的變化,符合有效介質理論。其中,磁粉含量為70%的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料擁有最大的衰減常數。由此說明,優異的衰減性能可以通過調節復合材料中Sm-Fe-B磁粉的含量來實現。

圖6 不同質量分數的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復合材料的衰減常數

3 結論

本文通過對不同質量填充比的熱變形Sm-Fe-B/石蠟復合材料的微波吸收性能及機理研究發現,相較于30%和50%的質量填充比,在石蠟中質量填充比為70%的熱變形Sm-Fe-B具有更優異的微波吸收性能。更易在較薄的涂層厚度下獲得較強的微波反射損耗并具有更寬的有效吸收帶寬,在厚度為2.83 mm時,在6.8 GHz下可獲得最大反射損耗達-55.49 dB,當樣品厚度為1.33 mm時,在15.7 GHz下最大反射損耗為-36.84 dB,且有效吸收頻寬(RL≤-10.0 dB)可達3.15 GHz。主要原因在于熱變形Sm-Fe-B質量濃度的增大可以有效增大復合材料中的界面極化作用、電導損耗、以及自然共振和交換共振作用,同時提升材料的介電損耗和磁損耗,增強復合材料對電磁波的衰減作用。