馮永寶,唐傳明,丘 泰
(南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京210009)
隨著微波通訊和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子產(chǎn)品在人們?nèi)粘I钪械玫搅嗽絹碓綇V泛的應(yīng)用,同時也帶來了日益嚴(yán)重的電磁干擾和電磁污染問題[1]。一般采用微波吸收材料(簡稱吸波材料)來把不需要的電磁波轉(zhuǎn)換為熱能或其他的形式而耗散掉,從而抑制電磁干擾并減小電磁污染所帶來的危害[1,2]。通常大多數(shù)的商業(yè)電子設(shè)備工作在低頻波段,如L波段(1~2GHz)和S波段(2~4GHz)[3]。目前,大多研究者關(guān)注的是吸波材料在8~18GHz頻率范圍內(nèi)的吸波性能[4-6],較少有研究者對吸波材料在1~4GHz低頻范圍內(nèi)的吸波性能進行研究。Li等[7]采用溶膠凝膠法和自蔓延燃燒法制備了SrLaxFe12-xO19(x=0~1.0)粉體,并以石蠟為基體,制備了微波吸收材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)x=0.4時,在10.25GHz處,反射率達(dá)到最小值-8dB。Chen等[8]以SrFe12O19和ZnFe2O4的混合物為吸收劑,當(dāng)SrFe12O19質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到85%時,吸波材料在8.7GHz處,最小反射率為-37dB。有研究表明:較高的磁導(dǎo)率和較低的介電常數(shù)有利于提高材料的吸波性能[9]。FeSiAl合金在某一組成點(Sendust合金成分)附近,磁晶各向異性和磁致伸縮系數(shù)均趨近于0,磁導(dǎo)率較高[10]。因此,F(xiàn)e85Si9.6Al5.4有望成為一種理想的吸收劑。目前,已有大量對FeSiAl吸波材料電磁性能以及吸波性能的研究:Zhou等[11]用Cr取代Si,制備了Fe85Si9.5-xAl5.5Crx(x=0~6)合金,當(dāng)x=2時,F(xiàn)eSiAl吸波材料在11.5GHz處,反射率達(dá)到-20dB;Sakai等[12]選擇顆粒粒徑為5μm 的Fe85Si10Al5合金作為吸收劑,以聚苯乙烯為基體,制備得到的FeSiAl吸波材料最大吸收峰處于30~40GHz范圍內(nèi);Zhang等[13]對市購的Fe84.4Si10Al5.6合金做不同扁平化程度的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金的縱橫比越來越大時,F(xiàn)eSiAl吸波材料的最大吸收峰逐漸往低頻移動。但是,對FeSiAl吸波材料的低頻性能研究仍較少。本工作旨在通過機械合金化一步法和兩步法工藝制備Fe85Si9.6Al5.4合金,并研究 FeSiAl/石蠟吸 波材料在0.5~5GHz低頻范圍內(nèi)的電磁和吸波性能。
以高純Fe,Si,Al粉為原料(純度>99.9%,粒度<300目),按質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe∶Si∶Al=85∶9.6∶5.4稱取各原料粉末;按照球料質(zhì)量比為40∶1稱取不銹鋼球。將各原料粉末與不銹鋼球一起置于不銹鋼球磨罐中,隨后密封球磨罐后對球磨罐先抽真空再充入氬氣,以保護粉末在球磨過程中不被空氣氧化。最后將球磨罐置于ZM-2-A型振動球磨機上以49Hz的振動頻率球磨130h后制得塊狀FeSiAl合金A,此過程稱為一步法制備工藝。在一步法制備得到FeSiAl合金之后,在球磨罐中再加入90mL無水乙醇,繼續(xù)球磨15h,而后采用過濾法去除無水乙醇并真空烘干粉末后得到FeSiAl合金B(yǎng),此過程稱為兩步法工藝。
將一步法和兩步法制備得到的合金粉末A和B分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%與切片石蠟(熔點范圍54~56℃)混合,經(jīng)70°C水浴加熱進一步混勻后干壓制成外徑7mm、內(nèi)徑3.04mm、厚3mm的吸波材料。
采用ARL X’TRA型X射線衍射儀(XRD,Cu靶,波長為0.1542nm)對合金化產(chǎn)物進行物相分析。采用JSM-5900掃描電鏡(SEM)觀察FeSiAl合金粉末的微觀形貌。采用Lakeshore 7307振動樣品磁強計(VSM)測量樣品的磁滯回線。采用HP8722ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)對微波吸收吸波材料在0.5~5GHz頻率范圍內(nèi)的電磁參數(shù)(復(fù)介電常數(shù)εr=ε′-jε″和復(fù)磁導(dǎo)率μr=μ′-jμ″)進行測量,并基于所測的電磁參數(shù),采用公式(1)和(2)來計算反射率 RL[14,15]:
式中:Zin是吸波材料的輸入阻抗;εr是吸波材料的復(fù)介電常數(shù);μr是吸波材料的復(fù)磁導(dǎo)率;d是吸波材料的厚度;c是光在真空中的傳播速率;f是頻率。
不同厚度下吸波材料的吸波帶寬根據(jù)公式(3)計算:
式中,fup和flow分別是RL≤-10dB最高和最低的頻率值。
圖1是原料混合粉末,一步法制備的FeSiAl合金以及兩步法制備的FeSiAl合金的X射線衍射譜。由圖1可見,原料混合粉末的XRD圖譜顯示了典型的單質(zhì)Fe,Si和Al的衍射峰。經(jīng)過一步法球磨后,混合粉末的相結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化:圖譜中Si和Al的衍射峰已經(jīng)完全消失,只剩下Fe的衍射峰,且在XRD圖譜中不存在漫散射峰,即在Fe85Si9.6Al5.4球磨過程中,沒有非晶相產(chǎn)生,從而形成無序bcc-Fe(Si,Al)固溶體。在一步球磨法工藝基礎(chǔ)上進行的兩步法球磨工藝對粉體相組成沒有明顯的影響。從圖1還可以看到,球磨產(chǎn)物的衍射峰的半高寬有所展寬,其原因可能是球磨導(dǎo)致粉體的晶粒變細(xì)以及晶格應(yīng)力變大[16]。
圖1 原料粉末以及球磨產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of raw powders and the milled powders
圖2是一步法和兩步法制備的FeSiAl合金的顯微照片。由圖2可見,采用一步法制備的FeSiAl合金粉末的形貌為不規(guī)則塊狀,顆粒表面粗糙,粒徑分布不均勻。而采用兩步法制備的FeSiAl合金粉末形貌為片狀,顆粒表面光滑,粒徑分布相對較均勻。所得到的片狀FeSiAl粉末與塊狀FeSiAl粉末相比,具有更大的縱橫比和形狀各向異性,更能克服渦流對合金磁導(dǎo)率的影響,有望具有更大的磁導(dǎo)率。
圖2 一步法(a)和兩步法(b)制備的FeSiAl粉末的SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM images of the FeSiAl alloys prepared by the one-step(a)and two-step(b)MA processes
圖3是一步法和兩步法制備的FeSiAl合金的磁滯回線。根據(jù)趨近飽和定律,計算了合金樣品的飽和磁化強度MS。塊狀FeSiAl合金的MS為151.2A·m2·kg-1,略高于片狀顆粒合金的149.9A·m2·kg-1,而矯頑力則幾乎相同,這表明兩種粉體具有相近的軟磁性能。
圖4和圖5描述的是一步法和兩步法制備的Fe-SiAl與石蠟制成吸波材料的復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線。復(fù)介電常數(shù)實部ε′反映的是介電能量的儲存,虛部ε′反應(yīng)的是介電能量的損耗。由圖4可見,在0.5~5GHz范圍內(nèi),一步法制備的FeSiAl合金吸波材料的ε′和ε″幾乎為常量,分別為11和0.1;而兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料的ε′在所測頻率范圍內(nèi)從36減小到29,ε′從6增加到10。整體而言,兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料與一步法制備的FeSiAl合金吸波材料相比,具有更高的介電儲存能量以及介電損耗。其原因可能是:與塊狀合金相比,片狀合金一方面表面積更大,在材料中更容易形成導(dǎo)電通道,因而電導(dǎo)率更大;另一方面表面更容易被電極化[17]。
式中,μr,fr,γ′和 Ms分別是初始磁導(dǎo)率,共振頻率,旋磁比和飽和磁化強度。然而,片狀合金由于具有較大的形狀各向異性,其復(fù)磁導(dǎo)率能突破Snoek’s極限的限制[18]:
圖4 一步法和兩步法制備的FeSiAl與石蠟制成吸波材料的復(fù)介電常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線(a)復(fù)介電常數(shù)實部ε′;(b)復(fù)介電常數(shù)虛部ε″Fig.4 The frequency dependences of complex permittivity for absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by one-step and two-step MA processes (a)real part of complex permittivityε′;(b)imaginary part of complex permittivityε″
圖5 一步法(a)和兩步法(b)制備的FeSiAl與石蠟制成吸波材料的復(fù)磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線(a)復(fù)磁導(dǎo)率實部μ′;(b)復(fù)磁導(dǎo)率虛部μ″Fig.5 The frequency dependences of complex permeability for absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by one-step and two-step MA processes (a)real part of complex permeabilityμ′;(b)imaginary part of complex permeabilityμ″
式中,Hea是平行于片狀表面的各向異性場,而Hha是垂直于片狀表面的各向異性場。對于片狀合金來說,Hha?Hea,因而能獲得更大的磁導(dǎo)率。片狀FeSiAl合金具有更高磁導(dǎo)率的另一個原因是渦流對它的影響更小,高頻下渦流對合金磁導(dǎo)率有很大的影響,而片狀合金,由于厚度低于其趨膚深度,因而受到渦流的影響較小,磁導(dǎo)率更大[19]。
圖6 一步法和兩步法制備的FeSiAl與石蠟制成吸波材料的介電損耗和磁損耗與頻率的關(guān)系 (a)介電損耗;(b)磁損耗Fig.6 The frequency dependences of dielectric and magnetic losses for absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by one-step and two-step MA processes (a)dielectric loss;(b)magnetic loss
圖6是一步法制備的FeSiAl合金吸波材料和兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料的介電損耗角正切tanδε(ε″/ε′)和磁損耗角正切tanδμ(μ″/μ′)。由圖6可見,在0.5~5GHz范圍內(nèi),一步法制備的FeSiAl合金吸波材料的tanδε幾乎為0,tanδμ從0.2增加至0.4。這表明塊狀FeSiAl合金的介電損耗相對磁損耗幾乎可以忽略不計,主要是靠磁損耗機制吸收電磁波。同時,兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料的tanδε從0.18增加至0.35,tanδμ從0.21增加至0.46。這表明對片狀FeSiAl合金而言,介電損耗和磁損耗兩種機制共同作用于電磁波的吸收。
圖7是計算得到的一步法制備的FeSiAl合金吸波材料和兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料在不同厚度下(1~5mm)的反射率RL曲線。由圖7可見,吸波材料的厚度對吸波性能有很大的影響:隨著厚度的增加,反射率降低,且匹配頻率fm逐漸往低頻移動。匹配頻率和厚度的關(guān)系由公式(6)表示[20]:
式中:dm是吸波材料的厚度;fm是吸波材料的匹配頻率;c是真空中光的速率;公式(6)同時也表明可以通過調(diào)整吸波材料的厚度來改變其吸波性能。
圖7 一步法(a)和兩步法(b)制備的FeSiAl與石蠟制成吸波材料的反射損耗與頻率的關(guān)系Fig.7 The frequency dependences of reflection losses for absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by one-step(a)and two-step(b)MA processes
一步法和兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料在不同厚度下的最小反射率RL、匹配頻率fm和RL<-10dB的帶寬見表1和表2。從表1和表2可見,在0.5~5GHz范圍內(nèi),對一步法制備的FeSiAl合金吸波材料而言,當(dāng)厚度為1~3mm時,fm并不在所測的頻率范圍之內(nèi);當(dāng)厚度為4mm和5mm時,吸波性能并不理想,最小RL分別為-12.41dB和-11.39dB。而兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料僅在1mm時,其吸波性能較差。當(dāng)厚度超過1mm時,匹配頻率均介于0.5~5GHz范圍內(nèi),低頻吸波性能顯著提高。當(dāng)厚度為2mm時,最小RL和fm分別為-11.21dB和4GHz;當(dāng)厚度為5mm時,最小RL和fm分別為-30.97dB和1.47GHz。同時,厚度在2~5mm之間變化時,其最小反射率頻率在1.47~4.00GHz范圍內(nèi)移動,對電磁波也均可實現(xiàn)有效吸收。
表1 一步法制備的FeSiAl合金吸波材料的最小反射率,反射峰頻率和有效帶寬Table 1 Minimum RL,peak frequency and effective bandwidth of absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by one-step MA process
表2 兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料的最小反射率,反射峰頻率和有效頻寬Table 2 Minimum RL,peak frequency and effective bandwidth of absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by two-step MA process
作為理想的吸波材料,其輸入阻抗Zin應(yīng)盡量接近1以保證絕大多數(shù)電磁波能進入材料內(nèi)部被吸收損耗掉,為此計算了兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料在λ/4厚度處的Zin以及RL曲線(見圖8)。由圖8可見,當(dāng)厚度為5mm時,對應(yīng)的Zin值為0.98,已經(jīng)非常接近Zin的理想值,阻抗匹配十分優(yōu)異。整體而言,兩步法制備的FeSiAl合金吸波材料在低頻段(1~4GHz)具有優(yōu)良的吸波性能,有望應(yīng)用于L和S波段。
圖8 在λ/4厚度處兩步法制備的FeSiAl吸波材料輸入阻抗、反射損耗與頻率的關(guān)系Fig.8 The frequency dependences of the input impendence(Zin)and reflection losses(RL)for absorbers filled with FeSiAl alloys prepared by the two-step MA process at the thickness ofλ/4
(1)采用機械合金化一步法和兩步法分別制備了塊狀和片狀bcc-Fe(Si,Al)合金。兩種形貌的FeSiAl合金具有相近的物相組成,比飽和磁化強度和矯頑力。
(2)與以一步法制備的塊狀FeSiAl合金為吸收劑的吸波材料相比,以兩步法制備的片狀FeSiAl合金為吸收劑的吸波材料具有更大的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,且在1~4GHz范圍內(nèi)吸波性能更加優(yōu)異。通過改變厚度可以調(diào)整吸波材料最小反射率和匹配頻率,當(dāng)厚度為5mm時,片狀FeSiAl吸波材料輸入阻抗為0.98,最小反射率和匹配頻率分別為-30.97dB和1.47GHz,RL<-10dB的帶寬為0.48GHz,可以應(yīng)用于L和S波段。
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