馮永寶，唐傳明，丘 泰

（南京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，南京210009）

隨著微波通訊和電子技術的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅嗽絹碓綇V泛的應用，同時也帶來了日益嚴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，結果發(fā)現(xiàn)：當x＝0.4時，在10.25GHz處，反射率達到最小值－8dB。Chen等[8］以SrFe12O19和ZnFe2O4的混合物為吸收劑，當SrFe12O19質(zhì)量分數(shù)達到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x＝2時，F(xiàn)eSiAl吸波材料在11.5GHz處，反射率達到－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，結果發(fā)現(xiàn)當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。

1 實驗過程

1.1 FeSiAl合金粉末與吸波材料的制備

以高純Fe，Si，Al粉為原料（純度＞99.9%，粒度＜300目），按質(zhì)量分數(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)量分數(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。

1.2 測試與表征

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)（復介電常數(shù)εr＝ε′－jε″和復磁導率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是吸波材料的復介電常數(shù)；μr是吸波材料的復磁導率；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。

2 結果與討論

2.1 物相分析

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，混合粉末的相結構發(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致粉體的晶粒變細以及晶格應力變大[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

2.2 微觀形貌

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率的影響，有望具有更大的磁導率。

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

2.3 磁滯回線

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。

2.4 電磁參數(shù)

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介電常數(shù)、復磁導率與頻率的關系曲線。復介電常數(shù)實部ε′反映的是介電能量的儲存，虛部ε′反應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電通道，因而電導率更大；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，其復磁導率能突破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介電常數(shù)與頻率的關系曲線（a）復介電常數(shù)實部ε′；（b）復介電常數(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磁導率與頻率的關系曲線（a）復磁導率實部μ′；（b）復磁導率虛部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率。片狀FeSiAl合金具有更高磁導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。

2.5 反射損耗

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，當厚度為1～3mm時，fm并不在所測的頻率范圍之內(nèi)；當厚度為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。當厚度為2mm時，最小RL和fm分別為－11.21dB和4GHz；當厚度為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，當厚度為5mm時，對應的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

3 結論

（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，可以應用于L和S波段。

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