趙立英，　劉平安

(1.佛山市康泰威新材料有限公司 廣東省超硬與電磁功能材料工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 廣東 佛山 528216； 2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣州 510640)

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球料比對羰基鐵粉片型化演變和電磁性能的影響

趙立英1，劉平安2

(1.佛山市康泰威新材料有限公司 廣東省超硬與電磁功能材料工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 廣東 佛山 528216； 2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣州 510640)

以無水乙醇為隔離劑，通過濕法球磨制備了片型羰基鐵粉，研究了球料比對片型化過程、電磁性能的影響。結(jié)果表明：增加球料比，羰基鐵粉片型化更充分，晶粒尺寸減?。涣Ｗ拥母飨虍愋蕴岣吡似汪驶F粉的微波電磁性能。以環(huán)氧樹脂為基體樹脂，填充體積分?jǐn)?shù)30%的吸波劑制備了1.0mm單層吸波涂層，在X-Ku波段反射率小于-7.5dB的帶寬大于10GHz，涂層最小面密度為2.96kg/m2。

球料比；片型；濕法球磨；羰基鐵粉；電磁參數(shù)

為提高軍事目標(biāo)在戰(zhàn)爭中的生存能力與武器的突防能力，應(yīng)用隱身技術(shù)成為我國國防發(fā)展的重要方向[1]。鐵磁金屬作為一種典型的磁損耗型微波吸收材料，具有成本低、比飽和磁化強(qiáng)度高和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。但各向同性的球形羰基鐵粉磁導(dǎo)率和介電常數(shù)低，涂層不能滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)和寬頻吸收的應(yīng)用要求。近年來，制備各向異性粒子和通過納米晶間交換耦合作用提高微波磁導(dǎo)率，以突破Snoke極限對球形顆粒共振和磁導(dǎo)率的理論限定，提高磁性材料的微波吸收性能是研究的熱點(diǎn)之一[6-11]。濕法球磨是一種粒料細(xì)化和扁平化處理的有效方法，通過粉末、介質(zhì)和器壁間的高頻撞擊，粒子因擠壓變形、斷裂和重復(fù)焊合。當(dāng)缺陷密度增加到一定程度時(shí)，晶粒被位錯(cuò)缺陷分割成亞晶粒產(chǎn)生納米晶。Raanaei等[12-16]用濕法球磨或機(jī)械化合金方法制備了納米晶微粉，研究了粒子結(jié)構(gòu)對電磁參數(shù)和微波吸收性能的影響。為了滿足航空飛行器對微波隱身涂層“薄、輕、寬、強(qiáng)”的應(yīng)用需求，本文作者以無水乙醇為隔離劑，通過濕法攪拌球磨制備了微米片型羰基鐵粉微波吸收劑，提高了羰基鐵粉的磁損耗和介電損耗，并制備出用于航空領(lǐng)域X-Ku波段的輕質(zhì)、寬頻微波吸收涂層。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)原料

羰基鐵粉，含鐵量≥97%，平均粒徑3μm，江西悅安超細(xì)金屬材料有限公司；無水乙醇，AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；環(huán)氧樹脂E-44，CP，岳陽化工廠；α,ω-對苯甲胺基聚乙二醇。通過將270g對羥基苯甲胺、100gNaOH和12g四丁基溴化胺在室溫下攪拌混合均勻后，加入437g氯代聚乙二醇升溫至60 ℃攪拌反應(yīng)48h，冷卻至室溫后加入600mL二氯甲烷進(jìn)行萃取，隨后減壓蒸餾除去溶劑得到[17]。

1.2樣品制備

在立式超細(xì)攪拌磨的不銹鋼磨罐(內(nèi)襯為氧化鋁，容積為7L)中，加入φ6mm的氧化鋯球和羰基鐵粉。用無水乙醇作為隔離劑(IA)，在氮?dú)鈼l件下以260rpm的轉(zhuǎn)速攪磨24h，過濾后80 ℃真空干燥。

1.3測試與表征

用掃描電子顯微鏡(SEM)測試羰基鐵粉微觀形貌；用X射線衍射儀測試羰基鐵粉晶體結(jié)構(gòu)，Cu靶Kα射線(λ=0.15406nm)；羰基鐵粉與石蠟按30%體積比混合均勻壓成同軸標(biāo)準(zhǔn)試樣，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其微波電磁性能。以環(huán)氧樹脂為基體，填充體積分?jǐn)?shù)30%的FCIP，涂覆到180mm×180mm×4mm的鋁板上制備厚度為1.0mm的單層微波吸收涂層。用反射率弓形法測試涂層在2～18GHz的微波反射率。

2　結(jié)果與分析

2.1球料比對羰基鐵形貌影響

圖1為球形羰基鐵和球料比為10：1,30：1和50：1時(shí)制備的片型羰基鐵SEM照片。

圖1　球形原材料和不同球料比研磨后的片型羰基鐵粉SEM圖(a)球形羰基鐵粉；(b)10：1；(c)30：1；(d)50：1Fig.1　SEM images of spherical-shaped raw material and flake-shaped carbonyl iron powders milled under different weight ratio of ball-to-powder(a) spherical-shaped carbonyl iron powders；(b)10：1；(c)30：1；(d)50：1

可以看出，球形羰基鐵粉的平均粒徑約為3μm。增加球料比，羰基鐵粉的厚度變小、長度增加，在隔離劑的作用下球形顆粒逐漸轉(zhuǎn)變成餅狀和薄片型粒子。球料比為30：1時(shí)，產(chǎn)物中仍有少量的球形羰基鐵粉夾雜。球料比為50：1時(shí)，磨球間粉末顆粒少，粉末、磨球和器壁撞擊幾率高，粉末粒子被重復(fù)地?cái)D壓、撞擊和磨平，有利于粒子扁平化；低球料比攪磨時(shí)，磨球間粉末較多，氧化鋯磨球與羰基鐵粉間的摩擦、碰撞和剪切等機(jī)械作用力不足。再加上冷焊影響，很難得到完善的薄片結(jié)構(gòu)，阻止了粒子的片型化進(jìn)程。不同球料比的樣品尺寸變化見表1。

2.2XRD分析

圖2為采用濕法球磨和不同球料比得到樣品的XRD圖譜。在45°，65°和83°處有三個(gè)不同強(qiáng)度的衍射峰，與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比確定其為α-Fe(PDF:060696)。可以看出，在攪磨片型化過程中羰基鐵粉晶粒沒有被氧化，晶體結(jié)構(gòu)也沒有改變。這是因?yàn)榱Ｗ?、磨球和器壁間由隔離劑形成了液體薄膜，降低了羰基鐵粉與磨球或器壁的接觸幾率和粒子新生表面的活性，減弱了粒子間的團(tuán)聚和冷焊、擠壓，有利于球形粒子扁平化[18]。增加球料比，產(chǎn)物晶粒尺寸逐漸變小。用謝樂公式可計(jì)算出，球料比為10：1，30：1和50：1時(shí)，樣品的平均晶粒尺寸分別為7.3，6.9和6.3nm。同時(shí)，當(dāng)晶粒尺寸小于20nm時(shí)，由于晶粒細(xì)化、磁疇旋轉(zhuǎn)和晶粒間強(qiáng)交換耦合的共同作用，可顯著提高片型羰基鐵粉的磁導(dǎo)率[19]。

表1　不同球料比樣品的尺寸Table 1　Samples dimension parameter of different weightratio of ball-to-powder

圖2　不同球料比樣品的XRD圖譜Fig.2　XRD patterns of samples milled under different weight ratio of ball-to-powder

2.3片型羰基鐵粉的微波電磁參數(shù)

圖3為球形羰基鐵粉和不同球料比制備樣品的微波電磁參數(shù)-頻率關(guān)系曲線。

圖3　微波電磁參數(shù)與頻率關(guān)系曲線(a)介電常數(shù)實(shí)部；(b)介電常數(shù)虛部；(c)介電損耗； (d)磁導(dǎo)率實(shí)部；(e)磁導(dǎo)率虛部；(f)磁損耗Fig.3　Curves of microwave electromagnetic parameter versus frequency(a)real of permittivity;(b)imaginary of permittivity; (c)dielectric loss;(d)real of permeability;(e)imaginary of permeability;(f)magnetic loss

從圖3(a)～(c)中可以看出，介電常數(shù)實(shí)部、虛部和介電損耗隨球料比和樣品長厚比增加而增大。這是因?yàn)槠土Ｗ痈捉佑|形成導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)，增加電子躍遷幾率；此外，片型羰基鐵粉各向異性提高了粒子表面的電子極化程度[20]。由3(d)～(f)可知，磁損耗也隨著球料比和粒子長厚比的增加明顯增大。磁導(dǎo)率的實(shí)部以頻率6GHz為支點(diǎn)，表現(xiàn)為典型的“蹺蹺板”現(xiàn)象；磁導(dǎo)率虛部峰值為6GHz，隨長厚比增加移向低頻，峰形更尖銳。這有利于制備出寬頻帶、強(qiáng)吸收的微波吸收材料。磁導(dǎo)率增加主要是晶粒細(xì)化、渦流損耗下降和片型粒子各向異性增強(qiáng)的協(xié)同作用。當(dāng)厚度小于趨膚深度時(shí)，磁導(dǎo)率明顯增加，磁損耗以自然共振為主；同時(shí)，隨著長厚比和比表面積的增加，表面大量的磁疇增強(qiáng)了磁導(dǎo)率和磁通量，在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)，晶粒間的交換耦合在磁化進(jìn)程中占主導(dǎo)作用。由于晶粒尺寸的下降，磁損耗峰值隨著球料比的增加移向低頻。

2.4微米片型羰基鐵粉的吸波性能

圖4為球形羰基鐵粉和不同球料比制備的微米片型鐵粉與環(huán)氧樹脂組成的微波吸收涂層的反射率-頻率曲線。可以看出，增加球料比和樣品長厚比，反射率曲線的峰值向低頻移動(dòng)，這表明微米片型鐵粉具有更好的低頻微波吸收特性。

圖4　微波吸收涂層反射損耗曲線Fig.4　Curves of reflection loss versus frequency for the microwave absorbing coatings

這是因?yàn)楦飨虍愋缘腇CIP具有低的愈滲閾值和高的比表面積，更有利于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)磁損耗和介電損耗，提高了磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的匹配性，拓展了有效帶寬[21]。通過提高吸波材料中吸收劑的含量雖然也會(huì)使最大吸收峰向低頻移動(dòng)，提高最大吸波效果，但并不能擴(kuò)展有效帶寬。在環(huán)氧樹脂基體中填充30%體積分?jǐn)?shù)的按球料比為50：1制備的FCIP吸波劑，得到1.0mm單層吸波涂層滿足X-Ku波段(8～18GHz)反射率小于-7.5dB的有效帶寬大于10GHz，在12.4GHz處損耗峰值達(dá)到-9.7dB，而且涂層最小面密度僅為2.96kg/m2。而同等條件下使用球形羰基鐵粉時(shí)涂層的面密度超過3.8kg/m2，涂層減重量為22%以上，有利于飛行器的減重，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

3　結(jié)論

(1)以無水乙醇為隔離劑，通過濕法球磨制備了微米片狀羰基鐵粉。增加球料比，片型羰基鐵粉的長厚比明顯增大、晶粒細(xì)化。尺寸的各向異性使羰基鐵粉的磁損耗、介電常數(shù)、介電損耗和磁導(dǎo)率虛部顯著增加，有利于制備寬頻帶、強(qiáng)吸收的微波吸收材料。

(2)在環(huán)氧樹脂基體中填充30%體積分?jǐn)?shù)的按球料比為50：1制備的FCIP吸波劑，得到1.0mm厚度的單層涂層，在X-Ku波段反射率小于-7.5dB的有效帶寬超過10GHz，損耗峰值為-9.7dB，而且涂層最小面密度僅為2.96kg/m2，在航空飛行器領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Influence of Weight Ratio of Ball-to-Powder on Flake-Shaped Process and Electromagnetic Properties of Carbonyl Iron Powders

ZHAOLiying1,LIUPingan2

(1.GuangdongTechnicalCenterforSuperhardandElectromagneticMaterialsResearching,FoshanKangtaiweiAdvancedMaterialCo.Ltd.,Foshan528216,GuangdongChina; 2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Theflake-shapedcarbonylironpowder(FCIP)waspreparedbywetballmillmethodwithethanolasisolationagent(0.1nm).Theinfluenceoftheratioofballtopowderontheflake-shapedprocessandelectromagneticparameterwasstudied.TheresultsshowthatthegrainsizeofFCIPgraduallyisdecreasedandtheanisotropyisincreasedsignificantlywiththeenhancingoftheratioofballtopowder.ThedielectriclossandmagneticlossmicrowaveperformanceareenhancedsignificantlyattributedtotheanisotropyoftheFCIP.Epoxyresinisappliedasbonders.Thesingle-layermicrowaveabsorbingcoatingwith1.0mminthicknessispreparedbyusingepoxyresinasamatrixandtheFCIPwiththevolumefractionof30%.Thelightestcoatingweights2.96kg/m2,whenitmeetstherequestofbandwidthmorethan10GHz,andthereflectivityislessthan-7.5dBatthefrequencyrangeof8-18GHz.

weightratioofball-to-powder;flake-shaped;wetballmill;carbonylironparticles;electromagneticparameter

2015-07-01；

2015-11-10

國防科工局軍品配套項(xiàng)目(JPPT-125-2-168)

趙立英(1978—)，男，博士，高級工程師，主要從事電磁功能材料研究，(E-mail)feiying99998888@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.1.010

O641;TB34

A

1005-5053(2016)01-0057-05