摘 要：采用電弧法在氫/氬混合氣氛中制備了FeCoNi中熵合金粉體，將其作為電磁波吸收劑，按照5wt%、10wt%、15wt%三種質(zhì)量分?jǐn)?shù)填充于石蠟基體中，并在2～18 GHz頻段內(nèi)測(cè)定了復(fù)合吸波材料的電磁參數(shù)，對(duì)其電磁損耗機(jī)制與吸波性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)eCoNi/石蠟復(fù)合材料存在兩種明顯的介電極化機(jī)制，包括異質(zhì)原子固溶后形成的偶極子極化與局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電導(dǎo)損耗。磁損耗主要由自然共振主導(dǎo)。當(dāng)填充量為15wt%時(shí)，最優(yōu)反射損耗在1.6 mm厚度下可達(dá)-18.3 dB，而有效吸收頻寬可達(dá)3.3 GHz。

關(guān)鍵詞：電弧法；FeCoNi；吸波性能

中圖分類號(hào)：TB33 ""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ""文章編號(hào)：1673-1794（2024）02-0012-04

作者簡(jiǎn)介：宋健，劉睿，丁佳旗，徐浩東，滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院學(xué)生；周遠(yuǎn)良，滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院教師；江錫順，滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院教授（安徽 滁州 239000）。

基金項(xiàng)目：滁州學(xué)院開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（kfsy2230）；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目“鐵磁合金/碳核殼納米膠囊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控與吸波機(jī)制研究”（2022AH051090）

收稿日期：2023-10-22

隨著社會(huì)文明步入5G/6G時(shí)代，信息傳輸日趨高頻化、集成化發(fā)展，精密電子電路中電磁干擾現(xiàn)象日益突出[1-3]。值得注意的是，當(dāng)電磁波強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值以后，不僅會(huì)對(duì)元器件的正常工作造成干擾，而且可能會(huì)引發(fā)一些對(duì)人體不可預(yù)知的影響，探索高效電磁吸波材料是解決上述問題的最有效手段[4-5]。傳統(tǒng)電磁波吸收材料主要是鐵氧體以及磁性金屬材料，但過渡金屬易氧化腐蝕，特別是在微、納尺度上，伴隨服役時(shí)間的延長(zhǎng)，電磁波損耗效能日益減弱甚至失效，而合金化途徑可提升吸波材料的抗氧化能力[6]。

作為一種室溫鐵磁合金，等原子比FeCoNi的飽和磁化強(qiáng)度高達(dá)1.315 T，矯頑力約為1069 A/m，居里溫度約為1040±20 K，并且具有較高的熱穩(wěn)定性和耐氧化腐蝕性能[7-8]。優(yōu)異的軟磁特性使FeCoNi合金可應(yīng)用于電磁波吸收領(lǐng)域。Peng與Deng等研究表明FeCoNi微米粉體的微波磁損耗主要受其成分與片狀尺寸的影響[6，9]。然而，目前對(duì)納米尺度FeCoNi中熵合金的吸波性能研究較少。文章擬采用直流電弧法制備FeCoNi納米粉體，研究其微觀結(jié)構(gòu)與微波頻段的電磁損耗特性之間的構(gòu)效關(guān)系，為開發(fā)新型高效能軟磁吸波材料提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料與儀器

主要原料：純度99.99%的Fe、Co、Ni微米粉體（粒徑50μm），高純氫氣與氬氣（純度99.999%）。主要測(cè)試設(shè)備：X射線物相分析儀（XRD；Shimadzu X-6000，日本），透射電子顯微鏡（TEM；JEM-2010F，日本），掃描電子顯微鏡（SEM；NOVA450，美國(guó)），矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（PNA；N5230A，美國(guó)）。

1.2 FeCoNi中熵合金的制備

將Fe、Co、Ni三種微米粉體按照質(zhì)量配比8∶1∶1裝入真空球磨鋼罐中，鋼珠與混合粉體的質(zhì)量比為10∶1。采取間歇球磨方式，機(jī)械球磨8 h后停機(jī)，待冷卻后取出混合粉體并壓制成塊狀胚料。隨后，采用直流電弧法制備FeCoNi中熵合金粉體。先將電弧爐腔室抽至真空度lt;10-3 Pa，并充入氫氣（0.04 Mpa）、氬氣（0.02 Mpa）混合氣體。球磨后的復(fù)合胚料塊體作為電弧的陽極靶材，金屬鎢棒作為放電的陰極材料。點(diǎn)接觸引弧后，保持陰、陽兩電極間距約2 mm，電弧蒸發(fā)30分鐘后，關(guān)閉電弧電源，合金粉體在電弧爐腔內(nèi)靜置沉積6小時(shí)后收集備用。

1.3 FeCoNi的性能與表征

分別采用X射線衍射儀（XRD-6000）、透射電子顯微鏡（JEM-2010F）以及掃描電子顯微鏡（NOVA450）對(duì)樣品的物相組成與微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（N5230A）測(cè)定同軸樣品的電磁參數(shù)，分析吸波性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 FeCoNi中熵合金的形貌分析

本研究采用電弧法制備的納米粉體微觀形貌如圖1（a）、1（b）所示，從SEM與低倍TEM圖中可發(fā)現(xiàn)納米粉體呈現(xiàn)不規(guī)則球狀，粉體粒徑主要分布于20～60 nm范圍內(nèi)。采用電弧法制備的Fe、Sn、Ag等材料也呈現(xiàn)出這種粒徑分布較寬的現(xiàn)象[10-12]。這主要是由于Ar/H+高能等離子體蒸發(fā)塊體胚料期間，等離子弧區(qū)至真空腔內(nèi)壁所構(gòu)成的溫度梯度導(dǎo)致各粉體粒子的冷凝環(huán)境有所差異[13]?？赏ㄟ^優(yōu)化冷卻條件，如沉積基臺(tái)內(nèi)腔加注液氮調(diào)控粒子的粒徑分布。此外，因納米尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的較高表面能以及鐵磁吸引，從圖中可觀察到粒子間因團(tuán)聚出現(xiàn)輪廓相對(duì)模糊現(xiàn)象。圖1（c）是單一粒子的高分辨TEM照片，可以清晰觀察到晶格條紋，經(jīng)反傅里葉變換可知，晶格間距為0.208 nm，與α-Fe（111）晶面間距接近[14]。通過圖1（d）的EDS元素分布圖可發(fā)現(xiàn)，每個(gè)粒子中均含有Fe、Co、Ni三種元素。結(jié)合下文XRD圖譜未出現(xiàn)分裂衍射峰的表征結(jié)果，可判定本研究實(shí)驗(yàn)中合成的是以主元素α-Fe為晶格點(diǎn)陣，固溶Co、Ni元素的FeCoNi中熵合金。

2.2 FeCoNi中熵合金的物相分析

圖2是FeCoNi中熵合金的X射線衍射圖，在2θ=43.5°、51.2°、78.3°可觀察到三個(gè)晶體衍射峰，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣卡片發(fā)現(xiàn)，與單質(zhì)α-Fe（JCPDS #87-0721）物相的（111）、（200）、（220）三個(gè)晶面對(duì)應(yīng)[14]。主衍射峰強(qiáng)而尖銳，未發(fā)現(xiàn)其他物相的衍射峰。此外，三個(gè)物相峰都是未出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象的單衍射峰，證實(shí)了合成的粉體不是Fe、Co、Ni三種元素的機(jī)械混合物，而是晶格常數(shù)接α-Fe，晶化程度較高的FeCoNi中熵合金。依據(jù)Scherrer公式：D=0. 9λ/（bcosθ）[15]，其中b為半高寬，λ是X射線的波長(zhǎng)，取值0.154nm，進(jìn)一步確定納米粉體的平均粒徑D。對(duì)三個(gè)衍射峰進(jìn)行數(shù)值擬合可知，合成的FeCoNi中熵合金平均粒徑大小約為48.6nm。

2.3 FeCoNi中熵合金的電磁參數(shù)分析

室溫條件下，F(xiàn)eCoNi/石蠟復(fù)合材料的介電常數(shù)如圖3（a）和3（b）所示，隨著合金粉體填充量的提升，介電常數(shù)實(shí)部和虛部數(shù)值均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。如FeCoNi含量為5 wt%時(shí)，測(cè)試頻段內(nèi)介電實(shí)部與虛部分別為～5.8和0.2～0.36，而填充量增高至15 wt%時(shí)，兩者分別提高到13.4～17.2和1.28～1.66。一般來說，介電實(shí)部表征材料對(duì)電磁波的極化能力，而虛部則體現(xiàn)材料的電磁損耗能力[16]。由前文的XRD結(jié)果知，F(xiàn)eCoNi是典型的體心立方固溶體，Co與Ni的原子半徑相接近，尺寸均小于Fe原子。填充含量的增大，Co/Ni原子空間上置換Fe原子后導(dǎo)致的點(diǎn)陣晶格畸變進(jìn)一步加劇，在交變電磁場(chǎng)激勵(lì)下，電偶極子來回振動(dòng)，偶極子極化能力增強(qiáng)。其次，F(xiàn)eCoNi含量的增加，石蠟基體中將構(gòu)建更多的局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提升整體的電導(dǎo)損耗能力。圖3（c）和3（d）分別是FeCoNi/石蠟復(fù)合材料的復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部、虛部與頻率的關(guān)系圖。隨著FeCoNi合金粉體含量的提升，磁導(dǎo)率實(shí)部與虛部數(shù)值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)?？紤]到石蠟基體是典型的抗磁材料僅起到粘接作用，磁響應(yīng)來源于磁性FeCoNi合金。當(dāng)填充量?jī)H為5 wt%時(shí)，測(cè)試頻段內(nèi)磁導(dǎo)率常數(shù)變化較小，磁響應(yīng)能力較弱。隨FeCoNi含量的提升，復(fù)合材料整體的磁化強(qiáng)度增強(qiáng)，復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部、虛部隨之呈增大趨勢(shì)。值得注意的是，復(fù)磁導(dǎo)率圖譜中出現(xiàn)多重共振峰，如含量為15 wt%， 磁導(dǎo)率實(shí)部在3.78 GHz、8.82 GHz、13.67 GHz以及虛部在5.24 GHz、9.19 GHz、14.22 GHz等頻率處都發(fā)生了明顯的磁共振。這種動(dòng)態(tài)磁共振現(xiàn)象主要與合金粒子的尺寸、表面氧化物、殘余內(nèi)應(yīng)力以及磁性自旋狀態(tài)有關(guān)[17]。

2.4 FeCoNi中熵合金的吸波性能

為深入探究不同填充含量FeCoNi/石蠟復(fù)合材料的電磁波吸收性能，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的電磁參數(shù)以及傳輸線原理公式（1）和（2）[18]，分別計(jì)算了不同尺寸厚度，三種FeCoNi填充量的復(fù)合材料的反射損耗。

Zin=μrεrtanhj2πfcμrεrd（1）

R（dB）=－20Zin－1Zin+1（2）

公式中Zin、c以及d分別代表歸一化輸入阻抗、真空光速與復(fù)合材料的厚度。一般而言，反射損耗值低于-10 dB代表90%入射電磁波可被材料所吸收[18]。如圖4所示，當(dāng)FeCoNi填充量為5 wt%、10 wt%時(shí)，最小反射損耗值在1.0至2.6 mm厚度范圍內(nèi)均高于-10 dB，有效頻寬為0 GHz。當(dāng)填充量提高至15wt%，復(fù)合吸波體在厚度為1.6 mm，頻率為11.2GHz時(shí)，最小反射損耗達(dá)可達(dá)-18.3 dB。有效吸收頻寬在厚度值為1.2 mm時(shí)達(dá)到3.3 GHz （12.2～15.5GHz）。Cole-Cole圖譜可進(jìn)一步解析FeCoNi電磁波吸收性能的介電極化機(jī)制[19]。如圖5（a）～（c）所示，不同填充量的FeCoNi/石蠟復(fù)合材料均呈現(xiàn)兩段圓弧，表明極化機(jī)制與填充量關(guān)系較弱，主要取決于FeCoNi自身的兩種介電極化機(jī)制。除了介電極化，磁損耗對(duì)整體吸波性能也至關(guān)重要。磁損耗主要包括渦流損耗和自然共振，如果吸波體的磁損耗僅由渦流損耗引起，則C0 =μ″（μ′）-2f-1是常數(shù)，與頻率無關(guān)[20]。從圖5（d）～（f）可以發(fā)現(xiàn)，不同F(xiàn)eCoNi含量吸波體的C0均隨頻率不斷變化，表明FeCoNi/石蠟復(fù)合材料磁損耗主要由低頻自然共振主導(dǎo)。

3 結(jié)論

（1）XRD分析表明采用電弧法合成FeCoNi中熵合金粉體純凈，無機(jī)械混合物，合金粉體平均粒徑約為48.6 nm。

（2）SEM、TEM測(cè)試分析表明FeCoNi合金粉體微觀形貌呈不規(guī)則球狀，粒徑主要分布在20～60 nm范圍內(nèi)，并伴隨一定程度的團(tuán)聚。

（3）吸波性能測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)eCoNi填充量較低時(shí)（5 wt%、10 wt%），吸波體的電磁損耗能力較弱。當(dāng)填充量為15wt%時(shí)，最小反射損耗在1.6mm時(shí)可達(dá)-18.3 dB，而有效吸收頻寬可達(dá)3.3 GHz。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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責(zé)任編輯：陳星宇