Y-Fe-Cr合金的微波吸收性能

潘順康，楊 濤，林培豪，劉方立，童敏敏，成麗春

(桂林電子科技大學(xué) 廣西信息材料重點實驗室，桂林 541004)

Y-Fe-Cr合金的微波吸收性能

潘順康，楊 濤，林培豪，劉方立，童敏敏，成麗春

(桂林電子科技大學(xué) 廣西信息材料重點實驗室，桂林 541004)

采用電弧熔煉法與高能球磨相結(jié)合的方法制備Y-Fe-Cr合金微粉，將制得的合金微粉放在真空石英管中在850 ℃下退火2 h，采用XRD和SEM對合金粉的相結(jié)構(gòu)及顆粒形貌進行分析，最后利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對合金粉末的吸波性能進行分析；并以Y11Fe86Cr3為例研究熱處理對Y-Fe-Cr合金微粉吸波性能的影響。結(jié)果表明：在吸波涂層厚度(d)為1.5 mm的條件下，YxFe97?xCr3(x=7，9，11，13，摩爾分數(shù)，%)合金微粉都具有較好的寬頻特性，在低頻端，Y9Fe88Cr3的吸波性能優(yōu)于其他合金的吸波性能，在7~18 GHz頻率范圍內(nèi)，Y7Fe90Cr3、Y11Fe86Cr3和Y13Fe84Cr3的反射率均小于?6 dB；在d為1.8 mm的條件下，在吸收峰附近，熱處理后合金的反射率較熱處理前的反射率得到明顯改善，熱處理前合金的吸收峰值為?10.5 dB左右，而熱處理后合金的吸收峰值達到?13.8 dB左右，而且小于?10 dB的帶寬達到5 GHz；在偏離吸收峰處，熱處理不但達不到改善合金吸波性能的目的，甚至使合金的吸波性能變差。

Y-Fe-Cr合金；吸波材料；電弧熔煉法；高能球磨

隨著現(xiàn)代雷達和微波電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使吸波材料在國防和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別是由于移動通訊和電子設(shè)備在日常生活中使用越來越廣泛，因此，研制在1~18 GHz頻段內(nèi)具有吸波性能好、厚度較薄、吸波頻帶寬、成本低廉的吸波材料已經(jīng)成為各國材料研究的熱點之一[1]。

傳統(tǒng)的吸波材料主要有鐵氧體型和磁性金屬(合金)微粉等[2]。由于鐵氧體在1~18 GHz 頻段下飽和磁化強度低，微波磁導(dǎo)率較小，吸波能力差，而且匹配厚度較厚(厘米級)，因此鐵氧體材料在該頻段的應(yīng)用受到很大局限[3]。而片狀軟磁金屬微粉由于居里溫度高，溫度穩(wěn)定性好，有較大的飽和磁化強度以及顆粒形狀效應(yīng), 在1~18 GHz 頻段下可同時獲得較高的復(fù)磁導(dǎo)率和較低的渦流損耗，匹配厚度較小(毫米級)，作為電磁波吸收劑具有很好的應(yīng)用前景。目前，軟磁合金微粉主要有Fe、Co、Ni及其合金微粉等[4]。

由于Fe基合金軟磁吸波材料吸波性能好，而且Fe的資源比較豐富，價格相對于Co和Ni都比較低廉，因此，F(xiàn)e基合金軟磁吸波材料的制備與性能分析成為研究的重點。為了進一步提高Fe基合金的吸波性能，人們正在探索向Fe及其合金中摻入一些元素來達到改善性能的目的。研究發(fā)現(xiàn)[5?6]，由片狀或針形顆粒構(gòu)成的材料的吸波性能優(yōu)于由球形顆粒構(gòu)成的材料，因此，向Fe基合金中加入Cr、Al等可增加材料的塑性，從而有利于進行扁平化處理，最終達到提高合金性能的目的。由于稀土元素具有磁矩，因此，稀土元素的適量添加有助于增大吸波材料的磁各向異性，從而有效改善其吸波特性。如Y、La、Ce、Nd、Dy、Sm和Tb等稀土元素的適量添加可以使鐵氧體、CoFe基薄膜等吸波材料的性能得到較大的改善[7?16]?？梢奀r和Y 的適量添加是提高Fe基材料吸波性能的有效途徑。本 文作者采用真空非自耗電弧熔煉與高能球磨相結(jié)合的方法制備Y-Fe-Cr合金粉末，利用XRD、SEM和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相結(jié)合對吸波合金微粉的微結(jié)構(gòu)及性能進行分析，研究YxFe97?xCr3(x=7，9，11,13，摩爾分數(shù)，%)的吸波特性以及退火處理對其吸波性能的影響，為此類吸波材料的運用提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗

以純度大于99.5%(質(zhì)量分數(shù))的Y、Fe和Cr金屬塊為原料，按照YxFe97?xCr3(x=7，9，11，13，摩爾分數(shù)，%)配比，放入WK-Ⅱ型非自耗真空電弧爐中，將電弧爐抽真空。當爐體內(nèi)真空度達到2×10?3Pa后充入高純氬氣，重復(fù)洗氣3次，最后，適當充入氬氣后開始熔煉。為了保證合金成分的均勻性，對樣品進行反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉3次。將熔煉好的合金放在石英玻璃管中真空密封，把密封好的合金樣品，放入爐子中在700 ℃溫度下退火14 d。將均勻熱處理14 d的樣品在700 ℃下直接放入冰水中淬火處理，將熱處理之后的樣品機械粉碎并放入不銹鋼球磨罐中，在氬氣的保護下，以球料質(zhì)量比為20：1、行星式球磨機以340 r/min的速度運行，經(jīng)60 h球磨后得到吸波合金微粉，將合金微粉分成兩部分。其中一部分在850 ℃溫度下退火2 h，另一部分不再進行熱處理。采用X射線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM) 對合金微粉的相結(jié)構(gòu)和微觀形貌進行觀察與分析。最后將YFeCr合金微粉與石蠟按體積比為80：20的比例混合制成內(nèi)徑為3 mm，外經(jīng)為7 mm，厚度為3.5 mm左右的同軸試樣，采用HP8722ES微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量試樣在2~18 GHz范圍內(nèi)的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，最后根據(jù)復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率計算出試樣的反射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡與X射線衍射分析

圖1所示為球磨60 h后 Y9Fe88Cr3合金微粉的SEM像。由圖1可以看出，樣品偏平化效果比較明顯，平均顆粒尺寸為5 μm左右。圖2所示為 Y9Fe88Cr3合金球磨60 h后所得到的微粉的XRD譜。從圖1可以看出，經(jīng)60 h球磨后，合金微粉主要由α-Fe相組成。

圖1 Y9Fe88Cr3合金球磨60 h后的SEM像Fig.1 SEM image of Y9Fe88Cr3alloy after being ball milled for 60 h

圖2 Y9Fe88Cr3合金球磨60 h后的XRD譜Fig.2 XRD pattern of Y9Fe88Cr3alloy after being ball milled for 60 h

2.2 合金的電磁特性及吸波性能

圖3所示為經(jīng)60 h球磨處理后各成分合金的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率隨頻率的變化曲線。從圖3可以看出：YxFe97?xCr3(x=7，9，11，13，摩爾分數(shù)，%)合金的ε與μ值在高頻端變化比較平緩，顯示出較好的寬帶特性。在低頻端，Y9Fe88Cr3合金的ε″和μ″明顯大于其它合金的，因此在該頻率段其吸波性能優(yōu)于其他合金在高頻端的，雖然Y9Fe88Cr3合金的ε″和μ″略大于其它合金的，由波阻抗匹配條件μ′?jμ″=ε′?jε″可以知道，由于其磁性能和介電性能失配程度明顯大于其它合金的，不利于電磁波最大限度地入射到介質(zhì)中而被吸收，因此，其吸波性能比其他合金的吸波性能差。

根據(jù)測試所獲得的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，運用微波反射率公式[5?6]計算出YxFe97?xCr3(x=7，9，11，13，摩爾分數(shù)，%)合金微粉在吸波涂層厚度d=1.5 mm下的反射率，以及計算出Y13Fe84Cr3合金微粉的反射率隨厚度d變化的規(guī)律，計算結(jié)果如圖4和5所示。

由圖4可以看出，在吸波材料厚度為d=1.5 mm條件下，YxFe97?xCr3合金微粉都具有較好的寬頻特性。在低頻端，Y9Fe88Cr3的吸波性能優(yōu)于其他合金的；在7~18 GHz頻率范圍內(nèi)，Y7Fe90Cr3、Y11Fe86Cr3和Y13Fe84Cr3的反射率均小于?6 dB。從圖5可以看出，Y13Fe84Cr3的反射率峰值隨厚度的增加而向低頻移動，當d=2.0 mm時，在7 GHz處反射率達到?13 dB。

2.3 熱處理對合金微粉吸波性能的影響

圖6所示為Y11Fe86Cr3合金微粉熱處理在前、后電磁參數(shù)隨頻率的變化曲線。由圖6可以看出：熱處理后，在10 GHz附近，Y11Fe86Cr3合金微粉的ε″值有所升高，而μ″值略有降低，兩值的相對變化有助于提高Y11Fe86Cr3合金微粉的磁性能和介電性能匹配，其吸波性能得到改善。在低頻端，熱處理后Y11Fe86Cr3合金微粉的ε″值和μ″值都減小，吸波性能變差。在高頻端，熱處理后Y11Fe86Cr3合金微粉的ε″值減小，而μ″值增大，其磁性能和介電性能失配程度進一步加大，吸波性能變差。

圖3 Y-Fe-Cr合金微粉的電磁參數(shù)Fig.3 Electromagnetic parameters of Y-Fe-Cr alloy powder: (a) Curves ofε′ vsf; (b) Curves ofε″vsf; (c) Curves ofμ′ vsf; (d) Curves ofμ″vsf

圖7所示為經(jīng)60 h球磨后得到的Y11Fe86Cr3合金微粉在熱處理前和850 ℃熱處理2 h后的XRD譜。由圖7可以看出，在熱處理前，合金微粉主要由α-Fe組成，而熱處理后，合金由多相組成。

圖4 Y-Fe-Cr合金微粉的反射率曲線Fig.4 Reflection curves of Y-Fe-Cr alloy powder

圖8所示為Y11Fe86Cr3合金微粉熱處理前、后的反射率曲線。由圖8可以看出，Y11Fe86Cr3合金微粉在吸波涂層厚度d=1.8 mm條件下，在吸收峰附近，熱處理后的反射率較熱處理前的反射率得到明顯改善，熱處理前的吸收峰值為?10.5 dB左右，而熱處理后的吸收峰值達到?13.8 dB左右，而且小于?10 dB的帶寬達到5 GHz。在偏離吸收峰處，熱處理不但達不到改善合金吸波性能的目的，甚至使合金吸波性能變差。

圖5 Y13Fe84Cr3合金微粉在不同吸波層厚度下的反射曲線Fig.5 Reflection curves of Y13Fe84Cr3alloy powder to microwave absorbers with different thicknesses

圖6 Y11Fe86Cr3合金微粉熱處理前、后的電磁參數(shù)Fig.6 Electromagnetic parameters of heat-treated and unheat-treated Y11Fe86Cr3alloy powders: (a) Curves ofε′ vsf; (b) Curves ofε″vsf; (c) Curves ofμ′ vsf; (d) Curves ofμ″vsf

圖7 Y11Fe86Cr3合金微粉熱處理前、后的XRD譜Fig.7 XRD patterns of heat-treated (a) and unheat-treated (b) Y11Fe86Cr3alloy powders

圖8 Y11Fe86Cr3合金微粉熱處理前、后的反射率曲線Fig.8 Reflection curves of heat-treated and unheat-treated Y11Fe86Cr3alloy powders

3 結(jié)論

1) 在吸波材料厚度d=1.5 mm條件下，YxFe97?xCr3(x=7，9，11,13，摩爾分數(shù)，%)合金微粉都具有較好的寬頻特性。在低頻端，Y9Fe88Cr3的吸波性能優(yōu)于其他合金的，在7~18 GHz頻率范圍內(nèi)，Y7Fe90Cr3、Y11Fe86Cr3和Y13Fe84Cr3的反射率均小于?6 dB。

2) 合金微粉反射率峰值隨厚度的增加而向低頻移動，對于Y13Fe84Cr3，當d=2.0 mm時，在7 GHz處反射率達到?13 dB。

3) 經(jīng)850 ℃熱處理2 h后，在吸波涂層厚度d=1.8mm條件下，在吸收峰附近，Y11Fe86Cr3微粉反射率較熱處理前的反射率有明顯改善，熱處理前的吸收峰值為?10.5 dB左右，而熱處理后的吸收峰值達到?13.8 dB左右，而且小于?10 dB的帶寬達到5 GHz。在偏離吸收峰處，熱處理不但達不到改善合金吸波性能的目的，甚至使合金吸波性能變差。

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(編輯 龍懷中)

Microwave absorption properties of Y-Fe-Cr alloy

PAN Shun-kang, YANG Tao, LIN Pei-hao, LIU Fang-li, TONG Min-min, CHENG Li-chun
(Guangxi Key Laboratory of Information Materials, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

The Y-Fe-Cr alloy powders were prepared by the arc melting method and high energy ball milling, then the powders prepared were sealed in evacuated quartz tubes for homogenization annealing at 1 123 K for 2 h. The phase structure and the microstructure of the alloys powders were analyzed by X-ray diffractometry and scanning electron microscopy, then their microwave absorbing properties were analyzed by vector network analyzer. And the effect of heat treatment on the powders by sample Y11Fe86Cr3was studied. The results show that the YxFe97?xCr3(x=7, 9, 11, 13, mole fraction, %) alloys powders have better wide-frequency characteristic under 1.5 mm of material thickness. At low frequency, the microwave absorbing properties of the Y9Fe88Cr3alloy are better than those of the others. The reflectivity of Y7Fe90Cr3, Y11Fe86Cr3or Y13Fe84Cr3is lower than ?6 dB at microwave ranging from 7 GHz to 18 GHz. The reflectivity obviously increases after heat treatment under 1.8 mm of material thickness; near the absorption peak, the least reflectivity turns from ?10.5 dB to ?13.8 dB, and the wide frequency of reflectivity under ?10 dB achieves 5 GHz. Nevertheless, the heat treatment can not increase but decrease the microwave absorbing property except the region near the least reflectivity peak.

Y-Fe-Cr alloy; microwave absorber; arc melting method; high energy ball milling

TM25

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(50961005)；廣西信息材料重點實驗室主任基金資助項目(桂科能0710908-12-Z)

2010-04-23；

2010-09-10

潘順康，副教授，博士；電話：0773-2291434；E-mail：skpan88@163.com

1004-0609(2010)10-2032-06