Fe85Si9.6Al5.4合金的制備、表征及其低頻吸波性能

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(jìn)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(jī)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?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(hù)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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。

2 結(jié)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(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(jìn)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

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(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

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(qiáng)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(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(qiáng)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(jī)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(jī)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(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(jìn)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

3 結(jié)論

（1）采用機(jī)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(qiáng)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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