不同形貌羰基鐵的復(fù)合對(duì)電磁特性及吸波性能的影響

盧明明，劉甲，宮元?jiǎng)?，趙宏杰，曹茂盛

（1.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電磁輻射對(duì)環(huán)境和人類健康的影響日益嚴(yán)重，尤其是隨著高超聲速飛行器等武器裝備的發(fā)展，高性能、寬頻、強(qiáng)吸收的電磁衰減材料，包括低頻電磁衰減材料，急需研發(fā)。電子設(shè)備能夠產(chǎn)生熱輻射和釋放干擾電磁波，這將損害周邊電子元件的功能和壽命。理想的電磁衰減材料不僅僅能屏蔽掉電磁波，更能對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)吸收效果，從而維持周邊電磁環(huán)境的潔凈。低頻強(qiáng)吸收的吸波材料成為微波吸收領(lǐng)域中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

微波吸收材料主要有炭黑、碳化硅、石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯、鐵氧體、羰基鐵粉、羰基鎳粉、鐵硅鋁粉等[1-11]。羰基鐵作為一種傳統(tǒng)的超細(xì)金屬粉類吸收劑，在微波頻段具有磁導(dǎo)率較高、對(duì)雷達(dá)波能夠強(qiáng)烈吸收等優(yōu)點(diǎn)。卿玉長(zhǎng)等人[1]制備了羰基鐵/樹脂基涂層，結(jié)果表明，當(dāng)涂層厚度為2 mm時(shí)，最大反射率在5.12 GHz處達(dá)到-32.2 dB。景紅霞等人[2]為提高羰基鐵在低頻段下的吸波性能，采用化學(xué)氧化聚合法和物理共混法制備聚苯胺和羰基鐵-聚苯胺復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，在0.3～6 GHz，羰基鐵-聚苯胺復(fù)合材料的吸波性能較純羰基鐵有了很大提高，最大吸波性能為-39.1 dB。

值得注意的是，不同微觀形貌的羰基鐵具有不同的微波吸收性能，微觀形貌對(duì)電磁性能影響巨大。楊芾藜等人[12]對(duì)球狀和樹枝狀的羰基鐵粉進(jìn)行了電磁吸波性能研究，結(jié)果顯示，相比于球狀羰基鐵，樹枝狀羰基鐵的最大反射率損耗增加了 94%，達(dá)到-47.14 dB。片狀羰基鐵比表面積較大，同時(shí)具有高磁導(dǎo)率和高介電常數(shù)，導(dǎo)致填充羰基鐵粉進(jìn)行阻抗匹配時(shí)比較困難。在微波高頻段，片狀羰基鐵內(nèi)渦流損耗較大，抑制高頻電磁波的進(jìn)入，導(dǎo)致高頻吸波性能不夠理想。為了有效降低其介電常數(shù)，許多研究者對(duì)片狀羰基鐵進(jìn)行了改性處理，尤其是包覆處理手段研究較多[13-15]。李澤等人[13]采用溶膠凝膠法和高能球磨法制備了 BaTiO3表面改性羰基鐵的復(fù)合吸收劑，研究發(fā)現(xiàn)，通過 BaTiO3對(duì)羰基鐵表面改性，能夠調(diào)節(jié)介電常數(shù)，在3.2 GHz處，反射率達(dá)到-15.5 dB。韓錚等人[14]采用溶膠凝膠法在不同粒徑的羰基鐵粉表面包覆 TiO2薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，TiO2薄膜可以有效阻隔顆粒間渦流的形成，包覆層對(duì)1 μm粒徑的羰基鐵粉微波吸收性能有增強(qiáng)作用。但這些方法在降低介電常數(shù)的同時(shí)也降低了磁導(dǎo)率，增強(qiáng)效果并不好。

本文將球形羰基鐵與片狀羰基鐵混合制作復(fù)合材料。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)兩種羰基鐵的微觀形貌進(jìn)行分析；通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量5種不同質(zhì)量配比下（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）羰基鐵復(fù)合材料的電磁參數(shù)，并計(jì)算評(píng)價(jià)其吸波性能，探討球形羰基鐵對(duì)片狀羰基鐵介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的調(diào)節(jié)作用，以制備具有優(yōu)良電磁阻抗匹配的低頻復(fù)合吸波材料。

1 試驗(yàn)

1.1 羰基鐵復(fù)合材料試樣制備

將片狀羰基鐵粉和球形羰基鐵粉分別按照質(zhì)量配比 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3進(jìn)行混合，將混合好的復(fù)合粉體倒入裝有切片石蠟的玻璃杯內(nèi)，鐵粉質(zhì)量總含量為87%。將樣品加熱直至石蠟溶化，攪拌混合均勻后，加入模具中，制備同軸法測(cè)試用的小圓環(huán)試樣。該試樣外徑7.0 mm，內(nèi)徑3.0 mm，厚度2.0 mm。

1.2 性能表征

1）采用掃描電子顯微鏡對(duì)兩種羰基鐵的微觀形貌進(jìn)行分析。

2）采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量5種不同質(zhì)量配比下羰基鐵復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，根據(jù)傳輸線理論，計(jì)算反射率損耗值。

2 結(jié)果及分析

2.1 兩種羰基鐵粉的形貌分析

圖1是兩種不同微觀形貌的羰基鐵粉的SEM圖片。圖1a中的羰基鐵呈片狀，片狀尺寸范圍為1～8 μm，厚度為0.8 μm左右；圖1b中的羰基鐵呈現(xiàn)球形，顆粒直徑范圍為 1～5 μm。理論上，相比于球狀羰基鐵粉，片狀羰基鐵的形貌有利于形成不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，增加對(duì)入射微波的漫反射，還可以帶來更多的界面電荷極化，從而增強(qiáng)對(duì)電磁波的吸收強(qiáng)度[12]。

2.2 不同配比對(duì)羰基鐵復(fù)合材料電磁性能的影響

微波吸收材料指的是可以吸收或者衰減入射的電磁波，將入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉的一類功能材料。良好的微波吸收材料需要從以下兩個(gè)方面考慮：一方面需要使入射電磁波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部而不被反射，滿足阻抗匹配條件；另一方面，進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能夠最大程度地被材料轉(zhuǎn)化為熱能，即損耗特性。表征吸波性能最主要的參數(shù)是材料的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′和虛部ε″，及復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′和虛部μ″。理論上通過調(diào)節(jié)材料的電磁參數(shù)即可優(yōu)化材料的吸波性能。一般情況下，ε″和μ″越大，電損耗和磁損耗越大，更多的入射電磁波被衰減掉，材料吸波性能越好。但是吸波性能不僅僅受電磁損耗特性的影響，還需要考慮阻抗匹配條件。需要同時(shí)考慮減少電磁波在材料界面上的反射，即需要盡量同時(shí)具有良好的阻抗匹配和損耗特性。

圖2是不同配比的羰基鐵復(fù)合材料在0.3～18 GHz范圍內(nèi)的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。從圖2a和2b中可以看出，介電常數(shù)實(shí)部ε′和虛部ε″均隨頻率的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從圖2a中可以看出，隨著球形羰基鐵含量的增加，羰基鐵復(fù)合材料的ε′在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)逐漸下降。以頻率3 GHz處為例，ε′從46.8依次下降為 38.3、34.1、28.9、20.3。片狀羰基鐵和球形羰基鐵質(zhì)量配比為 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的復(fù)合材料的ε′在整個(gè)頻段的變化范圍依次為69.2～33.3、53.4～29.8、45.9～28.6、35.6～23.6、23.0～18.4。從圖2b可以看出，隨著球形羰基鐵含量的增加，羰基鐵復(fù)合材料的ε″在整個(gè)0.3～18 GHz范圍內(nèi)逐漸下降。以頻率3 GHz處為例，ε″從15.9依次下降為11.2、9.0、5.2、2.2。片狀羰基鐵和球形羰基鐵質(zhì)量配比為 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的復(fù)合材料的ε″，在整個(gè)頻段的變化范圍依次為33.0～13.9、19.8～9.5、16.4～7.4、8.7～3.9、3.4～2.2。

從圖2c中可以看出，磁導(dǎo)率實(shí)部μ′出現(xiàn)了頻散現(xiàn)象。隨著頻率的增加，不同配比的復(fù)合材料的μ′呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在0.3～4.5 GHz范圍內(nèi)，μ′隨著球形羰基鐵含量的增加而下降；在4.5～18 GHz范圍內(nèi)，μ′隨著球形羰基鐵含量的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。從圖2d中可以看出，磁導(dǎo)率虛部μ″隨著頻率的增加先升高后下降，呈現(xiàn)一個(gè)較大的磁損耗峰；隨著球形羰基鐵含量的增加，μ″在較低頻段下降明顯，在較高頻段呈現(xiàn)較弱下降趨勢(shì)。從圖2d中可以分析得出，μ″展示出一個(gè)明顯的損耗峰，隨著球形羰基鐵含量的升高，損耗峰對(duì)應(yīng)的頻率由低頻逐漸移向高頻。富含片狀羰基鐵的復(fù)合材料磁損耗峰偏向于低頻，而富含球形羰基鐵的復(fù)合材料磁損耗峰偏向于高頻。

圖3是不同配比的羰基鐵復(fù)合材料的介電損耗正切值 Tanδe和磁損耗正切值 Tanδu。從圖中可以看出，隨著球形羰基鐵含量的增加，介電損耗逐漸減弱，磁損耗也呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。隨著頻率的增加，介電損耗整體比較平穩(wěn)，磁損耗呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)。以頻率3 GHz處為例，隨著球形羰基鐵含量的增加，Tanδe從 0.34依次下降為 0.29、0.27、0.18、0.11，Tanδu從0.74依次下降為 0.63、0.57、0.54、0.52，磁損耗減弱幅度較小，保持較高磁損耗。

從圖2a和2c中可以看出，相比于復(fù)磁導(dǎo)率，羰基鐵復(fù)合材料明顯具有較高的復(fù)介電常數(shù)，這種高介電常數(shù)能夠提高材料對(duì)電磁波的電損耗性能，但不利于吸波材料的阻抗匹配。片狀羰基鐵和球形羰基鐵質(zhì)量配比為 3∶1時(shí)，復(fù)合材料的ε′在整個(gè)頻段的變化范圍為 69.2～33.3。增加球形羰基鐵含量，當(dāng)片狀羰基鐵和球形羰基鐵質(zhì)量配比為 1∶3時(shí)，復(fù)合材料的ε′在整個(gè)頻段的變化范圍下降為23.0～18.4。球形羰基鐵的加入，有效降低了羰基鐵復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)，這主要是因?yàn)槠瑺铘驶F粉的相對(duì)減少，導(dǎo)致片狀顆?？臻g電荷極化被弱化，渦流效應(yīng)減弱[12]。與此同時(shí)，隨著球形羰基鐵的加入，羰基鐵復(fù)合材料的復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部整體變化不大，虛部在低頻有少許下降，而在高頻變化不大。因此，羰基鐵復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率由于球形羰基鐵的引入而更為接近，阻抗匹配條件得到優(yōu)化。

2.3 不同配比對(duì)羰基鐵復(fù)合材料吸波性能的影響

微波吸收材料一般可以通過涂覆的方式附著在金屬材料表面。根據(jù)傳輸線原理，羰基鐵復(fù)合材料的反射率損耗（Reflection loss，縮寫RL）可以通過以下公式計(jì)算得到：

式（1）中，Z0表示真空阻抗，可以表示為(2)式。

式(2)中，μ0和ε0分別代表自由空間的復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)。Zin代表涂層與自由空間界面的歸一化輸入阻抗，可以表示為：

式(3)中，μr和εr分別代表吸波涂層的相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)，f代表電磁波頻率，d表示吸波涂層的厚度，c代表光速。

從公式(1)、(2)和(3)可以看出，微波吸收材料的阻抗值與自由空間的阻抗值越接近，反射率損耗越小。因此，要使得電磁波全部入射到吸波材料內(nèi)部，吸波材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率必須相等?，F(xiàn)實(shí)中，沒有任何一種材料能夠滿足這個(gè)條件，只能盡可能使兩者相匹配。

圖4是不同配比的羰基鐵復(fù)合材料的反射率損耗RL。從圖中可以看出，在厚度為2.0 mm時(shí)，隨著球形羰基鐵含量的增加，吸收峰往高頻移動(dòng)，頻點(diǎn)由1.98 GHz依次移動(dòng)至2.42、2.57、3.08、4.44 GHz，吸收峰強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱。片狀羰基鐵和球狀羰基鐵比例為1∶2時(shí)，羰基鐵復(fù)合材料在3.08GHz處最大吸波性能為-20.2 dB，在1～4 GHz范圍內(nèi)有效吸波帶寬（反射率損耗不大于-8 dB）達(dá)到2.43 GHz，比片狀羰基鐵和球狀羰基鐵比例為3:1時(shí)的有效吸波帶寬增大1.11 GHz。

3 結(jié)論

1）球形羰基鐵加入到片狀羰基鐵中可以有效降低材料的復(fù)介電常數(shù)，優(yōu)化阻抗匹配條件。

2）隨著球形羰基鐵含量的增加，復(fù)合材料吸收峰在1～4 GHz低頻范圍內(nèi)往高頻定向移動(dòng)，且在片狀羰基鐵和球狀羰基鐵質(zhì)量配比為1∶2時(shí)，羰基鐵復(fù)合材料在3.08 GHz處最大吸波性能達(dá)到-20.2 dB，在1～4 GHz范圍內(nèi)有效吸波帶寬（反射率損耗不大于-8 dB）達(dá)到2.43 GHz。結(jié)果表明，球形羰基鐵的加入可以有效增強(qiáng)吸波強(qiáng)度和擴(kuò)寬低頻吸波帶寬。

3）根據(jù)片狀羰基鐵和球狀羰基鐵配比對(duì)復(fù)合材料電磁參數(shù)和吸波性能的影響規(guī)律，可針對(duì)不同波段的吸波性能需求進(jìn)行吸波材料設(shè)計(jì)。