鐵硅鋁合金吸波材料的制備及其性能控制

摘要：由于電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大量電子設(shè)備如手機(jī)、電腦等的工作頻率上升到了兆赫茲級(jí)，在為人民提供便利的同時(shí)，對(duì)人們的身體健康與環(huán)保等方面造成了不良影響。為了能夠處理電磁波造成的危害，世界各個(gè)國(guó)家投入了大量的人力、物力來(lái)開(kāi)展這一方面的研究工作，在此其中，利用吸波材料來(lái)限制電磁波的輻射與干擾，獲得了良好的效果。文章針對(duì)鐵硅鋁合金吸波材料的制備以及對(duì)其性能的控制開(kāi)展了相關(guān)研討。

關(guān)鍵詞：鐵硅鋁合金;吸波材料;制備;性能

文章主要將高純鐵硅鋁粉作為原料，使用機(jī)械合金化（MA）工藝制備出了鐵硅鋁合金粉。利用XRD與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對(duì)各種球磨次數(shù)下粉末的相組成和鐵硅鋁合金吸波材料在1—18GHz頻率中的電磁性能開(kāi)展了相關(guān)的研討。

一、試樣制備和實(shí)驗(yàn)方式

（一）試樣制備

在實(shí)驗(yàn)中采取鐵、硅、鋁三種粉末作為原料，其純度都高達(dá)99.5%以上，粒徑均為48μm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，把鐵粉、硅粉、鋁粉根據(jù)質(zhì)量比例85∶9.6∶5.4進(jìn)行配料以后，添加到100mm的不銹鋼球磨罐內(nèi)。不銹鋼球和粉末的質(zhì)量比例為20∶1，可對(duì)球磨罐進(jìn)行真空處理，填充氳氣進(jìn)行保護(hù)。合金化環(huán)節(jié)是在XQM22l型行星球磨機(jī)上開(kāi)展的，其公轉(zhuǎn)速度為225r·min-1，自轉(zhuǎn)速度為360r·min-1。在球磨的時(shí)候，間隔一段實(shí)際就去除少量粉末實(shí)行分析。在球磨進(jìn)行80h以后，把合金粉體與原始鐵粉根據(jù)自身體積分?jǐn)?shù)的43%和三元乙丙橡膠進(jìn)行均勻混合，制備出外徑為70mm、內(nèi)徑為3.04mm、厚度為3mm的同軸環(huán)形吸波材料樣品。

（二）試驗(yàn)方式

采用瑞士ARLXTRA x射線衍射儀（XRD）對(duì)粉末開(kāi)展了物相分析，參數(shù)是銅靶x射線，管電壓為40kV，管電流100mA;并且使用HP8722ET型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，按照透射/反射法對(duì)吸波材料的電磁的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，并且使用同軸反射法測(cè)試吸波性能，掃描頻率范圍都是1～18GHz。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與研討

（一）球磨機(jī)產(chǎn)品的物相組成

圖1 球磨各時(shí)間段鐵硅鋁粉體的X射線衍射譜

圖2 鐵（110）晶面衍射峰局部放大圖

根據(jù)（圖1）我們可以看出，在起初的10h中，鋁、硅的衍射峰快速減弱，并且伴隨球磨時(shí)間的增加，鋁、硅的衍射峰逐漸減弱并且消失。球磨持續(xù)40h以后，除去鐵的衍射峰外還具有極少硅的（111）、（620）晶面衍射峰以及鋁的（111）晶面衍射峰;當(dāng)球磨達(dá)到60h以后，鋁的衍射峰就消失不見(jiàn)，只存在少量的衍射峰;當(dāng)球磨的時(shí)間達(dá)到40h的時(shí)候，鋁、硅的衍射峰全部消失，只留下鐵的衍射峰。按照金屬性理論來(lái)講，當(dāng)溶質(zhì)和溶劑原子的直徑比例在0.85～1.15中間的時(shí)候，能夠有效幫助形成具備顯著固溶性的置換固溶體。電負(fù)性越小，固溶的形成越好。當(dāng)鐵、硅、鋁三元素的原子半徑在1.24、1.17、1.43nm時(shí)，其電負(fù)分別是1.8/1.8/1.5，所以，我們能夠認(rèn)為，硅、鋁衍射峰的消除主要原因是硅、鋁在融入鐵基體以后形成了置換固溶體。

根據(jù)（圖2）可知，球磨在達(dá)到80h以后，鐵的（110）衍射峰和原始鐵粉相比較明顯更寬。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是球磨環(huán)節(jié)中，晶粒越來(lái)越細(xì)化，研磨介質(zhì)對(duì)粉末的強(qiáng)烈沖擊造成了大量的晶格發(fā)生畸變，但是峰的位置沒(méi)有出現(xiàn)移動(dòng)，其主要是因硅鐵鋁原子半徑依次增大，在硅原子溶解到鐵晶格中的時(shí)候，鐵晶格會(huì)出現(xiàn)變形，晶格常數(shù)逐漸變小。然而在鋁原子滲入鐵晶格的時(shí)候，晶格的常數(shù)會(huì)越來(lái)越大，兩者綜合效果造成衍射峰沒(méi)有出現(xiàn)明顯偏移。

因?yàn)樵谶M(jìn)行球磨的時(shí)候，顆粒被磨球不斷碰撞和擠壓，變形、斷裂、焊接現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)，晶粒變形和細(xì)化，其表面加大，內(nèi)應(yīng)力與缺陷增多，結(jié)果表明，由于晶粒發(fā)育不完全，某些材料可能無(wú)法在衍射譜中顯示出來(lái)。為了明確合金化的完全性，可以把試樣放置在氫氣氣氛中開(kāi)展退火處理，在500℃下保溫2h。如（圖3）所示。通過(guò)圖表我們能夠看出，在500℃退火以后，XRD譜中沒(méi)有出現(xiàn)硅和鋁衍射峰，并且并未發(fā)現(xiàn)新的衍射峰。根據(jù)（圖1）可以看出，在球磨的整個(gè)過(guò)程中，并沒(méi)發(fā)生彌散的衍射峰，表示并未出現(xiàn)非晶相，所以能夠確定，鐵硅鋁混合粉末在達(dá)到球磨80h以后，硅、鋁的原子和鐵原子全部置換，并且逐步形成了合金化完全的鐵硅鋁合金粉。

圖3 鐵硅鋁合粉末球磨80h的X射線衍射譜

（二）鐵硅鋁合金的吸波性能和電磁參數(shù)

1.電磁參數(shù)

因?yàn)楹辖鸱鄄荒苤苯娱_(kāi)戰(zhàn)電磁性能測(cè)試，因此，往往是將它和膠粘結(jié)劑均勻混合制備成符合材料開(kāi)戰(zhàn)試驗(yàn)。根據(jù)（圖4）我們可知，和原始鐵粉末相比，鐵硅鋁合金粉末的介電常數(shù)實(shí)部與虛部均較小，其主要是因通過(guò)球磨，伴隨顆粒尺寸的減少與缺陷的加增加，電阻率相應(yīng)增大12，電阻率的增大造成介電常數(shù)的不斷減小。和原始鐵粉相比，合金粉的復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部μ′更高，主要是因合金粉末的磁滯系數(shù)與各向異性的降低造成了微波磁導(dǎo)率的增大。虛部的復(fù)磁導(dǎo)率μ″和實(shí)部的復(fù)磁導(dǎo)率μ′并不相同，原始鐵粉復(fù)合磁導(dǎo)率虛部μ′在低頻下明顯比合金粉更大。伴隨頻率的上漲，下降越快，在頻率增加到4.5GHz時(shí)，復(fù)磁導(dǎo)率虛部μ″比原始鐵粉更高。原因主要是在低頻時(shí)，原鐵粉的電導(dǎo)率較高，磁損耗通常是渦流損耗，故原鐵粉的μ″系數(shù)更大。伴隨頻率的增長(zhǎng)，磁耗損逐步改變成以磁滯損耗為主，因?yàn)楹辖鸱勰┰诖女犞械娜毕?，?dǎo)致磁滯損耗增大，所以，合金粉和原始鐵粉相比，復(fù)磁導(dǎo)率虛部μ″更高。和原始鐵粉相比較，通過(guò)球磨的合金粉，在1～18GHz頻率范圍中ε′“均值”減少了16%，ε″“均值”減少了62%，μ′的“均值”提高了27%，μ″的“均值”增加了3%;ε′和ε″的降低，μ′與μ″的提升能夠大大提升材料的吸波性能。

a 復(fù)介電常數(shù)εb 復(fù)磁導(dǎo)率μ

圖4 鐵硅鋁合金粉和原始鐵粉的電磁參數(shù)

2.吸波性能

相對(duì)滲透率（μr=μ′-jμ″）與相對(duì)介電常數(shù)（εr=ε′-jε″）是吸收材料性能的基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)材料的電磁參數(shù)儲(chǔ)存與損耗具有決定性，導(dǎo)致各種材料具有不一樣的電磁波吸收能力，并使用反射率來(lái)表示，反射率與吸收材料的厚度、滲透率和介電常數(shù)具有一定聯(lián)系。單層吸收材料的反射率通常為介電常數(shù)磁導(dǎo)率、頻率f以及厚度d的函數(shù)，其公式可以為：

上述公式中，Γ表示反射率;k表示傳播常數(shù);j表示常數(shù);z表示波阻抗;zo表示真空波阻抗，zo=120πΩ;μ0表示真空磁導(dǎo)率，ε0則表示介電常數(shù);其中d表示吸波層厚度。

根據(jù)以上公式（1）、（2）、（3）我們可知，經(jīng)過(guò)對(duì)吸波材料的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，能夠有效計(jì)算出吸波性能。在（圖4）中的電磁參數(shù)，計(jì)算了厚度為1、2、3mm的鐵硅鋁合金吸波材料的性能。根據(jù)（圖5）我們能夠得出，伴隨厚度的加多，吸收材料的最多的吸收峰從高頻慢慢走向低頻，吸收峰寬度逐漸變窄。在厚度為3mm時(shí)，最大吸收峰處于2.9GHz，反射率最低是15.8dB，10dB帶寬在2.5GHz至3.5GHz之間，展現(xiàn)了良好的低頻吸收性能，有望在低頻電子設(shè)備中進(jìn)行使用。結(jié)合理論計(jì)算的最優(yōu)值，對(duì)比了吸附劑體積分?jǐn)?shù)是43%的3mm厚鐵硅鋁合金粉末與原鐵粉末吸附劑的吸波性能。根據(jù)（圖5）我們能夠看出，合金粉與原始鐵粉進(jìn)行對(duì)比，其吸波性能得到了極大的提升，當(dāng)最大吸收峰在3GHz的時(shí)候，反射率最低為16dB，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值能夠形成一致。

圖5 鐵硅鋁合金粉和原始鐵粉吸波材料的反射率

三、結(jié)論

通過(guò)上述的實(shí)踐和研究，得出以下幾項(xiàng)結(jié)論：（1）將高純度的鐵硅鋁粉充當(dāng)原料，使用機(jī)械合金化的工藝制備了鐵硅鋁粉，其完全合金化時(shí)間是80h;（2）通過(guò)研究結(jié)果表明，80h合金化鐵硅鋁合金粉末的電磁參數(shù)和原有的鐵粉相比較更加優(yōu)異，在1～18GHz的頻率范圍重，和原鐵粉進(jìn)行對(duì)比，ε′和ε″的“均值”各減少了16%和62%，μ′的“均值”提高了27%，μ″的“均值”增加了3%;（3）當(dāng)鐵硅鋁合金吸波材料的體積分?jǐn)?shù)在43%，厚度為3mm的時(shí)候，在2～4GHz頻率中能夠擁有良好的吸波性能，但是在3GHz時(shí)其反射率最低是16dB。

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作者簡(jiǎn)介：楊馥羽（1988—），女，漢族，青海人，本科，副總經(jīng)理，研究方向：鋁合金。