Bi系鈷氧化物與鐵氧體復(fù)合材料的吸波性能研究

倪江利，馮雙久，黃文娟，蘇 磊

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院 基礎(chǔ)部，安徽 合肥 230601；2.安徽大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230039）

Bi系鈷氧化物與鐵氧體復(fù)合材料的吸波性能研究

倪江利1，馮雙久2，黃文娟1，蘇 磊1

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院 基礎(chǔ)部，安徽 合肥 230601；2.安徽大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230039）

采用固相燒結(jié)工藝，制備了Bi2Sr2Co2Oy化合物，用Agilent8510c矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試在5~13GHz頻段內(nèi)的吸波性能，發(fā)現(xiàn)有較強(qiáng)的吸波性能。添加鐵氧體(10wt%、20wt%、30wt%、40wt%)并測(cè)試吸波性能，發(fā)現(xiàn)添加40wt%的鐵氧體，得到較好的吸波性能。

固相燒結(jié)；吸波性能；鐵氧體；復(fù)合材料

隨著高科技的發(fā)展，生活變得方便，但同時(shí)伴隨著電磁污染困擾著人們的生活，因此，良好的吸波材料誕生顯得越來越重要[1]。目前，吸波材料中主要還是以磁性材料為主，而鐵氧體是傳統(tǒng)的吸波材料，有著高磁導(dǎo)率、成本低、吸收強(qiáng)和頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但也存在密度大、高溫特性差的缺點(diǎn)。通過將Bi2Sr2Co2Oy化合物與鐵氧體復(fù)合，使電磁參數(shù)得到較好的匹配[2-3]，增強(qiáng)吸波性能。

Bi2Sr2Co2Oy化合物具有層狀結(jié)構(gòu)，存在強(qiáng)烈的各向異性，在正常的制備條件下都會(huì)是層狀晶粒，利用它的層狀結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電各向異性特性，使得微波吸收涂層中的材料顆粒形成取向分布[4]，單涂層材料可能會(huì)具有一定的多涂層材料的性質(zhì)，通過添加鐵氧體來調(diào)節(jié)復(fù)合材料中的電磁參數(shù)，改善復(fù)合材料的微波吸收性能[5-6]。

1 實(shí)驗(yàn)

采用固相反應(yīng)法，以分析純 Bi2O3、SrCO3和Co2O3為原料，按照1:2:1的物質(zhì)的量乘相對(duì)分子質(zhì)量配比，分別按照摩爾數(shù)乘相對(duì)分子質(zhì)量，將配好的原料放入瑪瑙研缽中充分研磨3小時(shí)使原料混合均勻，將磨好的原料裝入坩堝中進(jìn)行預(yù)燒，先加熱100 min，加熱到 200℃ ，再加熱 130 min到850℃，保溫360分鐘，最后自然冷卻到室溫。預(yù)燒后的樣品取出放入瑪瑙研缽中再進(jìn)行充分研磨3小時(shí)，主要是防止因?yàn)轭A(yù)燒時(shí)可能出現(xiàn)燒結(jié)或重結(jié)晶，充分研磨有利于再次反應(yīng)，預(yù)燒后的粉料再放入坩堝中，先100min加熱到200℃，170min加熱到850℃，保溫120分鐘，再加熱10min到880℃，保溫240分鐘，最后10分鐘降到850℃，保溫120分鐘，然后自然降溫到室溫。取出樣品再次放入研缽中，充分研磨到看不到光澤，研磨到比較細(xì)膩為止。制備出粉末狀的樣品與鐵氧體粉末 (10wt%、20wt%、30wt%、40wt%)在乳膠和酒精混合下，攪拌均勻，用超聲攪拌器振動(dòng)，制備出片狀的樣品，用乳膠粘在鋁板的一面，固化后將表面磨平。采用Agilent8510c矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量頻率范圍在5～13GHz的反射損耗隨頻率的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

鐵氧體是傳統(tǒng)的吸波材料，能產(chǎn)生介電損耗和磁滯損耗，具有良好的微波吸收[7]，通過與Bi2Sr2Co2Oy化合物復(fù)合，希望得到吸波性能比較好的復(fù)合材料。

下圖給出了Bi2Sr2Co2Oy化合物、鐵氧體和添加鐵氧體(10wt%、20wt%、30wt%、40wt%)的復(fù)合樣品，在測(cè)試頻率范圍為5～13GHz隨頻率變化吸波曲線。由圖可以看出：

（1）Bi2Sr2Co2Oy化合物，主吸收峰峰位在7.2GHz處，最大損耗量為-38.2dB，頻率在5.0GHz～8.0GHz的反射損耗<-5dB，尤其頻率在5.8GHz～7.5GHz，反射損耗為<-8dB。

（2）鐵氧體，主吸收峰峰位在11.4GHz處，最大損耗為-25.3dB，頻率在10.8GHz～12.3GHz反射損耗為<-5dB，在10.9GHz～12.0GHz吸收性能較好，反射損耗為<-8dB。

（3）添加10wt%和20wt%鐵氧體樣品，在測(cè)試范圍內(nèi)，吸波效果較差，幾乎無吸收。

（4）添加 30wt%鐵氧體，主吸收峰峰位在7.3GHz處，最大損耗為-14.1dB，頻率在6.9GHz～8.9GHz反射損耗為<-5dB，頻率在7.3GHz～7.8GHz反射損耗為<-8dB。

（5）添加 40wt%鐵氧體，主吸收峰峰位在11.2GHz處，最大損耗為-38.5dB，頻率在8.2GHz～13.0GHz反射損耗為<-5dB，頻率在 10.6GHz～12.7GHz反射損耗為<-8dB。

綜上所述，Bi2Sr2Co2Oy化合物在頻率為4.8GHz～8.0GHz處，出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收，而鐵氧體在此頻段的吸收比較弱，在頻率為 10.8GHz～12.3GHz范圍內(nèi)有著比較強(qiáng)的吸收，但帶寬比較窄。添加40wt%鐵氧體時(shí)，頻率在8.2GHz～13.0GHz范圍內(nèi)，吸波性能比較好，而且吸收帶寬相對(duì)較寬。

圖1 Bi2Sr2Co2Oy和不同鐵氧體含量的微波吸收曲線

表1 Bi2Sr2Co2Oy和不同鐵氧體含量的微波吸收特性參數(shù)

隨著鐵氧體復(fù)合比例的增大，鐵離子進(jìn)入Bi2Sr2Co2Oy層狀之間形成導(dǎo)電通路，使得介電常數(shù)的虛部增大，根據(jù)電損耗角正切tanδe=ε''/ε'來表示，其值越大，衰減能力越強(qiáng)。另外，在電磁波作用下,介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生極化,由于極化強(qiáng)度矢量落后于電場(chǎng)一個(gè)角度,導(dǎo)致與電場(chǎng)同向電流的產(chǎn)生,從而形成強(qiáng)大的渦流。渦流在導(dǎo)體內(nèi)部流動(dòng)時(shí)會(huì)釋放出大量的熱,因此渦流的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致部分入射電磁波能量的消耗[8]。Bi2Sr2Co2Oy中Co2+在室溫下具有大的正磁晶各向異性常數(shù)，而鐵氧體在室溫的磁晶各向異性常數(shù)是負(fù)值，當(dāng)添加的鐵氧體中的鐵離子取代鈷離子使得磁晶各向異性常數(shù)出現(xiàn)減少，導(dǎo)致了材料磁導(dǎo)率虛部逐漸增大，根據(jù)磁損耗角正切tan=來表示，其值越大，衰減能力越強(qiáng)。

由表看出，實(shí)驗(yàn)中選取的鐵氧體吸波性能較差， 帶寬比較窄， 當(dāng)添加 40wt%鐵氧體與Bi2Sr2Co2Oy化合物復(fù)合時(shí)，反射損耗為<-5dB帶寬為5.3GHz，吸收峰變強(qiáng)、變寬。

3 結(jié)論

微波吸收性能在添加40wt%鐵氧體時(shí)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸波性能，有效頻帶寬度比Bi2Sr2Co2Oy化合物更寬，而且向低頻處移動(dòng)，但還存在吸波特性分散、連續(xù)性差、集中在高頻處等缺點(diǎn)，與實(shí)際應(yīng)用存在一定距離，有待于進(jìn)一步解決。

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[責(zé)任編輯：桂傳友]

TM25

A

1674-1102(2014)06-0050-02

10.13420/j.cnki.jczu.2014.06.014

2014-07-07

安徽三聯(lián)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目資助（2013Z011）

倪江利(1983-),男,安徽長(zhǎng)豐人,安徽三聯(lián)學(xué)院基礎(chǔ)部講師,碩士,從事磁性材料和吸波材料研究;馮雙久(1965-),男,安徽池州人,安徽大學(xué)物理與材料學(xué)學(xué)院副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事磁性材料和吸波材料研究。