Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4合金粉體的電子結(jié)構(gòu)及吸波性能

張 煜，周廷棟，杜 浩（. 西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 60039；2. 電子科技大學(xué) 國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心，成都 60054）

Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4合金粉體的電子結(jié)構(gòu)及吸波性能

張 煜1， 2，周廷棟1，杜 浩1
（1. 西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610039；
2. 電子科技大學(xué) 國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心，成都 610054）

以不同含量的Ti原子取代FeSiAl合金中的Al原子，采用機械合金化方法，制備Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4合金粉體。結(jié)合固體與分子經(jīng)驗電子理論，計算4種合金粉體的電子結(jié)構(gòu)的變化，并測試粉體的形貌、物相和電磁參數(shù)，計算電磁波反射損耗率。結(jié)果表明：Ti原子的加入可以細化晶粒，主要增加（111）方向上的共價電子對數(shù)，Ti取代量為0.66時，具有理想的吸波性能。

FeSiAlTi合金； EET理論；電磁參數(shù)；反射損耗；機械合金化

現(xiàn)如今各種電子產(chǎn)品的廣泛使用帶來了嚴(yán)重的電磁干擾，因此，人們通過不斷開發(fā)新的性能優(yōu)良的吸波材料來解決這個問題。目前，作為吸波材料所使用的吸收劑主要有鐵氧體系列、金屬粉體、多晶鐵纖維等幾大類。其中，金屬粉體由于具有很高的起始磁導(dǎo)率和飽和磁化強度，具有優(yōu)異的高頻性能［1-2］，因此，在微波頻段具有很大的使用潛能。FeSiAl合金的典型成分為Fe85Si9.6Al5.4（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），也叫Sendust合金，具有非常優(yōu)異的軟磁性能［3-6］，對電磁波具有較好的吸收作用，可用作吸波材料的吸收劑。又據(jù)研究表明，在合金中加入 Ti，可以提高材料的電阻率［7-8］，進而降低渦流損耗，同時，Ti的加入也可作為晶粒細化劑。對于吸波材料來說，首先當(dāng)晶粒達到納米晶時，納米晶粒間強交換耦合作用， 使納米晶軟磁材料具有很高的初始磁導(dǎo)率， 并且初始磁導(dǎo)率與晶粒尺寸的六次方成反比。其次， 納米晶金屬材料因晶粒超細化和晶格缺陷使其電阻率大大提高，有利于材料微波磁導(dǎo)率提高和介電常數(shù)降低， 對提高材料的微波吸收性能有利［9］。本文作者采用加入少量的Ti原子取代FeSiAl合金中的金屬Al原子，目的是不改變提供磁性的Fe原子含量，保留合金粉體的磁性能。將幾種粉體在球磨罐中進行高能球磨，得到片狀FeSiAlTi合金粉體，研究粉體的形貌特征、物相和電磁參數(shù)，并計算分析合金粉體的電子結(jié)構(gòu)和電磁波吸收性能。

電子結(jié)構(gòu)計算分析采用固體與分子經(jīng)驗電子理論（Empirical electron theory of solids and molecules，簡稱EET理論）。該理論和計算電子結(jié)構(gòu)的鍵距差（Bond length difference，簡稱BLD）法［10］是在能帶理論、共價鍵理論、電子濃度理論的基礎(chǔ)上提出來的。利用BLD法，求得晶格中各原子雜階和它們之間共價電子的分布，建立起晶體或分子的價電子結(jié)構(gòu)，從而給出價電子結(jié)構(gòu)與晶體材料性能之間的關(guān)系。EET理論現(xiàn)在已經(jīng)被越來越多的研究人員所接受，YANG等［11］研究Mn對FeNiCr/60%WC復(fù)合涂層微觀結(jié)構(gòu)和磁性性能的影響，通過EET理論計算得出 Fe3W3C是一個弱的鐵磁相（磁矩為 0.9018），這是造成包覆涂層非磁性特性的主要原因。FAN等［12］通過EET理論研究Fe3Al的有序結(jié)構(gòu)D03和無序結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3Al在D03結(jié)構(gòu)中原子間參與成鍵的是3d（Fe）-3p（Al），在無序結(jié)構(gòu)中參與成鍵的是4sp（Fe）-3p（Al），無序結(jié)構(gòu)中參與成鍵的3d電子減少，則磁矩增大。李飛等［13］應(yīng)用該理論解釋了Mg-Al合金的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)與固溶強化的關(guān)系。本文作者通過計算Ti部分取代Al后的FeSiAl合金粉體的鍵距差，分析相關(guān)原子之間的相互作用，研究該系列合金粉體的電子結(jié)構(gòu)和磁性能。

1 實驗

用市售的純鐵、硅、鋁和鈦粉為原料，按照Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4（x=0，0.33， 0.66， 1）成分配料，將粉體放入高能球磨機中進行球磨。球磨機為ND7-2L型高性能不銹鋼球磨機，球料比為17:1，轉(zhuǎn)速為450 r/min，磨球為d 5 mm的ZrO2球。球磨時加入適量的分析乙醇，防止球磨時粉體氧化。球磨60 h后取出，將和分析乙醇混合在一起的合金粉體放入燒杯，烘箱中烘干，再搗碎、過篩，得到不同Ti含量的片狀合金粉體。將所制得的片狀粉體與石蠟按4:1的質(zhì)量比混合均勻，用 10 MPa的壓力壓制成外徑 7 mm×內(nèi)徑3 mm×4 mm的同軸圓環(huán)樣品，測試電磁參數(shù)。

采用日本電子株式會社（JEOL）的 JSM-7600F型掃描電子顯微鏡觀察粉體形貌。采用DX-2500型X射線衍射儀分析合金粉體的物相（Cu的Kα射線，掃描步長為0.03 （°）/s）。同軸圓環(huán)樣品的復(fù)數(shù)介電常數(shù)和復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的測量采用Agilent 8720ET型微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試頻段為0.5～18 GHz，并據(jù)此計算粉體的電磁波反射損耗。

2 結(jié)果與分析

2.1 形貌

圖1所示為球磨60 h后粉體的SEM像，從圖1中可以看出，顆粒的大小只有幾個微米，且顆粒呈現(xiàn)片狀。此時，粉體尺寸接近GHz頻段時的趨膚深度，能夠減小材料工作時的渦流損耗，提高材料的電磁性能。

球磨過程中，磨球與粉體不斷碰撞，使得粉體會破碎、變形及細化，然后再冷焊拼接在一起，并且這個過程存在于球磨過程的始終，同時粉體表面積會增大，表面活性增強，粉體之間也會吸附在一起。在塑性變形的作用下，粉體會呈現(xiàn)出扁平狀結(jié)構(gòu)，從而增大材料的電阻率，并且把電磁感應(yīng)的渦流限制在一個平面內(nèi)，此種扁平結(jié)構(gòu)有利于突破Snoek極限［14］。最后，顆粒粒度逐漸趨于平衡，粉體的粒度不再變化，這時的粉體的粒度稱為極限粒度，與磨球的大小有關(guān)。并且在球磨過程中，層間的原子開始相互擴散，從而形成合金。

圖1 球磨后粉體的SEM像Fig. 1 SEM image of ball-milled powders

圖2 不同Ti含量球磨合金粉體的XRD譜Fig. 2 XRD patterns of ball-milled powders with various Ti contents

2.2 物相

圖2所示為4種樣品球磨60 h后的XRD譜。由圖2可看出，當(dāng)x=0和0.33時，球磨后還存在Si的衍射峰，說明此時合金粉體中還存在有少量的 Si粉體。當(dāng)x=0.66和1時，Si的衍射峰消失，說明這時Si已經(jīng)完全固溶進了合金中，同時，α-Fe衍射主峰強度明顯降低。當(dāng)x=0.66時，α-Fe的（200）面的衍射峰幾乎消失，說明此時粉體中存在較大的應(yīng)力，并且晶粒尺寸較小。溶質(zhì)和溶劑在一起形成固溶體，當(dāng)溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑相差小于15%時，此時易于形成置換固溶體。Fe的原子直徑為2.54 ?，Ti原子直徑為2.90 ?，與Fe原子直徑相差為14%。由于Ti與Fe原子在原子直徑上的不同，因此，在形成固溶體時，會造成晶格畸變，并引入大量應(yīng)力。當(dāng)x為0.66和1時，衍射峰的強度不高，是由于在球磨過程中引起大量的應(yīng)力，并使晶粒細化。Ti和Al-Ti是傳統(tǒng)的晶粒細化劑，在球磨過程中可能會形成Al-Ti合金，進而對晶粒起到細化作用［15］，如表1所列，隨著Ti含量的增加，晶粒尺寸由1176 ?減小到了916 ?。在x=0.33時，由于加入Ti含量較少，因此Fe的衍射峰相較于x=0變化不大，而當(dāng)Ti含量增加時，晶粒細化明顯，衍射峰也就變寬，強度減小。

球磨后粉體晶格常數(shù)的變化，可以由布拉格方程與立方晶系的晶面間距公式得到：

式中：λ為X射線波長（1.5418 ?）；θ為衍射角；（h k l）為晶面指數(shù)。由（110）晶面可以計算出4種樣品的晶格常數(shù)如表1所列。

表1 球磨后晶格常數(shù)a與晶粒尺寸Table 1 Lattice constant and average grain size

表2 原子雜化態(tài)Table 2 Hybridization table of each atom

表3 不同Ti含量電子結(jié)構(gòu)Table 3 Electron structure of various Ti content

2.3 電子結(jié)構(gòu)

確定實驗測得的晶格常數(shù)值后，利用EET理論與BLD法經(jīng)驗理論來驗證實驗結(jié)果，以及確定各原子所處狀態(tài)。對于（Si，Al，Ti）原子在無序固溶體Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4中是隨機分布在 α-Fe的體心和頂角位置，可以采用平均原子模型來進行BLD分析。主要考慮沿（111） 方向的最短鍵和沿（100）方向的次短鍵，分別記為IA和IB，且共價鍵數(shù)目IA=8，IB=6。部分經(jīng)驗理論的鍵距差公式為：

計算結(jié)果如下表3所列。表3中計算出的|ΔD|＜0.05 ?，滿足理論分析正確性的要求，若用相對誤差表示數(shù)據(jù)的可靠性，最低可以達到 0.0110%，可見數(shù)據(jù)的可靠性很好。隨著 Ti取代量的增加，A鍵與 B鍵的共價鍵對數(shù)呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，最短鍵A鍵對數(shù)隨著Ti含量的增加而增加，次短鍵B鍵對數(shù)在Ti取代的過程中雖然也呈增大的趨勢，但是變化不大。由于A鍵對數(shù)要遠大于B鍵的，因此，A鍵構(gòu)成了晶胞的主鍵絡(luò)。雖然用于取代Al原子的Ti原子在雜階為10階時的共價電子數(shù)要小于雜階為4階的Al原子的，取代過程 Fe、Si、（AlTi）原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變，但是在計算過程中采用的是相對原子分?jǐn)?shù)，F(xiàn)e、Si原子的相對原子分?jǐn)?shù)均是在不斷增加，因此，總的共價電子數(shù)nc∑逐漸增加。由上面得出相較于 FeSiAl合金，A和B鍵數(shù)目隨著Ti含量的增加而增加，并且共價電子數(shù)nc∑增加，則主鍵絡(luò)構(gòu)成的共價鍵骨架要比基體更為穩(wěn)固［16］。

圖3 不同Ti含量粉體的復(fù)數(shù)介電常數(shù)實部和虛部以及復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部和虛部Fig. 3 Real part （a） and imaginary part （b） of complex permittivity and real part （c） and imaginary part （d） of complex permeability of powders with various Ti contents

2.4 電磁參數(shù)和吸波性能

圖3所示為4種不同Ti含量樣品的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。從圖 3中可以看出，相較于沒有加入 Ti的樣品，加入 Ti后，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都要比未加Ti的樣品低，尤其突出的是介電常數(shù)的實部下降了25左右，介電常數(shù)虛部則下降了6左右。當(dāng)x=0.66時，實部和虛部均達到最小?？傮w上加入Ti后磁導(dǎo)率實部和虛部都降低，但是在x=0.66時出現(xiàn)極小值，而不是在x=1時。導(dǎo)致這個變化的原因主要有兩點，一是因為Ti原子的雜化雙態(tài)h和τ態(tài)均沒有磁電子［17］，且Si和Al也不提供磁性，所以FeSiAlTi粉體中的磁性來自于Fe原子的貢獻。在Ti原子取代Al原子過程中，由于Ti原子的相對原子質(zhì)量大于Al原子的，此時相當(dāng)于對磁性的稀釋，因此會出現(xiàn)磁導(dǎo)率的依次降低。另一方面，因為 Ti原子占據(jù) Al原子位置后，使得x=0.66時的晶格常數(shù)最大，同時，XRD譜中此時的峰相較于其他3個樣品更加寬化，從而說明其應(yīng)力為4個樣品中最大。應(yīng)力是使得相對磁導(dǎo)率減小的原因［18］，導(dǎo)致磁導(dǎo)率在x=0.66時最小。

衡量材料對電磁波的衰減能力可以用反射損耗表示，反射損耗越小，其衰減能力越強。單層吸波材料的反射損耗可表示為［19］：

式中：Γ為反射損耗；復(fù)數(shù)介電常數(shù)分別為ε′和ε″；復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率分別為μ′和μ″；頻率為f；厚度為d；k為傳播函數(shù)；z為波阻抗，z0=120 πΩ為真空波阻抗；μ0為真空磁導(dǎo)率；ε0為真空介電常數(shù)。要使吸波材料與自由空間達到波阻抗匹配，需使μ′-jμ″=ε′-jε″。

圖4是根據(jù)上面4個樣品的電磁參數(shù)計算出的各波性能得到改善，并向高頻方向移動。沒有加入 Ti時，反射損耗的峰值在5.48 GHz處達到最小，為-9.02 dB。x=0.33時，在頻率為 8.29 GHz時達到反射損耗為-14.18 dB，-10 dB以下吸收頻率寬度為3.45 GHz。當(dāng)x=0.66時，損反射耗達到最小，反射損耗的峰值所在的頻率最高，在13.36 GHz處反射損耗達到了-30.95 dB，-10 dB以下的吸收頻段寬度達到了 4.46 GHz。當(dāng)x=1時，反射損耗的峰值開始向左移，在10.91 GHz處，反射損耗達到最小，為-15.6 dB，-10 dB以下的吸收頻帶寬度為3.06 GHz。總體上，加入Ti使的合金粉體，其反射損耗峰值向高頻方向移動，增加了材料的高頻特性，并且當(dāng)x=0.66時，能夠取得最好的效果，改善了原來FeSiAl合金的性能。

圖4 FeSiAlTi粉體的反射損耗（d=1.5 mm）Fig. 4 Reflection losses of FeSiAlTi powders （d=1.5 mm）

磁損耗型吸波材料是通過提高磁導(dǎo)率來盡可能達到自由空間阻抗匹配。當(dāng)加入Ti含量為x=0.66時，磁導(dǎo)率的實部和虛部雖然都達到了最小，這對于磁損耗型吸波材料來說是不利的，但相較于磁導(dǎo)率的減小程度，介電常數(shù)減小非常明顯，同時此時的介電常數(shù)達到最小值，這有利于吸波材料與自由空間達到阻抗匹配。因此從反射損耗來看，此時的反射損耗達到最小。

用Ti部分取代Al，可以降低FeSiAl粉體的電磁波反射損耗。但x=1時，即Ti完全取代Al，形成FeSiTi合金粉體，此時的反射損耗反而不如部分取代。因而，對FeSiAl合金，用Ti取代Al來改變電磁波吸收性能，只能是Ti取代約0.66的Al，此時，形成的FeSiAl（Ti）合金粉體中Ti、Al原子達到較為理想的作用。

3 結(jié)論

1） Ti的加入可以作為晶粒細化劑，使晶粒尺寸從1176 ?減小到916 ?。

2）Ti原子的加入使得α-Fe 的（111）和（100）方向上的共價電子對增大，同時總的共價電子數(shù)目也增大，（111）方向上的共價鍵構(gòu)成晶胞的主鍵絡(luò)。

3） 電磁波反射損耗在Ti取代約0.66的Al時，在頻率為 13.36 GHz處達到最小的反射損耗值-30.95 dB。

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（編輯 王 超）

Electronic structure and absorption properties of Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4alloy powder

ZHANG Yu1， 2， ZHOU Ting-dong1， DU Hao1
（1. School of Materials Science and Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， China；
2. National Engineering Research Center of Electromagnetic Radiation Control Materials，University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China）

Fe85Si9.6（Al1-xTix）5.4alloy powders were prepared by mechanical alloying with various Ti contents instead of Al atoms in FeSiAl alloy. The electronic structure evolutions of four kinds of alloy powders were calculated with the empirical electron theory of solids and molecules. The morphology， phase and electromagnetic parameters of powders were tested， and the electromagnetic wave reflection losses were calculated. The results show that the addition of Ti can refine the grain and increase the number of covalent electrons in the （111） direction， and the ideal absorbing performance among the four powders can be gotten when the Ti content is 0.66.

FeSiAlTi alloy； EET theory； electromagnetic parameter； reflection loss； mechanical alloying

Project （13ZC0004） supported by the Sichuan Provincial Education Department； Project （ZYGX2013K001-2） supported by the National Engineering Research Center of Electromagnetic Radiation Control Materials； Project （szjj2013-037） supported by the Key Laboratory of Special Material and Preparing Technology

date： 2015-08-11； Accepted date： 2015-12-20

ZHOU Ting-dong； Tel: +86-28-87726517； E-mail: zhoutd@mail.xhu.edu.cn

1004-0609（2016）-05-1100-07

TG132.2

A

四川省教育廳重大培育項目（13ZC0004）；國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心開放課題（ZYGX2013K001-2）；四川省特種材料及制備技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目（szjj2013-037）

2015-08-11；

2015-12-20

周廷棟，教授，博士；電話：028-87726517；E-mail：zhoutd@mail.xhu.edu.cn