羰基鐵在微波吸收領(lǐng)域中的研究進(jìn)展

徐 銀，周 濤，姜菁菁

(銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

專論與綜述

羰基鐵在微波吸收領(lǐng)域中的研究進(jìn)展

徐 銀，周 濤，姜菁菁*

(銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

羰基鐵作為一種典型的磁損耗型吸收劑，是吸波材料領(lǐng)域中非常重要的研究對(duì)象。目前羰基鐵吸收劑的研究主要集中在與其他材料共混與復(fù)合，本文從損耗機(jī)制、阻抗匹配和形貌等方面對(duì)羰基鐵微波吸收劑的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析。

羰基鐵；吸波性能；磁損耗；阻抗匹配

在21世紀(jì)隨著市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，在給人們提供便利的同時(shí)相應(yīng)產(chǎn)生的電磁輻射也在不同程度地危害人類健康。大量調(diào)查表明，很多人在長(zhǎng)時(shí)間的輻射中會(huì)導(dǎo)致患癌風(fēng)險(xiǎn)增高，婦女流產(chǎn)幾率增加。抗輻射的產(chǎn)品日益增多，提高抗輻射性能的要求也越來(lái)越高。

在航天技術(shù)方面，隨著技術(shù)裝備的升級(jí)，研制先進(jìn)的微波吸收性能的材料競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，具有微波吸收性能的材料層出不窮。在磁損耗吸波類型的材料中由于羰基鐵具有獨(dú)特的洋蔥碳結(jié)構(gòu)，使其成為在隱身材料方面研究的熱點(diǎn)。早先羰基鐵由于其密度較大，吸收頻寬窄，單一羰基鐵不能滿足在隱身材料方面的性能需求。最新研究進(jìn)展表明，羰基鐵與其他材料混合或復(fù)合可以提高其吸波性能。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 損耗機(jī)制對(duì)吸波性能的影響

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，由于羰基鐵是典型的磁損耗型吸波材料，用羰基鐵與電阻損耗型或介電耗型吸波材料混合時(shí)，使其成為雙重?fù)p耗機(jī)制的吸波材料。在羰基鐵與炭黑混合實(shí)驗(yàn)中，由于炭黑是一種具有高介電常數(shù)的電阻損耗型吸波材料，采用炭黑與羰基鐵共混，增加了涂層的損耗機(jī)制，使之由單一的磁損耗型發(fā)展為磁損耗和電阻損耗的雙重?fù)p耗機(jī)制，涂層的吸波性能得到改善。

1.1.1 羰基鐵與電阻型吸收劑炭黑的混合

在吳廣利等[1]的羰基鐵與炭黑的復(fù)合效果實(shí)驗(yàn)中，圖1為羰基鐵共混炭黑前后試樣(1#，2#和5#，6#)的電磁波反射率對(duì)比陸線，1#，2#試樣不含炭黑，5#，6#試樣炭黑成分質(zhì)量比(炭黑：清漆)均為0.1∶1，厚度均為1.1 mm。從變化曲線可以看出，隨著炭黑的加入，吸收曲線變得平緩，峰值逐漸降低。但是相比不含炭黑的試樣，吸收頻寬得到了拓展，5#，6#試樣的有效吸收頻寬(反射損耗優(yōu)于-4 dB)為4.3 GHz(12.1～16.4 GHz)和2.2 GHz(11.7～13.9 GHz)分別優(yōu)于1#試樣的3.9 GHz(11.1～15 GHz)和2#試樣的1.9 GHz(12.5～14.4 GHz)。所制備的涂層中，成分質(zhì)量比(CB∶CIP∶PU)為0.1∶3∶1，厚度為1.1 mm，有效反射損耗(優(yōu)于-4dB)的頻寬達(dá)到了4.3 GHz(12.1～16.4 GHz)。相比只使用羰基鐵為吸波劑的涂層，有效吸收頻寬得到了拓展，涂層的吸波性能得到了提高。

1.1.2 羰基鐵與磁損耗型吸收劑鐵氧體的混合

鐵氧體是一種傳統(tǒng)磁性吸收劑，由于其具有吸收強(qiáng)、吸收頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但磁導(dǎo)率的頻散效應(yīng)非常顯著，隨頻率增高和下降很快，使得匹配厚度太大，并且在厚度小于2 mm時(shí)，吸收性能顯著惡化，很難單獨(dú)作為薄涂層吸波材料直接使用。王璟等人[2]為了在不損失鐵氧體的吸波性能的同時(shí)減小涂層厚度，實(shí)現(xiàn)薄層寬頻化，將W型鋇鐵氧體與羰基鐵按照1∶0.3的比例混合，混合前后電磁參數(shù)有明顯的變化：鐵氧體的復(fù)介電常數(shù)ε′和ε″低于羰基鐵粉，且復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′小于羰基鐵粉，虛部μ″的頻散效應(yīng)較羰基鐵粉明顯。摻加羰基鐵粉后，W型鐵氧體的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部ε′略有增加，虛部ε″的峰值明顯增大，峰位向高頻段移動(dòng)，使得復(fù)合吸收劑在高頻下電損耗能力大于單一組分的鐵氧體吸收劑的電損耗能力。鋇鐵氧體和羰基鐵混合吸收劑的最佳微波吸收性能達(dá)到-61.88 dB，反射損耗小于-10 dB的帶寬為7.48 GHz。

在微波吸收中，電磁損耗是電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)能量轉(zhuǎn)換和耗散的關(guān)鍵，電損耗ε″和磁損耗μ″增大，介質(zhì)的吸波效能提高[3]，所以混合羰基鐵粉后復(fù)合介質(zhì)在2～18 GHz，尤其是在高頻下的吸收率得到顯著提高，因此羰基鐵粉摻雜能有效改善鐵氧體吸收劑的微波吸收特性。

1.1.3 羰基鐵與高聚物吸收劑的混合

馮永寶等[4]以羰基鐵為吸收劑、三元乙丙橡膠為基體制備復(fù)合橡膠吸波材料。以金屬板為基底，純?nèi)冶鹉z為吸波材料時(shí)，對(duì)電磁波基本不吸收；添加羰基鐵吸收劑后的吸波材料隨著羰基鐵含量的增加，吸波材料對(duì)電磁波的反射率不斷減小，而且吸波材料吸收峰的位置也向低頻移動(dòng)。卿玉長(zhǎng)等[5]人在羰基鐵/環(huán)氧有機(jī)硅樹脂的復(fù)合效果的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)羰基鐵/環(huán)氧有機(jī)硅樹脂基吸波涂層的反射率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，吸波涂層的最大吸收峰隨吸收劑含量的增加向低頻移動(dòng)。當(dāng)涂層厚度為2 mm時(shí)，羰基鐵含量為65%，涂層的最大反射率在5.12 GHz時(shí)達(dá)到-32.25 dB；當(dāng)羰基鐵含量為75%，在頻率為3.53 GHz時(shí)材料的反射率達(dá)到最大值-36.02 dB。同樣出現(xiàn)吸波材料隨著羰基鐵含量的增加，吸波材料吸收峰的位置也向低頻移動(dòng)。

1.2 阻抗匹配對(duì)吸波性能的影響

在使用羰基鐵與其他材料復(fù)合時(shí)，復(fù)合比例、厚度等因素會(huì)使得吸波效果有較大差別。這是由于輸入阻抗與空氣特性阻抗的匹配程度不同，決定了反射率的大小。所以復(fù)合材料的含量比例、電磁參數(shù)、厚度以及頻率等都是是決定阻抗匹配的重要因素，只有這些參數(shù)的合理組合才能使得輸入阻抗與空氣特性阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)微波吸收材料的高吸收低反射。

1.2.1 吸波厚度對(duì)阻抗匹配的影響

馮永寶等[4]的以羰基鐵為吸收劑、三元乙丙橡膠為基體制備復(fù)合橡膠吸波材料。試驗(yàn)中在羰基鐵含量一定的條件下，微波吸收性能與吸波材料的厚度沒有成正比關(guān)系，當(dāng)厚度<2.0 mm時(shí)，吸波材料的吸波效果較差；當(dāng)厚度>2.0 mm時(shí)，隨著吸波材料厚度的增加，最大吸收峰的位置向低頻移動(dòng)，并且最大吸收峰的峰值和帶寬都呈減小的趨勢(shì)。在相同厚度下，隨著羰基鐵含量的增加，吸波材料在電磁波吸收峰處的反射率不斷減小，而且吸波材料吸收峰的位置也向低頻移動(dòng)。對(duì)于3.0 mm厚度的復(fù)合吸波材料，當(dāng)羰基鐵體積分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，在3.5 GHz處其反射率的最小值達(dá)-21.7 dB。

1.2.2 復(fù)合材料比例對(duì)阻抗匹配的影響

(1)在程玉蘭等[6]的羰基鐵與La1-xSrxMnO3(x=0.3，0.4)復(fù)合物制備的微波吸收效果實(shí)驗(yàn)中，只有羰基鐵與La1-xSrxMnO3比例達(dá)到30∶1時(shí)，吸波劑的吸波性能才能達(dá)到最大值-12 dB，對(duì)應(yīng)的頻率為11.3 GHz。由此可以看出復(fù)合物中羰基鐵與La1-xSrxMnO3顆粒的比例顯著地影響著復(fù)合物的吸波性能。復(fù)合物中羰基鐵與La1-xSrxMnO3顆粒的重量比達(dá)到30∶1時(shí)，復(fù)合物的吸波性能達(dá)到最佳值，復(fù)合物的介電性能和磁性能在此種狀態(tài)下達(dá)到匹配平衡。

圖2 羰基鐵含量對(duì)吸波涂層反射率的影響[5]

(2)卿玉長(zhǎng)等人[5]在羰基鐵/環(huán)氧有機(jī)硅樹脂的復(fù)合效果的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變吸收劑的含量來(lái)改變吸波涂層的吸收性能。圖2顯示了羰基鐵含量分別為65%和75%、涂層厚度為2 mm時(shí)吸波材料在2～18 GHz的反射率。結(jié)果表明，當(dāng)吸收劑含量為65%時(shí)，吸波涂層在4.09～6.52 GHz范圍內(nèi)的反射率均小于-10 dB，在頻率為5.12 GHz時(shí)涂層的反射率達(dá)到最大值是-32.25 dB；當(dāng)吸收劑含量為75%時(shí)，吸波涂層在2.64～4.23 GHz頻率范圍內(nèi)的反射率均小于-10 dB，在頻率為3.53 GHz時(shí)材料的反射率達(dá)到最大值是-36.02 dB。從圖2可以很明顯看到，吸波涂層的最大吸收峰隨著吸收劑含量的增加向低頻移動(dòng)，則由此可以看出輸入阻抗與空氣阻抗越接近，吸波材料的吸波性能越好。

1.3 形貌對(duì)吸波性能的影響

吸波材料具有形狀各向異性的片狀結(jié)構(gòu)可以提高其Snoek極限，從而在高頻微波段獲得較高的磁導(dǎo)率以及更大的磁損耗[7]。此外，用具有形狀各向異性的吸波劑制備吸波涂層可在寬頻帶實(shí)現(xiàn)高吸收，而且質(zhì)量比較輕，可以更好地滿足吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求。

1.3.1 片狀羰基鐵及其電磁性能的研究

Walser等[8]從理論上證明，在l～20 GHz頻率范圍內(nèi)，當(dāng)片狀顆粒的寬厚比在10～1000間，其磁導(dǎo)率可提高10～100倍。劉琪等人[9]利用行星式高能球磨機(jī)制備具有片狀結(jié)構(gòu)的羰基鐵，對(duì)比研究了不同轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間對(duì)羰基鐵形貌和電磁性能的影響。

圖3為在不同轉(zhuǎn)速下、球磨不同時(shí)間制備的鐵粉與石蠟組成的微波吸收材料的反射率隨頻率的變化曲線(鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%，涂層厚度1.0 mm)。在圖3(a)中，200 r/min轉(zhuǎn)速和不同球磨時(shí)間的鐵粉和原料鐵粉相比，制成的吸波材料的反射率小于-10 dB的帶寬從約5.3 GHz增大到7 GHz以上，損耗峰值略微增加，并且損耗峰向低頻方向移動(dòng)。由圖3(b)可知，200r/min轉(zhuǎn)速球磨16 h得到的樣品A與250r/min轉(zhuǎn)速球磨16 h的樣品B相比，制成的吸波材料的反射率小于-10 dB的帶寬基本不變，仍然是7.5 GHz左右，損耗峰值則從-26 dB降到-29 dB以下，并且損耗峰向高頻方向略微移動(dòng)0.8 GHz左右。

(a)轉(zhuǎn)速200 r/rain，球磨時(shí)間t=0 h,8 h,12 h,16 h； (b)球磨時(shí)間16h，轉(zhuǎn)速200r/min,250r/min圖3 羰基鐵吸波涂層的反射率損耗曲線[9]

1.3.2 SiO2包覆羰基鐵與SiO2包覆片狀羰基鐵粉的區(qū)別

通過(guò)SiO2包覆后，羰基鐵與片狀羰基鐵粉的抗氧化性能都得到了顯著的提高，介電常數(shù)也都下降。SiO2包覆片狀羰基鐵[10]的介電常數(shù)是急劇下降，并與磁導(dǎo)率值接近，因此可以達(dá)到較好的阻抗匹配。SiO2包覆后，片狀羰基鐵粉顆粒的磁導(dǎo)率的虛部μ″下降較小，仍然具有較強(qiáng)的自然共振，從而可以有效地將進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波衰減掉。在吸波材料厚度由1.8～3.4mm變化時(shí)，小于-10 dB損耗的帶寬可以達(dá)到1.5～5.4 GHz頻率范圍。其中當(dāng)厚度為3.4 mm時(shí)，在2 GHz處的最小反射損耗可以達(dá)到-25.6 dB。在SiO2包覆羰基鐵[11]的微波吸收性能研究這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)SiO2包覆后羰基鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、涂層厚度為1.8 mm時(shí)，涂層在8.2～12.4 GHz頻率范圍內(nèi)的反射率均小于-10 dB。在改變吸收劑羰基鐵的形狀結(jié)構(gòu)的時(shí)候，吸波材料的帶寬無(wú)明顯變化，但是波峰卻出現(xiàn)明顯的向低頻移動(dòng)。

2 總結(jié)

復(fù)合材料的含量比例、電磁參數(shù)、厚度以及頻率是決定輸入阻抗的重要因素，而輸入阻抗是決定吸波材料吸波率的重要因素。利用羰基鐵與其他類型的吸收劑有效地進(jìn)行共混與復(fù)合，可以豐富電磁參數(shù)的調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)寬頻帶強(qiáng)吸收。在諸多羰基鐵與其他材料的復(fù)合體系中，羰基鐵-鐵氧體復(fù)合材料具有最佳的微波吸收性能，其反射損耗可低達(dá)-61.88 dB，小于-10 dB的帶寬為7.48 GHz。為了獲得“寬頻帶、強(qiáng)吸收”的微波吸收材料，羰基鐵-鐵氧體體系有望取得突破。

[1]吳廣利,段玉平,周文龍,等.羰基鐵與炭黑共混制備吸波涂層的研究[J].安全與電磁兼容,2011 (1):41-43.

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(本文文獻(xiàn)格式：徐 銀，周 濤，姜菁菁.羰基鐵在微波吸收領(lǐng)域中的研究進(jìn)展[J].山東化工,2017,46(5):44-46.)

山東能源棗礦集團(tuán)“三個(gè)突出”推進(jìn)橡膠化工板塊創(chuàng)新超越發(fā)展

今年以來(lái)，山東能源棗礦集團(tuán)以推動(dòng)豐源輪胎新三板掛牌上市為動(dòng)力，精準(zhǔn)發(fā)力提升比較優(yōu)勢(shì)，努力推動(dòng)橡膠化工板塊創(chuàng)新超越發(fā)展。

一是突出創(chuàng)新引領(lǐng)。牢固樹立“改善既是創(chuàng)新、創(chuàng)新=創(chuàng)收”理念，持續(xù)推進(jìn)管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新，力爭(zhēng)全年創(chuàng)新創(chuàng)效800萬(wàn)元以上。積極推廣一次法混煉和碳納米管輪胎新技術(shù)，研發(fā)應(yīng)用鍍鈷鋼簾線、聚酯簾布、納米氧化鋅等新材料，不斷提升行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。

二是突出品牌建設(shè)。堅(jiān)持高端定位，持續(xù)提升產(chǎn)品和品牌檔次，強(qiáng)化核心品牌建設(shè)，提高主打品牌溢價(jià)能力；突出安全、綠色、環(huán)保、節(jié)能特色，主打“三防”全方位安全輪胎，打造差異化品牌優(yōu)勢(shì)。充分對(duì)接市場(chǎng)需求，抓好產(chǎn)品升級(jí)換代，研發(fā)儲(chǔ)備差異化產(chǎn)品和概念產(chǎn)品，保持品牌市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

三是突出市場(chǎng)開拓。堅(jiān)持內(nèi)外并舉，加大外貿(mào)、內(nèi)貿(mào)、配套、直銷、電商業(yè)務(wù)開拓，對(duì)外提升歐美、非洲的銷量占比，形成新的銷售增長(zhǎng)點(diǎn)；擇機(jī)介入海外品牌及銷售渠道，拓展海外市場(chǎng)銷量。對(duì)內(nèi)加強(qiáng)配套營(yíng)銷力度，選擇盈利配套，力爭(zhēng)上量增利創(chuàng)效。

(山東國(guó)資委)

Research Pogress of Carbonyl Iron in the Microwave Absorption Field

XuYin,ZhouTao,JiangJingjing*

(School of Material and Chemical Engineering, Tongren University, Tongren 554300,China)

Carbonyl iron,an important object for microwave absorption study,is a typical kind of microwave absorbing materials with magnetic loss mechanism. Current research mainly focused on composite materials. In this paper,the factors that affect microwave absorption performance,including loss mechanism,impedance matching and morphology,were summarized.

carbonyl iron;microwave absorption property;magnetic loss;impedance matching

2016-11-05

貴州省科技廳(黔科合LH字[2015]7227號(hào))；博士啟動(dòng)基金(trxyDH1511)

徐 銀(1994—)，女，貴州遵義人，銅仁學(xué)院在讀本科生；通訊作者：姜菁菁(1985—)，女，山東青島人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榇烹姽δ懿牧稀?/p>

TB34

A

1008-021X(2017)05-0044-03