鐵氧體吸波材料研究進(jìn)展

摘 要：吸波材料是飛行器規(guī)避探測的重要手段之一。本文對目前研究較為成熟的鐵氧體吸波材料進(jìn)行介紹，按照晶型結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分類并分別介紹其晶體結(jié)構(gòu)和研究進(jìn)展，概述了鐵氧體材料吸波性能改進(jìn)的研究概況，并總結(jié)了在選擇適宜材料時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：鐵氧體吸波材料;晶體結(jié)構(gòu);吸波性能

Abstract：Absorbing material is one of the important means for aircraft to avoid detection.In this paper，the ferrite absorbing materials are introduced，and their crystal structure and research progress are introduced separately.The research situation of improving the absorbing properties of ferrite materials is summarized，and the properties that should be paid attention to when selecting suitable materials are summarized.

Key words：Ferrite absorbing materials;Crystal structure;Absorbing property

1 緒論

吸波材料應(yīng)用于被探測目標(biāo)上可將照射其上的電磁波轉(zhuǎn)化為其他能量，大幅度減弱其反射，使雷達(dá)無法辨識，一直是各國軍事電子對抗領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。[1]荷蘭研究人員在20世紀(jì)30年代開發(fā)出由二氧化鈦和炭黑組成的第一種吸波材料，經(jīng)過近90年的發(fā)展，吸波材料現(xiàn)已在多型飛行器上得到應(yīng)用，如美國的B-2、F-35戰(zhàn)斗機(jī)，國內(nèi)的殲-20隱身戰(zhàn)斗機(jī)等，代表著吸波材料發(fā)展在實(shí)際應(yīng)用方面的新高度。相對于吸波材料在戰(zhàn)斗機(jī)上的應(yīng)用，吸波材料在導(dǎo)彈上的應(yīng)用研究相對滯后，目前相關(guān)報(bào)道只有美國AGM-129隱身巡航導(dǎo)彈，可能與導(dǎo)彈體積小、飛行速度快，且可采取低空飛行等方式規(guī)避雷達(dá)探查有關(guān)，但隨著導(dǎo)彈具備自主目標(biāo)識別等功能，其巡航高度必然有顯著提高，且電子對抗技術(shù)發(fā)展日新月異，使得隱身導(dǎo)彈的研制勢在必行。

鐵氧體吸波材料既具有磁性，又具有介電性，同時(shí)又具有較好的阻抗匹配性能，是應(yīng)用最為廣泛的吸波材料，且研究通過在鐵氧體中加入輔助材料的方法得到性能改善的鐵氧體復(fù)合材料也是目前的研究熱點(diǎn)。[2，3]因此本文首先介紹了三種晶體結(jié)構(gòu)不同的鐵氧體吸波材料的晶體結(jié)構(gòu)和研究進(jìn)展，然后介紹了鐵氧體材料吸波性能的改善方法及所得成果，以期對導(dǎo)彈后續(xù)研究中隱身材料的選擇提供依據(jù)。

2 鐵氧體吸波材料

按照晶體結(jié)構(gòu)，鐵氧體可分為尖晶石結(jié)構(gòu)型、石榴石結(jié)構(gòu)型和磁鉛石型六角晶系鐵氧體三類。[3]本文按照晶體結(jié)構(gòu)分別對鐵氧體吸波材料進(jìn)行介紹。

2.1 尖晶石型鐵氧體

此種鐵氧體化學(xué)組成為MeFe2O4，Me為金屬離子如Co2+、Mg2+等，鐵離子多為正三價(jià)，為圖1所示的Fd3M空間結(jié)構(gòu)，是面心立方密堆積結(jié)構(gòu)，[4]Fe3+處于氧離子之間的空隙中。氧離子的空間位置有兩種，一種為四面體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空隙較?。▓D中左下側(cè)）;另一種為八面體結(jié)構(gòu)，相對較大（圖中右下側(cè)）。一般而言，二價(jià)金屬離子半徑較大，易于占據(jù)八面體結(jié)構(gòu)的空隙中，形成反式尖晶石，離子產(chǎn)生的相反方向的磁距數(shù)目存在差異，使得材料表現(xiàn)出磁性，具備吸波能力。[5]

尖晶石型鐵氧體是鐵氧體吸波材料中應(yīng)用最多的一類，具有高磁晶各向異性、高飽和磁化強(qiáng)度等特性，其中CoFe2O4介電常數(shù)和磁導(dǎo)率適中，具備較好的吸波能力。Chen[6]等人采用自組裝法，以部分鎳取代的CoFe2O4中的鈷，得到鐵氧體粉末樣品，對于頻率11.52GHz的電磁波最小反射損耗達(dá)到-362dB。Ni[7]等人制備出納米級Fe3O4晶體材料，2.5mm厚且Fe3O4晶體含量為30%的樣品對于頻率為8.16GHz的電磁波最大反射損耗達(dá)到-21.2dB。

2.2 石榴石型鐵氧體

該型鐵氧體為立方晶系，分子式可表示為R3Fe5O12，R為三價(jià)稀土離子，可為鐵氧體帶來高密度各向異性電磁場和低介電損耗特性，晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

石榴石型鐵氧體中磁距相互抵消較為嚴(yán)重，吸波能力偏弱，吸波方面報(bào)道較少。[8]Sharma[9]等人制備出此種結(jié)構(gòu)的含釔鐵氧體納米薄膜材料，厚度3mm的樣品對20GHz的電磁波最小反射損耗達(dá)到-28dB。

2.3 磁鉛石型鐵氧體

該型鐵氧體為六角晶系，具有對稱性，從而產(chǎn)生了較強(qiáng)的磁晶各向異性和高共振頻率，化學(xué)組成為MeFe12O19，Me以Ba2+最為常見，形成如圖3所示M型晶體結(jié)構(gòu)。M型鐵氧體由圖中的S、R或兩者旋轉(zhuǎn)180°的S*、R*構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元。其中S結(jié)構(gòu)為立方密堆積，R結(jié)構(gòu)為六角密堆積。除了Ba2+離子形成的M型外，還存在W、Z等結(jié)構(gòu)[4，5]。

Singh[10]等人制備了M型的Ba0.5Sr0.5Co2Al2Fe8O19鐵氧體，表現(xiàn)出良好吸波性能，1.4mm厚樣品對于11.72GHz的電磁波最小反射損耗達(dá)為-40.4dB。Qin[11]等人采用溶膠凝膠法制備了W型Ba（MnZn）0.4Co1.2Fe16O27鐵氧體，2.8mm厚樣品對于7.3GHz的電磁波最小反射損耗達(dá)為-40.7dB，反射損耗超出10dB的頻寬達(dá)到66GHz。Zhou[12]等人制備了Z型Ba3（MnZn）xCo2（1-x）Fe24O41鐵氧體，當(dāng)x為0.4，2.2mm厚樣品對于3.8GHz的電磁波最小反射損耗為-38.5dB。

3 鐵氧體材料性能改進(jìn)研究進(jìn)展

鐵氧體材料既有磁性，又有介電性，表現(xiàn)出良好的吸波性能，但單一鐵氧體也存在吸收頻帶有限，密度大、高溫下性能降低的問題，[12-14]為此研究人員開展了多方面的研究以改善上述問題，主要集中于以下幾個方面。

3.1 稀土摻雜

多數(shù)稀土元素的4f軌道未充滿，且被外層電子屏蔽，帶來了特殊的電磁性能，可以與鐵氧體中常見的Fe、Co等發(fā)生磁相互作用，增加了材料的磁損耗，而且稀土元素離子半徑較大，取代其他離子后引起晶格畸變，改變鐵氧體的介電性能，產(chǎn)生額外的介電損耗。上述改變增加了鐵氧體的吸波強(qiáng)度，同時(shí)稀土離子電子數(shù)目較多，原子能級更多樣，摻雜會減小材料能級之間的能量差，擴(kuò)展了鐵氧體的吸收頻帶。[12，13]

Liu[15]等人通過溶膠凝膠發(fā)制備出含鑭離子的Sr0.9La0.1Fe12O19鐵氧體，對于頻率為15.25GHz的電磁波最小反射損耗為-22.8dB，對于頻率在14.3-16.1GHz的電磁波反射損耗均超過10dB。Wang[16]等人制備了釔離子摻雜且復(fù)合了石墨烯的鐵氧體復(fù)合納米顆粒材料，對于頻率為14.88GHz的電磁波最小反射損耗為-36.1dB，可對14-16GHz的電磁波產(chǎn)生有效吸收。

3.2 金屬顆粒/鐵氧體復(fù)合材料

金屬對電磁波同時(shí)具有較強(qiáng)的吸收和反射能力，較小的金屬顆?？勺鳛槲ú牧鲜褂?。電磁波照射到顆粒后，部分穿透顆粒傳播，部分被散射，形成新的球面波，還有部分電磁波被金屬顆粒中產(chǎn)生的電磁效應(yīng)吸收。金屬顆粒與鐵氧體組成的復(fù)合材料中，穿透、散射的電磁波會繼續(xù)在鐵氧體中傳播，進(jìn)一步被吸收，從而提高吸波性能，加大吸收頻寬，同時(shí)可以避免金屬顆粒易腐蝕的問題。[17]

Zhou[18]等人將Ag和鐵氧體復(fù)合，制備出納米級顆粒。Ag的添加改善了鐵氧體的吸波性能。Chen[19]等人以Fe納米纖維為還原劑，制備了AgFe/Fe3O4納米復(fù)合材料。產(chǎn)物表現(xiàn)出更好的吸波性能，對于7.68GHz電磁波最小反射損耗為-43.5dB，反射損耗超出10dB的頻寬達(dá)到4.85GHz。

3.3 石墨烯/鐵氧體復(fù)合材料

石墨烯的特殊分子結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生具備特殊電傳導(dǎo)現(xiàn)象，易于能量躍遷，還會引入弛豫現(xiàn)象，均有利于材料的吸波性能，同時(shí)該材料也具備介電損耗性能。石墨烯的問題在于阻抗匹配特性差，吸波能力較弱，可通過與鐵氧體復(fù)合進(jìn)行改善。[20]

Song[21]等人合成了石墨烯/Fe3O4納米級復(fù)合材料，對頻率為9GHz的電磁波最小反射損耗為-26dB，反射損耗大于10dB的帶寬達(dá)到9GHz。Wang[22]等人制備的石墨烯/Fe3O4納米復(fù)合材料厚度為5mm時(shí)最小反射損耗為-40.36dB。

3.4 介孔鐵氧體制備

除了采用摻雜其他材料的方法外，微觀形貌特征也會對影響到材料的吸波性能。多孔鐵氧體尤其是介孔鐵氧體是近幾年來發(fā)展出的一種新型的吸波材料，表現(xiàn)出了良好的吸波特性。介孔是指直徑2nm

Wu[23]等人在Ni2O3納米顆粒包覆高有序介孔炭的方法制備出介孔復(fù)合吸波材料，在10.9GHz處最小反射損耗-39dB，表現(xiàn)出了介孔材料的優(yōu)異性能。在介孔鐵氧體吸波材料方面，Zhan[24]等研究者制備了平均孔徑為12.5nm的NiCo2O4介孔鐵氧體，厚度1.50mm時(shí)對14.86GHz的電磁波最小反射損耗-35.76dB。

4 結(jié)語

國內(nèi)吸波材料尚存在吸收頻帶窄，密度大，吸波能力弱等問題，應(yīng)用受到限制。[25]為了滿足導(dǎo)彈對吸波材料要求，在研究和選用吸波材料時(shí)需要中和衡量以下性質(zhì)：

（1）高電磁波吸收。只有高電磁波吸收的吸波材料才可以有效減少反射，避免被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，具有實(shí)用價(jià)值。目前認(rèn)為吸波材料具備有效吸收多是以電磁損耗-10dB為準(zhǔn)，現(xiàn)在認(rèn)為在此情況下，該材料可吸收90%的電磁波，具有了實(shí)用價(jià)值。

（2）寬頻帶響應(yīng)。電磁波，特別是軍用雷達(dá)所用電磁波頻帶非常寬，而吸波材料只能在一定頻段內(nèi)起作用。因此實(shí)用的吸波材料其可吸收帶寬應(yīng)當(dāng)大一些。研究發(fā)現(xiàn)寬頻帶響應(yīng)和高電磁吸收是矛盾的，因此在研究中應(yīng)注重在有效吸收的前提下，盡量增加頻帶響應(yīng)范圍。在導(dǎo)彈選用材料中要充分考慮作戰(zhàn)對手的頻帶范圍，選用吸收頻帶相近的材料。

（3）低密度，薄厚度。吸波材料多是以涂層的形式涂覆于物體表面，密度和厚度影響到涂層的質(zhì)量，過重的涂層會增加導(dǎo)彈質(zhì)量，只能通過減少燃料、減少組件的方式補(bǔ)償，產(chǎn)生不利影響。

（4）吸波材料還要求好的機(jī)械加工性能以及惡劣環(huán)境適應(yīng)性和低成本等特點(diǎn)，以滿足導(dǎo)彈使用的正常需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]余宏明.雷達(dá)/電子戰(zhàn)中的現(xiàn)代隱身技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29（6）：25-27.

[2]蘇天江.磁性吸波劑的制備與性能研究[D].大連交通大學(xué)，2008.

[3]Zong M，Huang Y，Zhang N，et al.Influence of（RGO）/（ferrite）ratios and graphene reduction degree on microwave absorption properties of graphene composites[J].Journal of Alloys and Compounds，2015，644：491-501.

[4]紀(jì)箴，陳珂，張一帆，等.鐵氧體磁性材料吸波性能研究進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù)，2015（5）：378-381.

[5]Harris V G.Modern Microwave Ferrites[J].IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（3）：1075-1104..

[6]Chen Biyu，Chen Ding，Kang Zhitao，et al.Preparation and microwave absorption properties of Ni-Co nanoferrites[J].Journal of Alloys and Compounds，2015，618（618）：222-226..

[7]Ni S，Lin S，Pan Q，et al.Hydrothermal synthesis and microwave absorption properties of Fe3O4 nanocrystals[J].Journal of Physics D Applied Physics，2009，42（5）：055004.

[8]萬曉霞，李翠平，宋宇華，等.鐵氧體復(fù)合材料吸波性能研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2015（7）：140-143.

[9]Sharma V，Saha J，Patnaik S，et al.YIG based broad band microwave absorber：A perspective on synthesis methods[J].Journal of Magnetism & Magnetic Materials，2017，439：277-286.

[10]Singh J，Singh C，Kaur D，et al.Tunable microwave absorption in Co，Al substituted M-type Ba，Sr hexagonal ferrite[J].Materials and Design，2016，110：749-761.

[11]Qin X，Cheng Y，Zhou K，et al.Microwave Absorbing Properties of W-Type Hexaferrite Ba（MnZn）CoFeO[J].Journal of Materials Science and Chemical Engineering，2013，01（4）：8-13.

[12]Gao Y，Zhao Y，Jiao Q Z，et al.Microemulsion-based synthesis of porous Co-Ni ferrit nanorods and their magnetic properties[J].Journal of Alloys and Compounds，2013，555（13）：95-100.

[13]Mangalaraja R V，Ananthakumar S，Manohar P，et al.Magnetic electrical and dielectric behavior of NiZn0.2Fe2O4 prepared through flash combustion technique[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，253（1）：56-64.

[14]Chen Z T，Gao L.Synthesis and magnetic properties of CoFe2O4 nanoparticles by using PEG as surfactant additive[J].Materials Science and Engineering B，2007，141（1-2）：82-86.

[15]Liu J L，Zhang P，Zhang X K，et al.Synthesis and microwave absorbing properties of La-doped Sr-hexaferrite nanopowders via sol-gel auto-combustion method[J].Rare Metals，2017，36（9）：1-7.

[16]Wang Y，Pu Y，Shi Y，et al.Excellent microwave absorption property of the CoFe 2O4/Y3Fe5O12，ferrites based on graphene[J].Journal of Materials Science Materials in Electronics，2017，28（17）：12866-12872.

[17]Liu Y，Cheng Y，Yang H U，et al.Preparation and Microwave Absorbing Properties of La3+ Doped Ni035Co015Zn05Fe2O4 ferrites[J].Journal of Aeronautical Materials，2016，36（1）：48-52.

[18]Jingsong，ShaofengZhou，QiaoxinZhang，et al.Structure and Properties of Microwave Absorption Ag/Fe3O4 Nanoparticles[J].Synthesis and Reactivity in Inorganic and Metal-Organic Chemistry，2012，42（3）：392-397.

[19]Chen Jin Z H，Yanting Zhao，et al.Absorption of Dendritic AgFeAlloy/Fe3O4 Nanocomposites[J].CrystEngComm，2018，In Press.

[20]Wang C，Han X，Xu P，et al.The electromagnetic property of chemically reduced graphene oxide and its application as microwave absorbing material[J].Applied Physics Letters，2011，98（7）：217.

[21]Song W L，Guan X T，F(xiàn)an L Z，et al.Tuning broadband microwave absorption via highly conductive Fe3O4/graphene heterostructural nanofillers[J].Materials Research Bulletin，2015，72：316-323.

[22]Wang T，Liu Z，Lu M，et al.Graphene-Fe3O4，nanohybrids：Synthesis and excellent electromagnetic absorption properties[J].Journal of Applied Physics，2013，113（2）：024314-024314-8.

[23]Wu H，Wang L，Wang Y，et al.Enhanced microwave performance of highly ordered mesoporous carbon coated by Ni2O3 nanoparticles[J].Journal of Alloys and Compounds，2012，525（15）：82-86.

[24]Zhan J，Yao Y，Zhang C，et al.Synthesis and microwave absorbing properties of quasione-dimensional mesoporous NiCo2O4，nanostructure[J].Journal of Alloys and Compounds，2014，585（6）：240-244.

[25]陳國紅，周芳靈，趙麗平，等.鐵氧體磁性材料的吸波機(jī)理及改善吸波性能的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2015，34（11）：3965-3970.

作者簡介：王國棟（1992-），男，遼寧大連人，助理工程師，工作于91550部隊(duì)，研究方向?yàn)閷?dǎo)彈武器系統(tǒng)總體。