熱變形Sm-Fe-B質(zhì)量填充量對(duì)微波吸收性能的影響

尤純子,李 軍,王峰義,劉 穎

(四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和電磁波在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,各個(gè)領(lǐng)域?qū)ξ⒉ㄎ談┑男枨蠹眲≡黾覽1]。金屬磁性材料具有較高的飽和磁化強(qiáng)度和較寬的吸收帶寬,表現(xiàn)出較好的微波吸收潛力。然而,由于Snoek極限的限制和金屬磁性材料的低磁導(dǎo)率特性以及它們較高的介電常數(shù)容易導(dǎo)致阻抗失配,阻礙其在微波頻段的發(fā)展[2]。因此,開發(fā)具有優(yōu)異微波磁性能的新材料至關(guān)重要。

稀土-鐵金屬間化合物由于其平面各向異性的特性,可以突破Snoek極限,在更高的頻率上獲得較高的磁導(dǎo)率,成為高性能薄層微波吸收材料的重要候選人之一[3]。其中,Sm2Fe14B在0～600 K的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定表現(xiàn)出平面各向異性,是最具潛力的高性能電磁材料[4]。此外,熱變形是一種可以進(jìn)一步提高其各向異性的有效方法[5]。熱變形Re-Fe-B具有平面各向異性場(chǎng)和形狀各向異性場(chǎng)的雙重各向異性,這有助于獲得更好的微波吸收性能。因此利用熱變形制備具有平面各向異性的稀土-鐵金屬間化合物在提高微波吸收性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

吸收劑在石蠟中的填充量對(duì)其微波吸收性能影響巨大,不同質(zhì)量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉對(duì)其微波吸收性能的影響尚未可知。為了促進(jìn)熱變形Sm-Fe-B在微波吸收領(lǐng)域的工程應(yīng)用,本文詳細(xì)研究了不同質(zhì)量填充比的熱變形Sm-Fe-B/石蠟復(fù)合物微波吸收性能,并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱變形Sm-Fe-B磁粉在石蠟中的質(zhì)量填充量為70% wt時(shí),在厚度為2.83 mm,頻率為6.8 GHz,可獲得最大反射損耗-55.49 dB。而且該質(zhì)量填充量下,厚度為1.33 mm的吸收體有效吸收頻寬(RL≤ -10.0 dB)為3.15 GHz。通過機(jī)理分析可知,主要原因在于該質(zhì)量填充量下吸收體具有優(yōu)異的阻抗匹配、高的介電損耗和磁損耗。因此,合適的質(zhì)量填充量有助于優(yōu)化熱變形Sm-Fe-B在微波吸收領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 熱變形Sm-Fe-B磁粉的制備

以尺寸在100～350 μm范圍內(nèi)的快淬粉〔Sm13.51Fe80.46B6.03(at.%)〕為原料,將快淬粉倒入硬質(zhì)合金模具中,在923 K的溫度下,以300 MPa的壓力將磁體壓致密。隨后,將熱壓磁體在1053 K溫度下壓至高度減少70%。最后,將熱變形試樣機(jī)械粉碎成細(xì)粉,密封保存。

1.2 性能表征

采用X射線衍射儀(XRD, DX-2700)進(jìn)行物相分析,Cu Kα(λ = 1.54 ?)作為衍射源;采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM, JEOL, JSM-7900F)對(duì)樣品形貌進(jìn)行分析,工作電壓為15 kV;將熱變形Sm-Fe-B磁粉與固體石蠟按質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、50%和70%混合,并壓制成內(nèi)徑3.04 mm、外徑7.00 mm的同軸圓環(huán)樣品;采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent 8720ET)對(duì)上述圓環(huán)樣品在0.5～18 GHz頻段范圍內(nèi)的電磁參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1 快淬粉、熱變形Sm-Fe-B磁體(沿垂直于壓力方向)和熱變形Sm-Fe-B粉末的XRD圖譜

圖2為熱變形磁體截面的SEM-BSE圖和其磁粉的SEM形貌,由圖2(a)可以看到熱變形Sm-Fe-B內(nèi)部板條狀晶粒大多垂直于壓力加載方向,呈現(xiàn)明顯的取向排列,與圖1XRD結(jié)果一致。圖2(b)為熱變形磁粉的形貌表征,其典型厚度約為12.25 μm,粉末呈現(xiàn)出明顯的薄片狀,具有較大的徑厚比,且分散性較好,無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。由此推斷熱變形Sm-Fe-B磁粉具有較大的形狀各向異性場(chǎng)。

(a)熱變形Sm-Fe-B截面內(nèi)部BSE-SEM照片,(b)熱變形Sm-Fe-B磁粉的SEM照片圖2 熱變形Sm-Fe-B的形貌

2.2 微波吸收性能的分析

根據(jù)傳輸線理論,單層復(fù)合材料的反射損耗(RL)可以利用復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)由公式(1)計(jì)算[7]:

(1)

(2)

(3)

其中,Zin為輸入阻抗;Z0為自由空間的阻抗;μr為復(fù)磁導(dǎo)率,εr為復(fù)介電常數(shù);f為電磁波頻率;d為吸收體的厚度;c為光速。

通過傳輸線理論,由公式(1)和(3)計(jì)算材料特定厚度特定頻率下的反射損耗,繪制如圖3所示不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的單層吸收體在不同厚度下的反射損耗三維圖、等高線圖、以及反射損耗隨頻率變化曲線。由圖3(a～c)可以看出熱變形Sm-Fe-B磁粉質(zhì)量填充比為30%時(shí),在全測(cè)試波段,反射損耗都未超過-5 dB,最大反射損耗只有-1.78 dB。當(dāng)熱變形Sm-Fe-B磁粉質(zhì)量填充為50%時(shí),涂層厚度為5.08 mm的復(fù)合材料在18 GHz時(shí),反射損耗RL達(dá)到-13.14 dB,且該厚度下的有效吸收帶寬(Effective absorption bands,簡(jiǎn)稱EAB),即RL≤-10 dB的頻寬為0.53 GHz。涂層厚度為5.23 mm時(shí),EAB為1.05 GHz;涂層厚度增至6.00 mm時(shí),在15.11 GHz出現(xiàn)最大反射峰,峰值為-12.76 dB(圖3(d-f))。當(dāng)磁粉質(zhì)量填充比進(jìn)一步增大至70%,吸收體在涂層厚度僅為1.33 mm時(shí),在15.7 GHz下最大反射損耗為-36.84 dB,并且在14.24～17.39 GHz的較寬頻段內(nèi)材料反射損耗RL都小于-10 dB,有效帶寬可達(dá)3.15 GHz〔圖3(g～i)〕;涂層厚度為2.83 mm時(shí),在6.8 GHz頻率下出現(xiàn)最大反射損耗RL達(dá)-55.49 dB,且該厚度下的有效吸收帶寬EAB為1.31 GHz。

(a)～(c) 30%熱變形Sm-Fe-B磁粉;(d)～(f) 50%熱變形Sm-Fe-B磁粉;(g)～(i) 70%熱變形Sm-Fe-B磁粉圖3 反射損耗三維圖、等高線圖和RL-f曲線

從圖3(a)、(d)、(g)可知,吸波劑的微波吸收性能與粉末質(zhì)量填充量有著密切關(guān)系,隨著熱變形Sm-Fe-B磁粉的質(zhì)量填充量從30%增加到70%,樣品的最大反射峰逐漸向低頻移動(dòng),最大反射損耗明顯增強(qiáng)。其中70%磁粉質(zhì)量填充比的復(fù)合材料在較薄的厚度下獲得了更強(qiáng)的微波反射損耗,且在較寬的頻段內(nèi)都表現(xiàn)出優(yōu)異的微波吸收特性。

2.3 微波吸收機(jī)理的分析

圖4為不同質(zhì)量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的電磁參數(shù)隨頻率變化曲線。從圖4(a)中可以看到,在0.5～18 GHz范圍內(nèi),隨著磁粉質(zhì)量填充量的增大,介電常數(shù)實(shí)部明顯增大,尤其填充比為70%時(shí)出現(xiàn)大幅的提升,這歸因于高頻變化電場(chǎng)下極化弛豫隨吸收劑有效含量的增加,極化作用隨之增強(qiáng)[8]。另外,從圖4(b)中可以看出,隨著質(zhì)量填充的增加,介電常數(shù)虛部也明顯提升。這歸因于復(fù)合材料中吸收劑含量較高,樣品中導(dǎo)電性成分含量增加,材料的電導(dǎo)率增大[9],同時(shí)由于較高濃度的磁性顆粒在材料內(nèi)部團(tuán)聚造成內(nèi)部組成之間連接程度增大,極化能力大幅增加,介電常數(shù)虛部隨之增大[8]。此外,隨著質(zhì)量填充量的增大,介電常數(shù)虛部隨頻率變化曲線中逐漸出現(xiàn)弛豫峰,其中,磁粉填充比為70%的復(fù)合材料的ε″-f曲線中的弛豫峰最為明顯,表明該頻率范圍內(nèi)存在非常強(qiáng)烈的介電極化弛豫作用。最可能的是,熱變形Sm-Fe-B磁粉內(nèi)部的富Sm相與主相Sm2Fe14B之間由于電化學(xué)性能的不同,引發(fā)了界面極化弛豫的發(fā)生,隨著熱變形Sm-Fe-B磁粉填充量的提高,復(fù)合材料內(nèi)部界面極化作用越來越明顯,從而導(dǎo)致了弛豫峰的強(qiáng)化。為了進(jìn)一步直觀的評(píng)估不同質(zhì)量填充量復(fù)合材料的介電損耗能力,繪制了tanδE-f曲線,如圖4(c)所示。從圖中可以看到與介電常數(shù)虛部相似的曲線變化趨勢(shì),說明隨著質(zhì)量填充量從30%提升到70%,介電損耗確實(shí)有大幅提高。

(a)復(fù)介電常數(shù)實(shí)部;(b)復(fù)介電常數(shù)虛部;(c)介電損耗;(d)復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部;(e)復(fù)磁導(dǎo)率虛部;(f)磁損耗圖4 不同質(zhì)量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的電磁參數(shù)。

圖4(d-f)顯示了0.5～18 GHz范圍內(nèi),不同磁粉質(zhì)量填充量的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線。由圖4(d)磁導(dǎo)率實(shí)部曲線即可看出,由于受到Snoek極限的限制,磁導(dǎo)率實(shí)部隨著頻率的增大而減小,并且隨著吸收體中磁粉填充量的提高,磁導(dǎo)率實(shí)部值呈現(xiàn)出微小的下降趨勢(shì), 表明相應(yīng)磁能儲(chǔ)存能力的下降。另一方面,如圖4(e)所示,所有樣品的磁導(dǎo)率虛部都出現(xiàn)共振峰,且隨著磁粉填充量的增加,共振峰越來越明顯,峰位也逐漸向高頻移動(dòng)。根據(jù)Aharoni的理論[10],低頻段共振峰由自然共振引起,高頻段共振峰與熱變形磁粉內(nèi)部納米晶粒之間作用的交換共振有關(guān)。另外,磁導(dǎo)率虛部的明顯增大說明了材料內(nèi)部由于吸收劑含量的提高,磁損耗能力顯著提升。圖4(f) tanδμ-f曲線中也可看出與磁導(dǎo)率虛部相似的變化趨勢(shì),隨著磁粉填充量的提高,tanδμ值也逐漸升高,表明相應(yīng)磁損耗能力的提升。

阻抗匹配和衰減常數(shù)是影響電磁波有效吸收的關(guān)鍵因素。當(dāng)阻抗匹配|Zin/Z0|等于或接近1.0時(shí),大部分電磁波進(jìn)入吸收體內(nèi)部而不是在表面被反射出去。圖5為不同質(zhì)量填充量的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的微波吸收特性曲線。在質(zhì)量填充量較低,匹配厚度為1～6 mm時(shí),并未出現(xiàn)完全損耗對(duì)應(yīng)的反射損耗峰。由圖5(c)可以看出,當(dāng)磁粉的質(zhì)量填充比達(dá)到70%時(shí),在6.8 GHz出現(xiàn)完全阻抗匹配 ,在2.83 mm的匹配厚度下,完全阻抗匹配頻率與最大反射損耗峰的頻率相對(duì)應(yīng)。說明此時(shí)電磁波能最大程度的進(jìn)入該吸收體內(nèi)部。

圖5 不同質(zhì)量填充比的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的微波吸收特性曲線

此外,衰減常數(shù)是評(píng)價(jià)入射電磁波耗散效果的另一個(gè)重要參數(shù),可以用下式表示[11]:

(4)

圖6顯示了不同磁粉填充量的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的衰減常數(shù)α隨頻率變化曲線。所有樣品的α-f曲線中都出現(xiàn)了衰減峰,衰減峰對(duì)應(yīng)的頻率與圖6(c)中的介電損耗峰相同,說明強(qiáng)烈的介電極化弛豫在電磁波衰減過程中發(fā)揮了重要的作用。另外,隨著質(zhì)量填充量的增大,復(fù)合材料的α值也隨之增大,說明α值隨Sm-Fe-B磁粉含量的變化,符合有效介質(zhì)理論。其中,磁粉含量為70%的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料擁有最大的衰減常數(shù)。由此說明,優(yōu)異的衰減性能可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料中Sm-Fe-B磁粉的含量來實(shí)現(xiàn)。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱變形Sm-Fe-B磁粉/石蠟復(fù)合材料的衰減常數(shù)

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同質(zhì)量填充比的熱變形Sm-Fe-B/石蠟復(fù)合材料的微波吸收性能及機(jī)理研究發(fā)現(xiàn),相較于30%和50%的質(zhì)量填充比,在石蠟中質(zhì)量填充比為70%的熱變形Sm-Fe-B具有更優(yōu)異的微波吸收性能。更易在較薄的涂層厚度下獲得較強(qiáng)的微波反射損耗并具有更寬的有效吸收帶寬,在厚度為2.83 mm時(shí),在6.8 GHz下可獲得最大反射損耗達(dá)-55.49 dB,當(dāng)樣品厚度為1.33 mm時(shí),在15.7 GHz下最大反射損耗為-36.84 dB,且有效吸收頻寬(RL≤-10.0 dB)可達(dá)3.15 GHz。主要原因在于熱變形Sm-Fe-B質(zhì)量濃度的增大可以有效增大復(fù)合材料中的界面極化作用、電導(dǎo)損耗、以及自然共振和交換共振作用,同時(shí)提升材料的介電損耗和磁損耗,增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)電磁波的衰減作用。