磁性吸波材料的研究進(jìn)展及展望

1、磁性吸波材料的研究進(jìn)展及展望土磊，朱保華(桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)為工稈學(xué)院，廣西桂林541004)摘要：綜述了磁性吸波材料的研究現(xiàn)狀；總結(jié)了鐵氧體磁性吸波材料、金屬微粉磁性吸波材料、多晶金 屬纖維磁性吸波材料和納米磁性吸波材料的最新研究進(jìn)展；指山了日前研究存在的一些問題。通過對(duì) 比發(fā)現(xiàn)，磁性吸波材料研究的卞耍趨勢(shì)為尺度納米化、結(jié)構(gòu)復(fù)合化以及形貌纖維化。不同損耗機(jī)制的復(fù) 合化將是廿前磁性吸波材料的重耍發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：吸波材料；鐵氧休：金屬微粉；多晶纖維；納米材料中圖分類° ：tm 25; tm 27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a文章編號(hào)：1671- 8887( 2011)02- 0037-04re

2、search progress and prospectsof magnetic absorbing material sw an g lei, z h u bao - hua(sch ool o f m aterial s sci en ce an d engin eer ing , g u ili n un iversit yof e lectro ni c science an d t ech n ology , gu il in 541004 , ch in a )abstract: th e recen t research st ate o n m agn et ic ab sor

3、b ing m ateri al s w as review ed t ii e lat est p rogr ess o f elect rom agnet ic vv ave abso rben ts in f er rit e , m etal pow der , pol ycr y_ stall ine m et al f ibers an d nan o_m at erials w as sum m ari zed som e def iciencies in curr en t re sear ch . w as p oin ted o ut. by com p arison ,

4、th e m ain t rcn ds of m agn eti c m icrow ave ab sorb ent s w ere f or w iird t o n ano_scale, com po si te str uctur e an d f ib rou s m o r p ho logy. t he com p osit e of d if f eren t loss m ech an ism w il 1 be an im po rt ant di rect ion o f m icrow ave absorb ers.key words: abso rbin g m at

5、erials; f err it e; m et al p ow1引言隨著屯子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｅ；钪惺?到的電磁輻射不斷增多；同時(shí)為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需 要，隱身材料在武器中將被廣泛應(yīng)用，因此，吸波材 料的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。吸波材料是一種能 量轉(zhuǎn)換材料，能夠冇效地吸收電磁波，并通過能量 轉(zhuǎn)換將電磁能耗散掉或使電磁波因干涉而消失。吸 波材料包括抗電磁干擾和微波吸收材料，甚至還包 括從聲波到紅外線的吸收材料，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò) 大。磁性吸波材料是冃前研究和應(yīng)用最多的一類。 本文主要對(duì)近年來磁性吸波材料的研究進(jìn)展進(jìn)行棊金項(xiàng)口：國(guó)琢:自然基金(50961005);廣西信息材料豆點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上任棊金

6、(桂料能0710908- 12z) 作者簡(jiǎn)介：土磊(1987),男,湖南岳陽(yáng)人.碩士研究生.研究方向: 吸波材料。收稿日期:2011-01-27d er; p olycr yst allin e f ibers; n an o_m ater ials分類總結(jié)。2吸波材料分類吸波材料有許多分類方法，目前尚未有權(quán)威的 定論，主要冇三種分類法：按損耗機(jī)理的不同，可分為介電型吸波材料和磁性吸波材料。介電型吸波 材料的主要特點(diǎn)是具有高的介電常數(shù)和較大的介電 損耗角，以介質(zhì)的電子極化或界面衰減來吸收電磁 波：磁性吸波材料損耗機(jī)理主耍為鐵磁共振吸收，具 冇較大的磁損耗角，以渦流損耗、磁滯損耗、剩余損 耗機(jī)制

7、衰減，吸收電磁波。按成型t藝和承載能力可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型兩類。涂覆型吸波材料是 具有電磁波吸收功能的涂料，其工藝簡(jiǎn)單，使用方 便，因容易調(diào)節(jié)而受到重視，隱身兵器幾乎都使用了 涂覆型吸波材料：結(jié)構(gòu)空吸波材料具有承載和吸波 的雙重功能，其結(jié)構(gòu)形式有蜂窩狀、角錐狀和波紋狀 等。按吸收原理可分為吸收型和干涉型。吸收型 主耍是材料本身對(duì)雷達(dá)波損耗吸收；干涉型則是利 用吸波層表面反射和底層反射波的振幅相等、相位 相反進(jìn)行干涉抵消。3磁性吸波材料研究現(xiàn)狀3.1鐵氧體磁性吸波材料鐵氧體磁性吸波材料是一種復(fù)介質(zhì)材料，對(duì)電 磁波的吸收既有介電特性方而的極化效應(yīng)又有磁 損耗效應(yīng)。具冇吸收率高、涂層薄和頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)

8、， 被廣泛應(yīng)用丁-雷達(dá)吸波材料領(lǐng)域。美國(guó)b_2隱形轟 炸機(jī)和t r_1高空偵察機(jī)均使用鐵氧體作為吸波材 料制備雷達(dá)波隱身涂層。鐵氧體吸波材料的制備方法有固相合成法、水 熱合成法、溶膠凝膠法和化學(xué)共沉淀法等。id前 鐵氧體磁性吸波材料的主要類型有尖晶石型、磁鉛 石型和石榴石型 hl 。其中對(duì)尖晶石型的研究主要 集屮在zn系和ni系以及二者的復(fù)合鐵氧體。dong l in zhao等小采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法制備的niz n鐵氧 體吸波材料，當(dāng)涂層厚度為3 mm時(shí)，反射吸收值小 于-10db的帶寬為3. 3- 12.7 hz,峰值為在頻率 為11.8ghz時(shí)的-49. 1 dbo lee等小通過化學(xué)共 沉

9、淀法制備得到了 nizncu鐵氧體，通過改變zn 原子的替代數(shù)量，在1 ghz得到了 - 47. 05 db的最 小反射吸收值。磁鉛石型鐵氧體吸波材料為六角晶 系，具有較高的磁品各向異性、較大的復(fù)磁導(dǎo)率實(shí) 部 和虛部 、吸收頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，其中以 bafe.20.9及其衍生物為代表，按照晶體的結(jié)構(gòu)不同 分為 m、w、x、y、z 和 u 六札 wang jing 等，?' 采用水熱合成法制備的稀上摻雜w型贏鐵氧體， 當(dāng)涂層匹配厚度為2. im m吋，反射吸收值小于 -10 db的頻帶范圍為9.91&06 gh z,其間吸收 峰峰值達(dá)-51.92 db。徐超等菜用檸檬酸溶膠- 凝膠自

10、蔓延法制備的y型bazncocu鐵氧體在x 波段中，匹配厚度為時(shí)，反射功率損耗大于 10 db的頻寬在3 ghz以上。鐵氧體磁性吸波材料的不足z處是其復(fù)介電 常數(shù)實(shí)部和復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部較小，密度大，飽和磁化強(qiáng)度低，居甲溫度低及高溫穩(wěn)定性差，因此應(yīng) 用范圍受到限制。當(dāng)前關(guān)于鐵氧體作為吸波材料的 研究可以從納米化（降低密度，提高低頻吸波性 能）、合金化（提高抗氧化能力）、纖維化（降低密度, 提高等效電磁參數(shù)）以及添加其他磁性金屬微粉（其中添加稀土元素的研究同取得了較好的效果）等 方面入手，以改善其吸波性能。3. 2金屬微粉磁性吸波材料通常所指的金屬微粉的粒度為0.520 m。金 屬微粉吸波材料具冇居里

11、溫度高、溫度穩(wěn)定性好、在 磁性材料中磁化強(qiáng)度最高、微波磁導(dǎo)率較大、介電常 數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，因此在吸波材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng) 用。它主要是通過磁滯損耗、渦流損耗等方式吸收 電磁波。金屬微粉吸波材料已得到實(shí)際應(yīng)用。如美國(guó) f/a.18c/d大黃蜂 隱身飛機(jī)使用的就是撥基鐵 微粉吸波材料。金屬微粉磁性吸波材料主要有： 按基金屬微 粉吸波材料； 通過熬發(fā)、還原、有機(jī)醇鹽等工藝得 到的磁性金屬微粉吸波材料等。前主要使用的金屬微粉的尺寸通常是110 m,對(duì)丁金屬微粉磁性吸波材料的研究主要集 中在其合金及其化合物方而110-，,并且取得了較好 的效果。有項(xiàng)對(duì)于fe_co合金磁性微粉和中空碳 纖維吸波性能對(duì)比的研究

12、表明,fe_co合金磁性微 粉的吸波性能優(yōu)于中空碳纖維的吸波性能問，前者 在218 ghz的范圍內(nèi)小于-5db的吸收帶寬達(dá) 到12.12gh zo林培豪等'采用電弧熔煉后高能球 磨和晶化熱處理方法制備的ndfeb吸波微粉以及 潘順康等hl采用類似的方法制備的yfecr合金吸 波微粉都獲得了較好的吸波杵能。有研究表明，扁 平化處理（即高能球磨）明顯改善了合金磁性微粉吸 波材料的吸波性能際o雖然對(duì)于磁性金屬微粉吸波性能的研究取得了 較好的效果和應(yīng)用，但是由于磁性金屬微粉的密度 大，抗氧化、耐酸堿能力差，遠(yuǎn)不如鐵氧體；磁性金屬 微粉的填充率不會(huì)很高，電阻率低，介屯常數(shù)較高且 頻譜特性并、低頻

13、段吸收性能較養(yǎng)等原因，磁性金屬 微粉向納米尺度和復(fù)合化的研究l,7jsi將會(huì)是今后 的一個(gè)重要研究方向。3.3多晶金屬纖維磁性吸波材料多晶金屬纖維磁性吸波材料的吸波機(jī)理是渦流 損耗和磁滯損耗，此外它還是一種良導(dǎo)體，具有較強(qiáng) 的介電損耗吸收性能，在外界交變電場(chǎng)的作用下，纖 維內(nèi)的電子產(chǎn)生振動(dòng)，將電磁能部分轉(zhuǎn)化為熱能。 多晶鐵纖維具冇獨(dú)特的形狀各向異性，可在很寬的 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吸收，質(zhì)量比傳統(tǒng)的金屬微粉材料減 輕40%60%,克服了大多數(shù)磁性材料的嚴(yán)重缺 陷。多晶鐵纖維吸波材料貝-有重昴輕、而密度小 （可降至1.52kg/n）2）、頻帶寬（4 18ghz）的優(yōu) 點(diǎn)，并且可以通過調(diào)節(jié)纖維的長(zhǎng)度、育徑

14、、排列方 式、分散劑的含量等調(diào)節(jié)材料的電磁參數(shù)。在國(guó)外，美國(guó)3m公司研制出的亞微米級(jí)多晶 鐵纖維吸波涂層在46 ghz頻帶內(nèi)的反射率低于 5db,在620 ghz頻帶內(nèi)的反射率低于10 db,在1（）. 5 13.5ghz頻帶內(nèi)的反射率低于20 dbo歐洲gam m a公司利用多晶鐵纖維吸波材料 成功研制出雷達(dá)隱身涂層，實(shí)現(xiàn)了寬頻的吸收，其 最人吸收可達(dá)34 dbo據(jù)報(bào)道，該技術(shù)已成功用于法 國(guó)戰(zhàn)略導(dǎo)彈和載人飛行器上。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于多晶金屬纖維磁性吸波材料的研 究還處于起始階段，僅有些初步的探討1，9'22',在 材料的制備、測(cè)試、設(shè)計(jì)方面還很薄弱，需耍更深入 地研究。3. 4納

15、米磁性吸波材料納米材料是指材料尺寸為納米級(jí)（通常為1 100 nm）。納米材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具冇隧道效丿、'、八 量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和界血效應(yīng)等特點(diǎn)。將納米 材料作為吸收劑制成涂料，不僅能很好地吸收電磁 波，而且涂層薄，吸收頻帶寬。納米磁性吸波材料的主要形態(tài)包括納米顆粒 或超微顆粒、多層膜、納米顆粒膜（相對(duì)多層膜來 說，納米顆粒脇中的鐵磁性顆粒呈無規(guī)則的統(tǒng)計(jì)分 布）和納米組裝體系。納米磁性吸波材料理論研究體現(xiàn)在如下兒個(gè) 方而：納米晶粒間強(qiáng)交換偏置效應(yīng)使混亂取向的 晶粒磁矩趨于平行排列，使得材料的矯頑力大幅度 下降，靜態(tài)起始磁導(dǎo)率顯著提高；小尺寸的晶粒、人量存在的晶界和晶格畸變可導(dǎo)致材

16、料的電阻率 顯著增人，從而提高高頻磁導(dǎo)率；具有強(qiáng)各向異性使其口然共振頻率到達(dá)微波頻率，從而保持高的 磁導(dǎo)率；阻尼系數(shù)的增大將降低吸收峰值，但可 以提高半峰的頻寬。上述因素決定了微波磁導(dǎo)率和 磁損耗的主要影響機(jī)理和作用規(guī)律，為納米磁性材 料可作為微波吸收劑提供了可靠的依據(jù)'o目前研究的主要方向有納米磁性薄膜吸波材 料、納米金屬與合金吸波材料、納米陶瓷吸波材料、 納米氧化物吸波材料、納米復(fù)合吸波材料等瞭）。 單一的納米金屬粉或氧化物 期的吸波性能仍存在 頻帶窄、吸收效果養(yǎng)的缺點(diǎn)，而采取復(fù)合方式制得 的合金粉體吸波 性能優(yōu)于純的納米級(jí)金屬。如 l i xue.ai等【巧在fe.d 納米晶上裹

17、覆n i_b合金制 得了粒徑分布為20 50 nm的復(fù)合納米顆粒，并在2- 18 ghz的雷達(dá)波卜考查了 ni_b合金復(fù)合球形 納米顆粒與純feich納米晶的微波吸附性能，發(fā)現(xiàn) 裹覆ni_b合金后的復(fù)合球形納米顆粒大大增強(qiáng)了 微波吸附能力，在磁共振頻率為3. 24. 6 ghz的 范圍內(nèi)，最小反射率衰減卜降了 l（）db。陳康華等卿| 通過對(duì)鋁板進(jìn)行陽(yáng)極氧化，而后在鋁的陽(yáng)極氧化多 孔膨中沉積鐵、線等磁性金屬納米線陣列，制成鋁基 磁性納米線陣列吸波材料。這種材料具有吸波層 薄、吸收率高、與金屬基體結(jié)合強(qiáng)、易于制備的特點(diǎn)， 是一種新型納米磁性薄膜吸波材料。土建等朗以碳 納米管和四針狀納米氧化鋅混合

18、物作為吸收劑、環(huán) 氧樹脂為粘接劑制備吸波涂層，當(dāng)涂層厚度為1.5 mm時(shí)，吸波涂層的最小反射率為-23. 07db,小于 -10db的帶寬為5ghz°胡照文等'采用氣體霧化工藝制備的tu摻雜鐵合金粉為原料，經(jīng)高能球 磨處理和真空退火處理制備薄片狀外形和納米晶微 結(jié)構(gòu)的th摻雜鐵基合金吸收劑，選用改性聚氨酯 為膠粘劑，以th摻雜鐵基合金吸收劑為填料制備 了吸波涂層，厚度為1 mm的涂層在2- 18 ghz全 頻段吸波性能優(yōu)于-4. 5 db。干晨等i利用超聲和 酸處理工藝將膨脹石墨剝離成納米厚度的薄片，并 利用簡(jiǎn)單的共沉積和退火還原工藝在石墨薄片上均 勻沉積了鐵鉆銀磁性合金粒子

19、，這種fesc06n i/石 墨薄片作為吸波劑的復(fù)合材料在12.6 ghz處最大 吸收可達(dá)24 db,有效吸收帶寬（v5 db）達(dá)8ghzo吸波材料的重要發(fā)展方向是提高高頻磁導(dǎo)率和 磁損耗并改善其頻率特性，磁性材料納米化技術(shù)很 可能是實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)的有效途徑。今后關(guān)于納米吸 波材料的研究將主耍集中丁納米材料的電磁性能機(jī) 理、復(fù)合納米材料的制備和處理陽(yáng)、含納米材料吸 波器件的設(shè)計(jì)和制造等方血。其屮，復(fù)合納米材料 的制備和處理工藝作為整個(gè)研究的基礎(chǔ)具冇突出的 重要性。4結(jié)束語(yǔ)綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外在磁性吸波材料的研制 方面還存在頻帶窄、密度大、性能低籌缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍 受到一定限制。今后的主要研究方向?qū)?huì)

20、是：(1) 探索質(zhì)輕、寬頻、無污染的多功能高效吸波 材料、研究兼容型吸波材料(即能兼容米波、厘米 波、毫米波及紅外激光等多波段的吸波材料)、拓寬 吸波波段是未來發(fā)展的方向之、(2) 探索寬頻范圍內(nèi)電磁參數(shù)頻散效應(yīng)不敏感 的新型損耗型吸波介質(zhì)，可在寬頻率范圍內(nèi)同時(shí)滿 足阻抗匹配和強(qiáng)吸收，將是未來吸波材料研究的熱 點(diǎn)和難點(diǎn)。(3) 研發(fā)既能隱身又能承載的多功能結(jié)構(gòu)型吸 波材料，以及能自動(dòng)對(duì)外界作岀最佳響應(yīng)功能的智 能型吸波材料，也是未來隱身材料的主要發(fā)展方向 之一。(4) 開發(fā)具冇納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)包覆的亞微米金屬 磁性纖維制備技術(shù)將是一個(gè)較有前景的新的研究 方向。參考文獻(xiàn)：i 周克省.劉寶剛，黃可龍，

21、等.la“”cczmni_yfc>03微波吸收 待性j1.中國(guó)稀土學(xué)報(bào),2009. 27( 1): 81-85.12鬥方亮，方慶沽，ii勝男，籌.fe3o4/鋰鐵氧體復(fù)合吸波材料的制備耳性能j .磁性材斜及器件、2009,40( 2): 25- 29.i 3|賈瑛，李志鵬.張凌.等.fesoj聚苯胺納米復(fù)合材料的吸波性能研和j j.化學(xué)推遊劑與高分了材料,2009, 7( 5): 33- 37.4 do ng_lin zh ao. q ian g lv. zen g_m in s hen. fabricatio n andm icrow ave abso rbing pp roperti

22、es o t n i_zn spinel ferritesj . j oui nal of a hoys and compounds, 2009、408: 634- 63&5j j ac.jin lee . yan g.ki h ong . ct al. b roadb an dn l zmg cu& ifeioa electro magnetic abs orber for 1 gh za ppliction j. ie ee t rans actions on m agnetics , 2009, 45(10): 4230- 4238.|6|員嘯谷，陳嬌.土麗熙，等鎖鐵氧體

23、吸波涂層的制備及英滋響因素硏究i j i.電了沅件與材料.2010, 29( 4): 2730.| 7| w ang j ing, zh ang h ong , bai sh uxin, et al. m icr ow aveabsor bing p rop erties of rare_earth e lem en ts su bstitutedw_iype barium ferr ite( j j our nal of m agnetism an dm agn etic m aterials. 2007. 312: 310- 313.8 徐超，盧佃沽，劉學(xué)東，等y里bazncocu鐵氣體納

24、米品粒的 合成及具微波性能j 材料科學(xué)與丄稈學(xué)報(bào),2010, 28( 4): 55】554.9 徐!也熊惟鮒，曾愛香，等餚十元索冇磁性吸波材料中的應(yīng) 用研究進(jìn)展j 稀十,2004, 25( 6): 68- 73.i0j陶長(zhǎng)元，李紫龍，杜軍，竽fe_ni_p合金改性空心微珠及吸波性能研究j.壓電與聲光,2009, 31(4) : 571- 574.ii 黃東，斤泰，馮水寶磁性不銹fecr合金吸波材料的電磁與吸波性能j 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010, 28( 3): 395- 398.龐永強(qiáng).程海峰，府耿平.等fe_co合金和山空碳纖維吸波材料的吸波特性研究j.材料導(dǎo)報(bào),2009,23(11):5

25、-8.13 林培空潘順處楊濤，等ndfeb財(cái)料微波吸收待性的研究j 中國(guó)稀十學(xué)報(bào).2010, 28( 5): 639- 642.14 潘順庶楊濤，林培墩 y_fe_cr合金的微波吸收性能j 中 國(guó)有色金屈學(xué)報(bào),2010, 20( 10): 2032- 2037.15 周熠，丘泰，馮永寶扁平化對(duì)fesi吸波材料微波電磁性能 的影響ji電了兀件與材料,2010,29( 4): 31-33.| 16|劉開煤，李德仁，劉大成，等扁平型鐵基晶粉末的臥向?qū)?吸波材料電磁性能的彩響j i金屈功能材料,2010, 17( 5): 1 -4.| 17|林云，鄧科，林展如：茂鐵高分了磁性吸收劑的結(jié)構(gòu)打電 磁性能硏

26、究j 功能材料,200& 39( 7): 1104- 1107.| 18|寶國(guó)秀，官建國(guó)，張萬；等納米詵纖維與璇基詵粉共混制 備輕質(zhì)寬帶吸波涂層材料j金屬學(xué)報(bào),2008? 44( 8) :1001 -1005.19 趙皈聲，聶彥，張秀成多品鐵纖維微波吸收劑的分級(jí)改性 及其用用初探i ji磁性村料及器件.2004, 35( 3): 3234.20 彭什才，陳康華磁性纖維隨機(jī)混合媒質(zhì)等效電磁參數(shù)的計(jì)算j 稀冇金屈材料與工程,2005, 34( 9): 1407- 1410.2ij 李小莉，賈虎生按基多晶鐵纖維吸波件能的硏究|j|.材料 丄程，2007, 3: 14- 17.122j黃小忠.煞炎圖，余維放，等短切磁