磁性吸波材料的研究现状

磁性吸波材料的研究现状

1吸波材料的应用随着电子技术的快速发展，人们日常生活中受到的辐射不断增加。为了满足现代战争的需要，隐瞒材料被广泛应用于武器中。因此，吸收材料的研究具有重要的实用价值。吸波材料是一种能量转换材料,能够有效地吸收电磁波,并通过能量转换将电磁能耗散掉或使电磁波因干涉而消失。吸波材料包括抗电磁干扰和微波吸收材料,甚至还包括从声波到红外线的吸收材料,其应用范围逐步扩大。磁性吸波材料是目前研究和应用最多的一类。本文主要对近年来磁性吸波材料的研究进展进行分类总结。2电磁吸波材料的组成吸波材料有许多分类方法,目前尚未有权威的定论,主要有三种分类法:(1)按损耗机理的不同,可分为介电型吸波材料和磁性吸波材料。介电型吸波材料的主要特点是具有高的介电常数和较大的介电损耗角,以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波;磁性吸波材料损耗机理主要为铁磁共振吸收,具有较大的磁损耗角,以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗机制衰减,吸收电磁波。(2)按成型工艺和承载能力可分为涂覆型和结构型两类。涂覆型吸波材料是具有电磁波吸收功能的涂料,其工艺简单,使用方便,因容易调节而受到重视,隐身兵器几乎都使用了涂覆型吸波材料;结构型吸波材料具有承载和吸波的双重功能,其结构形式有蜂窝状、角锥状和波纹状等。(3)按吸收原理可分为吸收型和干涉型。吸收型主要是材料本身对雷达波损耗吸收;干涉型则是利用吸波层表面反射和底层反射波的振幅相等、相位相反进行干涉抵消。3磁粉材料的研究3.1铁氧体及其衍生物铁氧体磁性吸波材料是一种复介质材料,对电磁波的吸收既有介电特性方面的极化效应又有磁损耗效应。具有吸收率高、涂层薄和频带宽等优点,被广泛应用于雷达吸波材料领域。美国B_2隐形轰炸机和TR_1高空侦察机均使用铁氧体作为吸波材料制备雷达波隐身涂层。铁氧体吸波材料的制备方法有固相合成法、水热合成法、溶胶-凝胶法和化学共沉淀法等。目前铁氧体磁性吸波材料的主要类型有尖晶石型、磁铅石型和石榴石型[1~3]。其中对尖晶石型的研究主要集中在Zn系和Ni系以及二者的复合铁氧体。DongLinZhao等采用传统烧结方法制备的NiZn铁氧体吸波材料,当涂层厚度为3mm时,反射吸收值小于-10dB的带宽为3.3~12.7Hz,峰值为在频率为11.8GHz时的-49.1dB。Lee等通过化学共沉淀法制备得到了NiZnCu铁氧体,通过改变Zn原子的替代数量,在1GHz得到了-47.05dB的最小反射吸收值。磁铅石型铁氧体吸波材料为六角晶系,具有较高的磁晶各向异性、较大的复磁导率实部μ′和虚部μ″、吸收频带宽等优点,其中以BaFe12O19及其衍生物为代表,按照晶体的结构不同分为M、W、X、Y、Z和U六种。WangJing等采用水热合成法制备的稀土掺杂W型钡铁氧体,当涂层匹配厚度为2.1mm时,反射吸收值小于-10dB的频带范围为9.9~18.06GHz,其间吸收峰峰值达-51.92dB。徐超等采用柠檬酸溶胶-凝胶自蔓延法制备的Y型BaZnCoCu铁氧体在X波段中,匹配厚度为1mm时,反射功率损耗大于10dB的频宽在3GHz以上。铁氧体磁性吸波材料的不足之处是其复介电常数实部ε′和复磁导率实部μ′较小,密度大,饱和磁化强度低,居里温度低及高温稳定性差,因此应用范围受到限制。当前关于铁氧体作为吸波材料的研究可以从纳米化(降低密度,提高低频吸波性能)、合金化(提高抗氧化能力)、纤维化(降低密度,提高等效电磁参数)以及添加其他磁性金属微粉(其中添加稀土元素的研究取得了较好的效果)等方面入手,以改善其吸波性能。3.2金属微粉磁通常所指的金属微粉的粒度为0.5~20μm。金属微粉吸波材料具有居里温度高、温度稳定性好、在磁性材料中磁化强度最高、微波磁导率较大、介电常数较高等优点,因此在吸波材料领域得到广泛应用。它主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等方式吸收电磁波。金属微粉吸波材料已得到实际应用。如美国F/A_18C/D“大黄蜂”隐身飞机使用的就是羰基铁微粉吸波材料。金属微粉磁性吸波材料主要有:(1)羰基金属微粉吸波材料;(2)通过蒸发、还原、有机醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料等。目前主要使用的金属微粉的尺寸通常是1~10μm,对于金属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面,并且取得了较好的效果。有一项对于Fe_Co合金磁性微粉和中空碳纤维吸波性能对比的研究表明,Fe_Co合金磁性微粉的吸波性能优于中空碳纤维的吸波性能,前者在2~18GHz的范围内小于-5dB的吸收带宽达到12.12GHz。林培豪等采用电弧熔炼后高能球磨和晶化热处理方法制备的NdFeB吸波微粉以及潘顺康等采用类似的方法制备的YFeCr合金吸波微粉都获得了较好的吸波性能。有研究表明,扁平化处理(即高能球磨)明显改善了合金磁性微粉吸波材料的吸波性能。虽然对于磁性金属微粉吸波性能的研究取得了较好的效果和应用,但是由于磁性金属微粉的密度大,抗氧化、耐酸碱能力差,远不如铁氧体;磁性金属微粉的填充率不会很高,电阻率低,介电常数较高且频谱特性差、低频段吸收性能较差等原因,磁性金属微粉向纳米尺度和复合化的研究将会是今后的一个重要研究方向。3.3多晶铁纤维吸波材料多晶金属纤维磁性吸波材料的吸波机理是涡流损耗和磁滞损耗,此外它还是一种良导体,具有较强的介电损耗吸收性能,在外界交变电场的作用下,纤维内的电子产生振动,将电磁能部分转化为热能。多晶铁纤维具有独特的形状各向异性,可在很宽的频带内实现高吸收,质量比传统的金属微粉材料减轻40%~60%,克服了大多数磁性材料的严重缺陷。多晶铁纤维吸波材料具有重量轻、面密度小(可降至1.5~2kg/m2)、频带宽(4~18GHz)的优点,并且可以通过调节纤维的长度、直径、排列方式、分散剂的含量等调节材料的电磁参数。在国外,美国3M公司研制出的亚微米级多晶铁纤维吸波涂层在4~6GHz频带内的反射率低于-5dB,在6~20GHz频带内的反射率低于-10dB,在10.5~13.5GHz频带内的反射率低于-20dB。欧洲GAMMA公司利用多晶铁纤维吸波材料成功研制出雷达隐身涂层,实现了宽频的吸收,其最大吸收可达34dB。据报道,该技术已成功用于法国战略导弹和载人飞行器上。在国内,关于多晶金属纤维磁性吸波材料的研究还处于起始阶段,仅有一些初步的探讨[19~22],在材料的制备、测试、设计方面还很薄弱,需要更深入地研究。3.4纳米磁性材料在微波吸收剂中的应用纳米材料是指材料尺寸为纳米级(通常为1~100nm)。纳米材料独特的结构使其具有隧道效应、量子效应、小尺寸效应和界面效应等特点。将纳米材料作为吸收剂制成涂料,不仅能很好地吸收电磁波,而且涂层薄,吸收频带宽。纳米磁性吸波材料的主要形态包括纳米颗粒或超微颗粒、多层膜、纳米颗粒膜(相对多层膜来说,纳米颗粒膜中的铁磁性颗粒呈无规则的统计分布)和纳米组装体系。纳米磁性吸波材料理论研究体现在如下几个方面:(1)纳米晶粒间强交换偏置效应使混乱取向的晶粒磁矩趋于平行排列,使得材料的矫顽力大幅度下降,静态起始磁导率显著提高;(2)小尺寸的晶粒、大量存在的晶界和晶格畸变可导致材料的电阻率显著增大,从而提高高频磁导率;(3)具有强各向异性使其自然共振频率到达微波频率,从而保持高的磁导率;(4)阻尼系数的增大将降低吸收峰值,但可以提高半峰的频宽。上述因素决定了微波磁导率和磁损耗的主要影响机理和作用规律,为纳米磁性材料可作为微波吸收剂提供了可靠的依据。目前研究的主要方向有纳米磁性薄膜吸波材料、纳米金属与合金吸波材料、纳米陶瓷吸波材料、纳米氧化物吸波材料、纳米复合吸波材料等。单一的纳米金属粉或氧化物的吸波性能仍存在频带窄、吸收效果差的缺点,而采取复合方式制得的合金粉体吸波性能优于纯的纳米级金属。如LiXue_ai等在Fe3O4纳米晶上裹覆Ni_B合金制得了粒径分布为20~50nm的复合纳米颗粒,并在2~18GHz的雷达波下考查了Ni_B合金复合球形纳米颗粒与纯Fe3O4纳米晶的微波吸附性能,发现裹覆Ni_B合金后的复合球形纳米颗粒大大增强了微波吸附能力,在磁共振频率为3.2~4.6GHz的范围内,最小反射率衰减下降了10dB。陈康华等通过对铝板进行阳极氧化,而后在铝的阳极氧化多孔膜中沉积铁、镍等磁性金属纳米线阵列,制成铝基磁性纳米线阵列吸波材料。这种材料具有吸波层薄、吸收率高、与金属基体结合强、易于制备的特点,是一种新型纳米磁性薄膜吸波材料。王建等以碳纳米管和四针状纳米氧化锌混合物作为吸收剂、环氧树脂为粘接剂制备吸波涂层,当涂层厚度为1.5mm时,吸波涂层的最小反射率为-23.07dB,小于-10dB的带宽为5GHz。胡照文等采用气体雾化工艺制备的Tb掺杂铁合金粉为原料,经高能球磨处理和真空退火处理制备薄片状外形和纳米晶微结构的Tb掺杂铁基合金吸收剂,选用改性聚氨酯为胶粘剂,以Tb掺杂铁基合金吸收剂为填料制备了吸波涂层,厚度为1mm的涂层在2~18GHz全频段吸波性能优于-4.5dB。王晨等利用超声和酸处理工艺将膨胀石墨剥离成纳米厚度的薄片,并利用简单的共沉积和退火还原工艺在石墨薄片上均匀沉积了铁钴镍磁性合金粒子,这种Fe3Co6Ni/石墨薄片作为吸波剂的复合材料在12.6GHz处最大吸收可达-24dB,有效吸收带宽(<-5dB)达8GHz。吸波材料的重要发展方向是提高高频磁导率和磁损耗并改善其频率特性,磁性材料纳米化技术很可能是实现这一目标的有效途径。今后关于纳米吸波材料的研究将主要集中于纳米材料的电磁性能机理、复合纳米材料的制备和处理、含纳米材料吸波器件的设计和制造等方面。其中,复合纳米材料的制备和处理工艺作为整个研究的基础具有突出的重要性。4发展多功能非织造材料综上所述,目前国内外在磁性吸波材料的研制方面还存在频带窄、密度大、性能低等缺点,应用范围受到一定限制。今后的主要研究方向将会是:(1)探索质轻、宽频、无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、