不同形貌羰基铁的复合对电磁特性及吸波性能的影响

卢明明，刘甲，宫元勋，赵宏杰，曹茂盛

（1.航天特种材料及工艺技术研究所，北京 100074；2.北京理工大学，北京 100081）

随着电子信息技术的快速发展，电磁辐射对环境和人类健康的影响日益严重，尤其是随着高超声速飞行器等武器装备的发展，高性能、宽频、强吸收的电磁衰减材料，包括低频电磁衰减材料，急需研发。电子设备能够产生热辐射和释放干扰电磁波，这将损害周边电子元件的功能和寿命。理想的电磁衰减材料不仅仅能屏蔽掉电磁波，更能对电磁波产生强吸收效果，从而维持周边电磁环境的洁净。低频强吸收的吸波材料成为微波吸收领域中的一个重要挑战。

微波吸收材料主要有炭黑、碳化硅、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、铁氧体、羰基铁粉、羰基镍粉、铁硅铝粉等[1-11]。羰基铁作为一种传统的超细金属粉类吸收剂，在微波频段具有磁导率较高、对雷达波能够强烈吸收等优点。卿玉长等人[1]制备了羰基铁/树脂基涂层，结果表明，当涂层厚度为2 mm时，最大反射率在5.12 GHz处达到-32.2 dB。景红霞等人[2]为提高羰基铁在低频段下的吸波性能，采用化学氧化聚合法和物理共混法制备聚苯胺和羰基铁-聚苯胺复合材料。研究发现，在0.3～6 GHz，羰基铁-聚苯胺复合材料的吸波性能较纯羰基铁有了很大提高，最大吸波性能为-39.1 dB。

值得注意的是，不同微观形貌的羰基铁具有不同的微波吸收性能，微观形貌对电磁性能影响巨大。杨芾藜等人[12]对球状和树枝状的羰基铁粉进行了电磁吸波性能研究，结果显示，相比于球状羰基铁，树枝状羰基铁的最大反射率损耗增加了 94%，达到-47.14 dB。片状羰基铁比表面积较大，同时具有高磁导率和高介电常数，导致填充羰基铁粉进行阻抗匹配时比较困难。在微波高频段，片状羰基铁内涡流损耗较大，抑制高频电磁波的进入，导致高频吸波性能不够理想。为了有效降低其介电常数，许多研究者对片状羰基铁进行了改性处理，尤其是包覆处理手段研究较多[13-15]。李泽等人[13]采用溶胶凝胶法和高能球磨法制备了 BaTiO3表面改性羰基铁的复合吸收剂，研究发现，通过 BaTiO3对羰基铁表面改性，能够调节介电常数，在3.2 GHz处，反射率达到-15.5 dB。韩铮等人[14]采用溶胶凝胶法在不同粒径的羰基铁粉表面包覆 TiO2薄膜，研究发现，TiO2薄膜可以有效阻隔颗粒间涡流的形成，包覆层对1 μm粒径的羰基铁粉微波吸收性能有增强作用。但这些方法在降低介电常数的同时也降低了磁导率，增强效果并不好。

本文将球形羰基铁与片状羰基铁混合制作复合材料。通过扫描电子显微镜（SEM）对两种羰基铁的微观形貌进行分析；通过矢量网络分析仪测量5种不同质量配比下（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）羰基铁复合材料的电磁参数，并计算评价其吸波性能，探讨球形羰基铁对片状羰基铁介电常数和磁导率的调节作用，以制备具有优良电磁阻抗匹配的低频复合吸波材料。

1 试验

1.1 羰基铁复合材料试样制备

将片状羰基铁粉和球形羰基铁粉分别按照质量配比 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3进行混合，将混合好的复合粉体倒入装有切片石蜡的玻璃杯内，铁粉质量总含量为87%。将样品加热直至石蜡溶化，搅拌混合均匀后，加入模具中，制备同轴法测试用的小圆环试样。该试样外径7.0 mm，内径3.0 mm，厚度2.0 mm。

1.2 性能表征

1）采用扫描电子显微镜对两种羰基铁的微观形貌进行分析。

2）采用矢量网络分析仪测量5种不同质量配比下羰基铁复合材料的复介电常数和复磁导率，根据传输线理论，计算反射率损耗值。

2 结果及分析

2.1 两种羰基铁粉的形貌分析

图1是两种不同微观形貌的羰基铁粉的SEM图片。图1a中的羰基铁呈片状，片状尺寸范围为1～8 μm，厚度为0.8 μm左右；图1b中的羰基铁呈现球形，颗粒直径范围为 1～5 μm。理论上，相比于球状羰基铁粉，片状羰基铁的形貌有利于形成不连续网络，增加对入射微波的漫反射，还可以带来更多的界面电荷极化，从而增强对电磁波的吸收强度[12]。

2.2 不同配比对羰基铁复合材料电磁性能的影响

微波吸收材料指的是可以吸收或者衰减入射的电磁波，将入射电磁波转化为热能而耗散掉的一类功能材料。良好的微波吸收材料需要从以下两个方面考虑：一方面需要使入射电磁波最大限度地进入材料内部而不被反射，满足阻抗匹配条件；另一方面，进入材料内部的电磁波能够最大程度地被材料转化为热能，即损耗特性。表征吸波性能最主要的参数是材料的复介电常数实部ε′和虚部ε″，及复磁导率的实部μ′和虚部μ″。理论上通过调节材料的电磁参数即可优化材料的吸波性能。一般情况下，ε″和μ″越大，电损耗和磁损耗越大，更多的入射电磁波被衰减掉，材料吸波性能越好。但是吸波性能不仅仅受电磁损耗特性的影响，还需要考虑阻抗匹配条件。需要同时考虑减少电磁波在材料界面上的反射，即需要尽量同时具有良好的阻抗匹配和损耗特性。

图2是不同配比的羰基铁复合材料在0.3～18 GHz范围内的复介电常数和复磁导率。从图2a和2b中可以看出，介电常数实部ε′和虚部ε″均随频率的增加呈现下降趋势。从图2a中可以看出，随着球形羰基铁含量的增加，羰基铁复合材料的ε′在整个测试频率范围内逐渐下降。以频率3 GHz处为例，ε′从46.8依次下降为 38.3、34.1、28.9、20.3。片状羰基铁和球形羰基铁质量配比为 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的复合材料的ε′在整个频段的变化范围依次为69.2～33.3、53.4～29.8、45.9～28.6、35.6～23.6、23.0～18.4。从图2b可以看出，随着球形羰基铁含量的增加，羰基铁复合材料的ε″在整个0.3～18 GHz范围内逐渐下降。以频率3 GHz处为例，ε″从15.9依次下降为11.2、9.0、5.2、2.2。片状羰基铁和球形羰基铁质量配比为 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的复合材料的ε″，在整个频段的变化范围依次为33.0～13.9、19.8～9.5、16.4～7.4、8.7～3.9、3.4～2.2。

从图2c中可以看出，磁导率实部μ′出现了频散现象。随着频率的增加，不同配比的复合材料的μ′呈现下降趋势。在0.3～4.5 GHz范围内，μ′随着球形羰基铁含量的增加而下降；在4.5～18 GHz范围内，μ′随着球形羰基铁含量的增加而呈现增加的趋势。从图2d中可以看出，磁导率虚部μ″随着频率的增加先升高后下降，呈现一个较大的磁损耗峰；随着球形羰基铁含量的增加，μ″在较低频段下降明显，在较高频段呈现较弱下降趋势。从图2d中可以分析得出，μ″展示出一个明显的损耗峰，随着球形羰基铁含量的升高，损耗峰对应的频率由低频逐渐移向高频。富含片状羰基铁的复合材料磁损耗峰偏向于低频，而富含球形羰基铁的复合材料磁损耗峰偏向于高频。

图3是不同配比的羰基铁复合材料的介电损耗正切值 Tanδe和磁损耗正切值 Tanδu。从图中可以看出，随着球形羰基铁含量的增加，介电损耗逐渐减弱，磁损耗也呈现减弱的趋势。随着频率的增加，介电损耗整体比较平稳，磁损耗呈现增强的趋势。以频率3 GHz处为例，随着球形羰基铁含量的增加，Tanδe从 0.34依次下降为 0.29、0.27、0.18、0.11，Tanδu从0.74依次下降为 0.63、0.57、0.54、0.52，磁损耗减弱幅度较小，保持较高磁损耗。

从图2a和2c中可以看出，相比于复磁导率，羰基铁复合材料明显具有较高的复介电常数，这种高介电常数能够提高材料对电磁波的电损耗性能，但不利于吸波材料的阻抗匹配。片状羰基铁和球形羰基铁质量配比为 3∶1时，复合材料的ε′在整个频段的变化范围为 69.2～33.3。增加球形羰基铁含量，当片状羰基铁和球形羰基铁质量配比为 1∶3时，复合材料的ε′在整个频段的变化范围下降为23.0～18.4。球形羰基铁的加入，有效降低了羰基铁复合材料的复介电常数，这主要是因为片状羰基铁粉的相对减少，导致片状颗粒空间电荷极化被弱化，涡流效应减弱[12]。与此同时，随着球形羰基铁的加入，羰基铁复合材料的复磁导率实部整体变化不大，虚部在低频有少许下降，而在高频变化不大。因此，羰基铁复合材料的复介电常数和磁导率由于球形羰基铁的引入而更为接近，阻抗匹配条件得到优化。

2.3 不同配比对羰基铁复合材料吸波性能的影响

微波吸收材料一般可以通过涂覆的方式附着在金属材料表面。根据传输线原理，羰基铁复合材料的反射率损耗（Reflection loss，缩写RL）可以通过以下公式计算得到：

式（1）中，Z0表示真空阻抗，可以表示为(2)式。

式(2)中，μ0和ε0分别代表自由空间的复磁导率和复介电常数。Zin代表涂层与自由空间界面的归一化输入阻抗，可以表示为：

式(3)中，μr和εr分别代表吸波涂层的相对复磁导率和复介电常数，f代表电磁波频率，d表示吸波涂层的厚度，c代表光速。

从公式(1)、(2)和(3)可以看出，微波吸收材料的阻抗值与自由空间的阻抗值越接近，反射率损耗越小。因此，要使得电磁波全部入射到吸波材料内部，吸波材料的复介电常数和复磁导率必须相等。现实中，没有任何一种材料能够满足这个条件，只能尽可能使两者相匹配。

图4是不同配比的羰基铁复合材料的反射率损耗RL。从图中可以看出，在厚度为2.0 mm时，随着球形羰基铁含量的增加，吸收峰往高频移动，频点由1.98 GHz依次移动至2.42、2.57、3.08、4.44 GHz，吸收峰强度先增强后减弱。片状羰基铁和球状羰基铁比例为1∶2时，羰基铁复合材料在3.08GHz处最大吸波性能为-20.2 dB，在1～4 GHz范围内有效吸波带宽（反射率损耗不大于-8 dB）达到2.43 GHz，比片状羰基铁和球状羰基铁比例为3:1时的有效吸波带宽增大1.11 GHz。

3 结论

1）球形羰基铁加入到片状羰基铁中可以有效降低材料的复介电常数，优化阻抗匹配条件。

2）随着球形羰基铁含量的增加，复合材料吸收峰在1～4 GHz低频范围内往高频定向移动，且在片状羰基铁和球状羰基铁质量配比为1∶2时，羰基铁复合材料在3.08 GHz处最大吸波性能达到-20.2 dB，在1～4 GHz范围内有效吸波带宽（反射率损耗不大于-8 dB）达到2.43 GHz。结果表明，球形羰基铁的加入可以有效增强吸波强度和扩宽低频吸波带宽。

3）根据片状羰基铁和球状羰基铁配比对复合材料电磁参数和吸波性能的影响规律，可针对不同波段的吸波性能需求进行吸波材料设计。