热变形Sm-Fe-B质量填充量对微波吸收性能的影响

尤纯子,李 军,王峰义,刘 颖

(四川大学 材料科学与工程学院,四川 成都 610065)

随着无线通信技术的发展和电磁波在军事和民用领域的广泛应用,各个领域对微波吸收剂的需求急剧增加[1]。金属磁性材料具有较高的饱和磁化强度和较宽的吸收带宽,表现出较好的微波吸收潜力。然而,由于Snoek极限的限制和金属磁性材料的低磁导率特性以及它们较高的介电常数容易导致阻抗失配,阻碍其在微波频段的发展[2]。因此,开发具有优异微波磁性能的新材料至关重要。

稀土-铁金属间化合物由于其平面各向异性的特性,可以突破Snoek极限,在更高的频率上获得较高的磁导率,成为高性能薄层微波吸收材料的重要候选人之一[3]。其中,Sm2Fe14B在0～600 K的宽温度范围内稳定表现出平面各向异性,是最具潜力的高性能电磁材料[4]。此外,热变形是一种可以进一步提高其各向异性的有效方法[5]。热变形Re-Fe-B具有平面各向异性场和形状各向异性场的双重各向异性,这有助于获得更好的微波吸收性能。因此利用热变形制备具有平面各向异性的稀土-铁金属间化合物在提高微波吸收性能方面具有独特的优势。

吸收剂在石蜡中的填充量对其微波吸收性能影响巨大,不同质量填充比的热变形Sm-Fe-B磁粉对其微波吸收性能的影响尚未可知。为了促进热变形Sm-Fe-B在微波吸收领域的工程应用,本文详细研究了不同质量填充比的热变形Sm-Fe-B/石蜡复合物微波吸收性能,并对其机理进行了分析。研究发现当热变形Sm-Fe-B磁粉在石蜡中的质量填充量为70% wt时,在厚度为2.83 mm,频率为6.8 GHz,可获得最大反射损耗-55.49 dB。而且该质量填充量下,厚度为1.33 mm的吸收体有效吸收频宽(RL≤ -10.0 dB)为3.15 GHz。通过机理分析可知,主要原因在于该质量填充量下吸收体具有优异的阻抗匹配、高的介电损耗和磁损耗。因此,合适的质量填充量有助于优化热变形Sm-Fe-B在微波吸收领域的应用。

1 实验材料及方法

1.1 热变形Sm-Fe-B磁粉的制备

以尺寸在100～350 μm范围内的快淬粉〔Sm13.51Fe80.46B6.03(at.%)〕为原料,将快淬粉倒入硬质合金模具中,在923 K的温度下,以300 MPa的压力将磁体压致密。随后,将热压磁体在1053 K温度下压至高度减少70%。最后,将热变形试样机械粉碎成细粉,密封保存。

1.2 性能表征

采用X射线衍射仪(XRD, DX-2700)进行物相分析,Cu Kα(λ = 1.54 Å)作为衍射源;采用场发射扫描电子显微镜(FESEM, JEOL, JSM-7900F)对样品形貌进行分析,工作电压为15 kV;将热变形Sm-Fe-B磁粉与固体石蜡按质量分数30%、50%和70%混合,并压制成内径3.04 mm、外径7.00 mm的同轴圆环样品;采用矢量网络分析仪(Agilent 8720ET)对上述圆环样品在0.5～18 GHz频段范围内的电磁参数进行测试。

2 实验结果及分析

2.1 微观结构分析

图1 快淬粉、热变形Sm-Fe-B磁体(沿垂直于压力方向)和热变形Sm-Fe-B粉末的XRD图谱

图2为热变形磁体截面的SEM-BSE图和其磁粉的SEM形貌,由图2(a)可以看到热变形Sm-Fe-B内部板条状晶粒大多垂直于压力加载方向,呈现明显的取向排列,与图1XRD结果一致。图2(b)为热变形磁粉的形貌表征,其典型厚度约为12.25 μm,粉末呈现出明显的薄片状,具有较大的径厚比,且分散性较好,无明显团聚现象。由此推断热变形Sm-Fe-B磁粉具有较大的形状各向异性场。

(a)热变形Sm-Fe-B截面内部BSE-SEM照片,(b)热变形Sm-Fe-B磁粉的SEM照片图2 热变形Sm-Fe-B的形貌

2.2 微波吸收性能的分析

根据传输线理论,单层复合材料的反射损耗(RL)可以利用复磁导率和复介电常数由公式(1)计算[7]:

(1)

(2)

(3)

其中,Zin为输入阻抗;Z0为自由空间的阻抗;μr为复磁导率,εr为复介电常数;f为电磁波频率;d为吸收体的厚度;c为光速。

通过传输线理论,由公式(1)和(3)计算材料特定厚度特定频率下的反射损耗,绘制如图3所示不同质量分数的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的单层吸收体在不同厚度下的反射损耗三维图、等高线图、以及反射损耗随频率变化曲线。由图3(a～c)可以看出热变形Sm-Fe-B磁粉质量填充比为30%时,在全测试波段,反射损耗都未超过-5 dB,最大反射损耗只有-1.78 dB。当热变形Sm-Fe-B磁粉质量填充为50%时,涂层厚度为5.08 mm的复合材料在18 GHz时,反射损耗RL达到-13.14 dB,且该厚度下的有效吸收带宽(Effective absorption bands,简称EAB),即RL≤-10 dB的频宽为0.53 GHz。涂层厚度为5.23 mm时,EAB为1.05 GHz;涂层厚度增至6.00 mm时,在15.11 GHz出现最大反射峰,峰值为-12.76 dB(图3(d-f))。当磁粉质量填充比进一步增大至70%,吸收体在涂层厚度仅为1.33 mm时,在15.7 GHz下最大反射损耗为-36.84 dB,并且在14.24～17.39 GHz的较宽频段内材料反射损耗RL都小于-10 dB,有效带宽可达3.15 GHz〔图3(g～i)〕;涂层厚度为2.83 mm时,在6.8 GHz频率下出现最大反射损耗RL达-55.49 dB,且该厚度下的有效吸收带宽EAB为1.31 GHz。

(a)～(c) 30%热变形Sm-Fe-B磁粉;(d)～(f) 50%热变形Sm-Fe-B磁粉;(g)～(i) 70%热变形Sm-Fe-B磁粉图3 反射损耗三维图、等高线图和RL-f曲线

从图3(a)、(d)、(g)可知,吸波剂的微波吸收性能与粉末质量填充量有着密切关系,随着热变形Sm-Fe-B磁粉的质量填充量从30%增加到70%,样品的最大反射峰逐渐向低频移动,最大反射损耗明显增强。其中70%磁粉质量填充比的复合材料在较薄的厚度下获得了更强的微波反射损耗,且在较宽的频段内都表现出优异的微波吸收特性。

2.3 微波吸收机理的分析

图4为不同质量填充比的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的电磁参数随频率变化曲线。从图4(a)中可以看到,在0.5～18 GHz范围内,随着磁粉质量填充量的增大,介电常数实部明显增大,尤其填充比为70%时出现大幅的提升,这归因于高频变化电场下极化弛豫随吸收剂有效含量的增加,极化作用随之增强[8]。另外,从图4(b)中可以看出,随着质量填充的增加,介电常数虚部也明显提升。这归因于复合材料中吸收剂含量较高,样品中导电性成分含量增加,材料的电导率增大[9],同时由于较高浓度的磁性颗粒在材料内部团聚造成内部组成之间连接程度增大,极化能力大幅增加,介电常数虚部随之增大[8]。此外,随着质量填充量的增大,介电常数虚部随频率变化曲线中逐渐出现弛豫峰,其中,磁粉填充比为70%的复合材料的ε″-f曲线中的弛豫峰最为明显,表明该频率范围内存在非常强烈的介电极化弛豫作用。最可能的是,热变形Sm-Fe-B磁粉内部的富Sm相与主相Sm2Fe14B之间由于电化学性能的不同,引发了界面极化弛豫的发生,随着热变形Sm-Fe-B磁粉填充量的提高,复合材料内部界面极化作用越来越明显,从而导致了弛豫峰的强化。为了进一步直观的评估不同质量填充量复合材料的介电损耗能力,绘制了tanδE-f曲线,如图4(c)所示。从图中可以看到与介电常数虚部相似的曲线变化趋势,说明随着质量填充量从30%提升到70%,介电损耗确实有大幅提高。

(a)复介电常数实部;(b)复介电常数虚部;(c)介电损耗;(d)复磁导率实部;(e)复磁导率虚部;(f)磁损耗图4 不同质量填充比的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的电磁参数。

图4(d-f)显示了0.5～18 GHz范围内,不同磁粉质量填充量的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的磁导率随频率变化曲线。由图4(d)磁导率实部曲线即可看出,由于受到Snoek极限的限制,磁导率实部随着频率的增大而减小,并且随着吸收体中磁粉填充量的提高,磁导率实部值呈现出微小的下降趋势, 表明相应磁能储存能力的下降。另一方面,如图4(e)所示,所有样品的磁导率虚部都出现共振峰,且随着磁粉填充量的增加,共振峰越来越明显,峰位也逐渐向高频移动。根据Aharoni的理论[10],低频段共振峰由自然共振引起,高频段共振峰与热变形磁粉内部纳米晶粒之间作用的交换共振有关。另外,磁导率虚部的明显增大说明了材料内部由于吸收剂含量的提高,磁损耗能力显著提升。图4(f) tanδμ-f曲线中也可看出与磁导率虚部相似的变化趋势,随着磁粉填充量的提高,tanδμ值也逐渐升高,表明相应磁损耗能力的提升。

阻抗匹配和衰减常数是影响电磁波有效吸收的关键因素。当阻抗匹配|Zin/Z0|等于或接近1.0时,大部分电磁波进入吸收体内部而不是在表面被反射出去。图5为不同质量填充量的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的微波吸收特性曲线。在质量填充量较低,匹配厚度为1～6 mm时,并未出现完全损耗对应的反射损耗峰。由图5(c)可以看出,当磁粉的质量填充比达到70%时,在6.8 GHz出现完全阻抗匹配 ,在2.83 mm的匹配厚度下,完全阻抗匹配频率与最大反射损耗峰的频率相对应。说明此时电磁波能最大程度的进入该吸收体内部。

图5 不同质量填充比的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的微波吸收特性曲线

此外,衰减常数是评价入射电磁波耗散效果的另一个重要参数,可以用下式表示[11]:

(4)

图6显示了不同磁粉填充量的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的衰减常数α随频率变化曲线。所有样品的α-f曲线中都出现了衰减峰,衰减峰对应的频率与图6(c)中的介电损耗峰相同,说明强烈的介电极化弛豫在电磁波衰减过程中发挥了重要的作用。另外,随着质量填充量的增大,复合材料的α值也随之增大,说明α值随Sm-Fe-B磁粉含量的变化,符合有效介质理论。其中,磁粉含量为70%的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料拥有最大的衰减常数。由此说明,优异的衰减性能可以通过调节复合材料中Sm-Fe-B磁粉的含量来实现。

图6 不同质量分数的热变形Sm-Fe-B磁粉/石蜡复合材料的衰减常数

3 结论

本文通过对不同质量填充比的热变形Sm-Fe-B/石蜡复合材料的微波吸收性能及机理研究发现,相较于30%和50%的质量填充比,在石蜡中质量填充比为70%的热变形Sm-Fe-B具有更优异的微波吸收性能。更易在较薄的涂层厚度下获得较强的微波反射损耗并具有更宽的有效吸收带宽,在厚度为2.83 mm时,在6.8 GHz下可获得最大反射损耗达-55.49 dB,当样品厚度为1.33 mm时,在15.7 GHz下最大反射损耗为-36.84 dB,且有效吸收频宽(RL≤-10.0 dB)可达3.15 GHz。主要原因在于热变形Sm-Fe-B质量浓度的增大可以有效增大复合材料中的界面极化作用、电导损耗、以及自然共振和交换共振作用,同时提升材料的介电损耗和磁损耗,增强复合材料对电磁波的衰减作用。