（凝聚态物理专业论文）铁基微粉粘合剂复合材料的微波吸收性能研究.pdf

摘要 磁性微粉末粘结剂复合材料具有高电阻率，低密度，高机械性能，较高化 学稳定性。由于这个原因，磁性微粉末粘结剂复合材料可用于多种应用。良好 的微波吸收性能，需要高的磁导率引起的高磁损耗，又要有适当的介电常数。0 【f e 是一种性能优异、应用广泛的传统的电磁波吸波剂。本文以提高f e 基微粉粘结 剂复合材料的微波吸收性能为目的，设计了各种途径来实现。 第一部分从提高磁损耗的途径出发，利用水热氢气还原的方法制备高磁导 率的片状c 【f e 颗粒，试图通过提高材料的磁导率来增大磁损耗达到增强微波吸收 的目的。实验结果表明，仅仅通过提高材料的磁导率而不注重材料的阻抗匹配问 题，很难使电磁波进入到吸波体中，材料的微波吸收性能不会提高。通过进行表 面z n o 处理后再进行氢气还原的方式，得到了阻抗匹配较好的种复合材料。这 说明，让电磁波进入到吸收体内部才是提高材料微波反射损耗的前提，在此基础 上提高磁导率才是有效的。 第二部分内容，以机械球磨得到的片状羰基铁为基体，对其表面进行一些处 理，改善了材料的表面电磁特性。分别用s i 0 2 和z n o 包覆在羰基铁表面，实验表 明，不管是s i 0 2 作为一种良好的透波材料还是z n o 作为一种介质材料，只有改善 材料的阻抗匹配才有可能会得到优异的微波吸收性能。磁场取向之后会使最大反 射吸收时的厚度变薄。z n o 纳米材料附着在羰基铁的表面，或许引入了多种其它 类型的损耗，使得体系在有比较高的磁损耗的同时，增加了额外的损耗，提高了 整体材料的反射吸收性能。 最后一部分通过微磁学模拟软件o o m m f 进行模拟的手段，研究了片状铁磁 体的高频动态磁性，单片的共振频率依赖于其本身的形状因子，由基特尔公式决 定；片与片之间的静磁相互作用对体系的自然共振频率影响不大，而对边缘共振 模式有较大的影响。 a bs t r a c t m a g n e t i cc o m p o s i t e sp o s s e s sh i g hr e s i s t a n c e ， o u t s t a n d i n gc h e m i c a ls t a b i l i t y a n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ， b e s i d e s ，t h e ya r ei nl o wd e n s i t y b e c a u s eo ft h e s e a d v a n t a g e s ，m a g n e t i cc o m p o s i t e sa r ev a l u a b l ef o rm a n ya p p l i c a t i o n s a m o n g m i c r o w a v ea p p l i c a t i o n so fm a g n e t i cm a t e r i a l s ， e l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r b e r sa r e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nr e c e n ty e a r s a st oo b t a i nag o o da b s o r b i n g p e r f o r m a n c e ， t h em a t e r i a li sn e e d e dw i t hh i 。g hm i c r o w a v e p e r m e a b i l i t y ，h i g hm a g n e t i cl o s s ， a n d am a t c h i n gp e r m i t t i v i t ya sw e l l c 【一f ei sa ne x c e l l e n te l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r b e r ， i ti sw i d e l yu s e da st r a d i t i o n a lm i c r o w a v ea b s o r b e rm a t e r i a l s t h i st h e s i sd e s i g n sa v a r i e t yo fw a y si no r d e rt oi n c r e a s em i c r o w a v ea b s o r p t i o np r o p e r t i e so fi r o n b a s e d c o m p o s i t em a t e r i a l s t h ef i r s tp a r tr e f e r st h ew a yt oi m p r o v em a g n e t i cl o s s b yah y d r o t h e r m a l s y n t h e s i sa n dh y d r o g e nr e d u c t i o nm e t h o d ，h i g hm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo ft h es h e e t a f ep a r t i c l e sw a sp r e p a r e d i no r d e rt og e te n h a n c e dm i c r o w a v ea b s o r p t i o nb y i n c r e a s et h ep e r m e a b i l i t yo ft h em a t e r i a lt oi n c r e a s et h em a g n e t i cl o s s t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a to n l yb yi n c r e a s i n gt h ep e r m e a b i l i t yo ft h em a t e r i a lw i t h o u t i m p e d a n c em a t c h i n gp r o b l e mi sd i f f i c u l tt om a k ew a v e si n t ot h ea b s o r b e r ， a n dt h e m a t e r i a lw i t hh i g hm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yw i l ln o ti n c r e a s et h em i c r o w a v ea b s o r p t i o n p r o p e r t i e s s u r f a c et r e a t m e n tt h e nw a sc a r r i e do u tt og e tb e t t e ri m p e d a n c em a t c h i n g c o m p o s i t em a t e r i a l t h i ss h o w st h a tf o ra b s o r p t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e si n t ot h e b o d ys h o u l df i r s ts o l v et h ei n t e r n a lp r o b l e mi st h em a t e r i a lp e r m e a b i l i t yi ss e c o n d a r y t ot h es i z eo ft h ep r o b l e m t h es e c o n dp a r tr e f e r st ot h es u r f a c et r e a t m e n t so fi r o n f l a k e sb ym e c h a n i c a l m i l l i n ga st h eb a s ei no r d e rt oi m p r o v et h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a t e r i a l s i 0 2a n dz n ow e r ec o a t e do nt h ec a r b o n y li r o ns u r f a c e t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wt h a tn o to n l ys i 0 2a sg o o dw a v e t r a n s p a r e n tm a t e r i a l sb u ta l s oz n o a sad i e l e c t r i cm a t e r i a l ，t h e i re x i t so nt h es u r f a c eo fi r o nc a ni m p r o v et h ei m p e d a n c e m a t c h i n g ；a s ar e s u l t ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw i l lb ee x c e l l e n tm i c r o w a v e a b s o r p t i o np r o p e r t i e s z n on a n o - m a t e r i a la t t a c h i n gt ot h ec a r b o n y li r o ns u r f a c em a y i n t r o d u c eav a r i e t yo fo t h e rt y p e so fl o s s ， m a k i n gs y s t e mi nar e l a t i v e l yh i g h m a g n e t i cl o s si nt h es a m et i m e ， a d d e da d d i t i o n a ll o s sa n di m p r o v e st h em i c r o w a v e a b s o r b i n gp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sm a t e r i a l s t h em a g n e t i cs p e c t r ao ft w om a g n e t o s t a t i cc o u p l e df e r r o m a g n e t i cs t r i p e sw i t h d i f f e r e n td i s t a n c e sw e r ei n v e s t i g a t e d b yt h et h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c to r i e n t e d m i c r o m a g n e t i cf r a m e w o r k ( o o m m f ) c o d e t h es t u d i e ds y s t e m se x h i b i tt w o r e s o n a n c ep e a k s t h eh i g h e rp e a kc a nb ei d e n t i f i e dw i t ht h eb u l km o d ep r e d i c t e db y t h em a c r o s c o p i cl lm o d e l t h el o w e rp e a ko r i g i n a t e sf r o me d g em a g n e t i cm o m e n t s i n f l u e n c eo fm a g n e t o s t a t i ci n t e r a c t i o no nt h et w or e s o n a n c em o d e l sw a ss t u d i e di n d e t a i l a st h ed i s t a n c eb e t w e e nt w os t r i p e si n c r e a s e s ，t h em a g n e t i cs p e c t r u mo ft w o s t r i p e si sc l o s et ot h ec a s eo fas i n g l es t r i p e 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独 立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未 发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注 明引用的内容外，不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的 科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蝉日期： y hs 、乙 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的 规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复 制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州 大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 m 论文作者签名： i j ：、瓣兰，冀j 、 导师签名：憋归期：吐6 、左 。7 ：二枣善二j 1 1 本文研究的背景 第一章绪论 1 1 1 电磁波吸收材料的研究背景 随着经济、科技以及电子工业的发展，各种电子、电气设备为人们的日常生 活和社会建设提供了很大帮助，然而空间电磁环境的日益复杂使电磁波辐射对环 境的影响r 益严重，电磁污染已经成为继噪声污染、空气污染和水污染之后的威 胁人类健康的第四大公害，它不仅影响通讯，甚至直接威胁到人类的健康。另一 方面，随着雷达侦察技术的进步，雷达隐身技术也对吸波材料有了更进一步的要 求，因此开展吸波材料研究无论是军事还是民用都有深远的意义 1 8 】。 电磁波吸收材料是一种能够通过自身的吸收作用衰减电磁波，反射、散射和 透射都很小的一种材料。电磁波吸收材料的研究涉及材料科学、电磁场理论、电 磁波吸收材料和吸收体理论、计算数学等，随着材料设计理论和方法的逐渐受到 重视，电磁波吸收材料的研究逐渐成为电磁兼容( e m c ) 和材料科学中的一个重要 分支。从理论上来讲e m c 技术对电磁波吸收材料的基本要求有两点：( 1 ) 无反 射( 即完全吸收) ；( 2 ) 吸收频带尽可能的宽。寻找无反射吸收材料的新设计方 法一直是人们寻求的目的，但吸收材料也同屏蔽材料一样存在着对电磁波的反射 问题。虽然到目前为止人们已经研究了不少的电磁波吸收材料，但是还无法做到 无反射吸收。但在实际应用中，电子与电气设备要求的电磁波吸收材料大都是低 反射率的电磁波吸收材料。 1 1 2 电磁波吸收材料的机理 按材料损耗机理，吸波材料可分为电损耗型和电磁损耗型。电损耗型包括电 阻型和电介质型两种。非磁性吸波剂均属于电损耗型，它的“= 1 ，t a n 6 m = 0 ，又 可细分为导电损耗型( 非磁性金属粉、炭黑、碳纤维、导电高分子) 和介电损耗型 ( 陶瓷) 。碳化硅、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减在材料电阻上； 钛酸钡属于电介质型吸波材料其机理为介质极化驰豫损耗。电磁损耗型吸波 材料既有电性又有磁性，电损耗、磁损耗均较大的有磁性金属粉等；磁损耗为主 的有铁氧体等。本文主要讨论电磁损耗型吸波材料。 对于磁介质型吸波材料，其”和p ”值越大，即t a n 8 e 和t a n 8 m 值越大，电磁 波转化成热能或其它形式的能量也就越多。而介电常数与磁导率匹配性能越好， 电磁波入射到吸波材料内的能量也就越多，吸收剂的散射也就越多，吸收效果也 就越明显。 当前用磁性材料作为微波吸收剂，一个亟需解决的问题就是，在保持高磁导 率的情况下，尽可能做到阻抗匹配，实现( 层) 薄、( 质) 轻、( 频带) 宽、( 吸 波性能) 强的目标。一个有效的途径就是引入纳米技术，研制纳米复合材料。是 否能通过微米纳米材料的复合得到高的磁导率和良好的阻抗匹配达到一个最佳 的吸波效果成为本文讨论的主要问题。 1 2 形状各向异性突破s n o e k 极限 1 2 1s n o e k 极限 首先来看在高频下提高磁导率的途径。作为传统的电磁波吸收用亚铁磁性材 料，尖晶石型铁氧体得到了广泛的应用。主要的铁氧体材料为n i z n 及m n z n 铁 氧体。对于k l 为正的多晶无规则分布的立方晶体，其畴转过程引起的起始磁化 率： z o ：墼：z o m s 2 ( 1 1 ) 2 五2 百 磁化转动的共振频率为： 巩= 玎箍) _ 等 2 ， 当交变磁场的频率c o = o = 7 h k 时，发生共振。这种共振是由磁晶各向异性 场和交变磁场共同作用引起的，故称为自然共振。发生自然共振时，交变磁场的 能量损耗出现极大值。因此，自然共振频率是电感磁性材料使用频率的上限，又 称为截止频率。 2 由式( 1 2 ) 可以得到一个重要关系式 1 ( a ，- 1 ) f 0 = y m s ( 1 3 ) j “r 式中，= 1 + 洳为起始磁导率；石= c o o 2 x 为共振频率。 由上式可见，i l i 和石的乘积决定于材料的内禀属性( 丫和m s ) 。这一关系即 s n o e k 极限【9 】，方程1 3 的右边3 m s 又叫s n o e k 常数。 由s n o e k 极限，对于饱和磁化强度确定的铁磁体来说，当提高m 时，而下 降；反之，当降低p i 时，石上升。人们很难同时提高共振频率和磁导率，为了在 高频下获得高的磁导率材料，突破s n o e k 常数的限制成为摆在人们面前的一个不 容回避的挑战。 1 2 2 利用形状各向异性突破s o n e k 极限 19 5 6 年，p h i l i p s 研究院的g h j o n k e r ，h e w i j i n 和p b b r a w n 发现若材料 具有特殊的磁晶各向异性可突破s n o e k 极限。这种各向异性是k l o 的平面型各 向异性，其静态磁矩分布在一个易磁化平面内( 易平面) ，其易平面与c 轴垂直。 如果在c 面内的各向异性很小，则在这个平面内磁化强度的转动很容易发生，因 而磁导率就可能很大。定义磁化强度矢量m 从平衡位置向9 方向偏转时的各向 异性等效场为h o ，定义磁化强度矢量m 从平衡位置转出基平面的各向异性等效 场为h o ( 如图1 1 ) 。与这种平面型铁氧体体系类似，本小组提出一种广义的双 各向异性体系 1 0 】，能从自然共振的角度上理解为什么具有平面各向异性的材料 能够突破s n o e k 极限的限制。对于平面型的铁磁体来说，它的易磁化轴处在垂直 于c 轴的平面( 即基面或c 面) 内。在基平面内的各向异性是很小的，即当磁化 强度矢量m 从平衡位置向p 方向偏转时的各向异性等效场h q 是很小的，但从平 衡位置转出基平面的各向异性等效场h o 则是很大的。对于这种平面型的铁磁晶 体，其自然共振频率而可以证明为 五= 去田p ( 1 4 ) 其起始磁化率) o 为 舭= ；c 鲁+ 瓮， 5 ， 在上式中考虑h 。“h e 的情况 图1 1 双各向异性模型 由式( 1 4 ) 和式( i5 ) 可得到平面型铁磁晶体的而与抽乘积表达式如下： 工( 一一1 ) 2 i y m sv 可h o ( 16 a ) 在c g s 单位制中，r 式变为 舭一) = j 2 彬一薏 ( 1 咖 与式( 13 a b ) 比较可知，由于h 。“h o ，平面型铁磁材料与立方晶系材料相比， 在同样的饱和磁化强度m s 的条件下，其 ( u ，1 ) 乘积值要大得多t 故平面型铁 磁材料是应用于高频段的很好的材料，可以保证在较高的工作频率下有较高的磁 导率。本文的工作都是基于具有平面各向异性的材料，以保证材料体系具有更高 的磁导率与共振频率的乘积。 1 3 介电材料 在吸波材料的研究中，人们对吸收电磁波作用的吸收剂做了大量研究而忽 略了介电材料在吸波体中的作用。这对研究吸波材料是极为不利的。无论是具有 战略意义上的隐身材料，还是测试用的吸波暗室材料，它们的基体都是介电材料。 高电阻的介电材料不仅为电磁波的传输起着通道作用，而且还调节从大气到吸波 体之间的匹配作用 3 】。 介电材料是涵盖范围十分广泛的材料，除了导电材料外，几乎都可以归入介 电材料的范畴。从材料的化学组分出发，可以分为有机介电材料和无机介电材料； 从材料的功能划分，可以分为无耗介电材料和有耗介电材料。无耗介电材料主要 是聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等损耗极低的高分子材料，以及金刚石、a 1 2 0 3 、 s i 0 2 、玻璃等损耗极低的无机材料。有耗介电材料主要有环氧树脂、硅树脂和不 饱和聚酯等高分子材料，以及铁氧体、m n 0 2 等无机材料。 在吸波材料中，透波是一个很关键的问题。透波要求t a n s e 1 0 之并非越大越好，较大的t a n f i 。将会引起反 射加大，限制了其频宽。就透波材料和介电损耗材料与吸波剂组成的吸波体来说， 在t a n 6 。、频宽和厚度之间找到一个确定的最佳点是困难的，它们是受超越方程 控制的，只能寻找一个平衡点。但是，在吸波体中，是介电材料而不是吸收剂起 着调节阻抗匹配的主导作用，另外，介电材料对吸收效率的贡献也是不能忽视的。 透波的实质就是为电磁波提供通道，只有透波性良好的介电材料才能为吸波体的 宽频提供保证，并为所有的吸波剂全都发挥吸波功能创造条件。 满足阻抗匹配与提高吸收效率是一个矛盾的问题，要做到阻抗良好匹配，即 满足了零反射条件，但是吸收效率必然降低。在吸波材料中必须综合考虑吸收效 率与阻抗匹配的关系。阻抗匹配不仅仅是吸波体表层的问题，而是对整个材料而 言。为了解决这个矛盾，通常采用两种方法，一是尽可能的选取电阻率高的复合 介电材料，这时部分损害了完全阻抗匹配，会有少量反射，在较高的频率下会有 满意的效果；二是尽量采用透波能力强的材料。 1 4 提高微波吸收性能的途径 设计原则 2 ： ( 1 ) 设计吸波材料的关键因素之一是提高材料的电磁损耗，使电磁波能量转化为 热能或其它形式的能，从而电磁波在介质中被最大限度地吸收。材料的”、“” 及t a n g 越大，吸收性能越好。损耗的机制可分为3 类：一是与材料电导率有关 的电阻型损耗，即电导率越大，载流子引起的宏观电流( 电场引起的电流和磁场 变化引起的涡流) 越大，有利于电磁能转变为热能；二是与电极化有关的介电损 耗( 反复极化的”摩擦”作用) ，电介质极化过程有电子云位移极化、离子位移极化、 极性介质电矩转向极化、铁电体电畴转向极化及畸壁位移、高分子中原于团局部 电矩转向极化、缺陷偶极子极化等；三是与动态磁化过程有关的磁损耗f 反复磁 化的”摩擦”作用) 。其主要来源是磁滞、磁畴转向、畴壁位移、磁畴自然共振等。 目前，铁氧体、铁电材料多用作微波吸收剂，是因为其磁滞、电滞损耗大。炭 黑、石墨、金属粉等导电填料添加到其它介质中作为吸波材料，实际上增大电阻 型损耗。设计吸波材料时需综合考虑以上多种损耗。 ( 2 ) 设计吸波材料除了要尽可能提高损耗外，还要考虑另一关键因素即波阻抗匹 配问题，使介质表面对电磁波反射系数为0 。电磁波人射到介质表面能最大限度 地进人介质进而被吸收。 ( 3 ) 宽频带、强吸收、轻质、红外线与微波吸收兼容、综合性能好的吸波材料是 目前军事隐身技术研究中的重要课题。单一组分的吸波材料频带有限，而且铁氧 体无机吸收剂质量大对飞行器隐身不利。研究结果表明，某些纳米材料由于具有 特殊电磁光性能和单畴结构，吸收效能远离于常规材料，有些纳米物质具有微波 红外吸收兼容和吸收频带加宽的特性，纳米材料的高效吸收也有利于减轻质量。 一些高分子材料质轻且性能好，通过改性兼具吸波特性。因此，选择多种纳米 组分与高分子材料进行多元复合，有可能研究成吸收强、频宽、质轻、红外微波 隐身兼容且其它性能好的纳米粒子聚合物吸波材料。多元复合也能将电阻型损 耗、介电损耗、磁损耗有效地结合，而且可以设计出组分且电磁参数可调、阻抗 渐变利于披阻抗匹配和吸收的梯度功能吸波材料。目前，人们对纳米复合材料的 其它功能如光电、光学、磁、生物功能等研究得较多，而对吸波功能研究得较少。 选择纳米相与其它物质进行多元复合设计并利用它们的优良性能及其协同效应 6 制造吸波材料有着广阔的应用前景。 ( 4 ) 要增加介质的吸波效能，必须提高”、“”，其基本途径是适当调节电导率与 磁导率，增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”，同时要满足阻抗匹配条件。对单一组元 吸收介质，阻抗匹配和强吸收很难同时满足。只有将多元材料复合，使电磁参数 可调，才能在尽可能满足匹配条件下提高材料吸收损耗能力。尽管提高介质电导 率是增大损耗的重要手段( 电导率大，电阻型损耗大) ，但当电导率到达金属所具 有的电导率时，反射系数接近于1 ，将远离匹配。金属作为吸收剂一般以细粉状 态复合到其它介质( o h 聚合物基体) o e ，整体不呈现金属特性。据分析，存在一个 合适的电导率，使材料的反射率最低。 ( 5 ) 研究材料的吸波特性，还必须从微观理论上探讨固体对电磁波的吸收过程。 包括基本吸收、自由载流子吸收、晶格吸收、杂质和缺陷吸收、光电导和光生伏 特等基本过程，才能从根本上解决吸波材料的理论设计问题。 1 5 当前工作的研究热点 国内外学者在研究并改进传统吸波材料的同时，进行了卓有成效的新材料的 探索，重点研究和应用的吸波材料主要集中在以下几个方面：铁氧体系列( 镍锌 铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体及锂锌铁氧体等) 、纳米吸波材料、多晶铁纤维 吸波材料以及新型纳米复合材料等方面。 1 5 1 铁氧体吸波材料 铁氧体作为微波吸收剂吸波能力强，频带宽，应用广泛。美国b 一2 隐形轰炸 机和t r 一1 高空侦察机均使用铁氧体作为吸波剂制备得到的雷达波隐身涂层。 m r m e s h r a m 11 等人制备的六角形钡铁氧体b a c o o s d t i o 5 d m n o i f e ( 1 2 2 d ) 0 1 9 和b a ( m n t i ) d f e ( 1 2 - 2 d 10 1 9 ，与环氧树脂复合，厚度为2m m ，在8 一1 2g h z 频段内最 小反射衰减为8d b 。徐劲峰 1 2 1 等采用柠檬酸盐溶胶一凝胶法制备了z 型平面六 角铁氧体纳米晶，并对其进行离子取代和稀土掺杂，发现c 0 2 z 型铁氧体在x 波段 ( 8 1 2 g h z ) 和k u 波段( 1 2 1 8 g h z ) 有多个吸收峰，最大吸收量达6 5d b ，1 0d b 带 宽达到6 5g h z 。l e e 1 3 等人通过化学共沉淀的方法制备得到的n i z n c u 铁氧体， 通过改变z n 原子的替代数量，在1g h z 得到了4 7 0 5d b 的最小反射吸收值。 7 但铁氧体、l a 较小，密度大，饱和磁化强度低，随温度升高，吸波能力下 降太快，局限了其在广泛领域的应用。当前关于铁氧体做吸波剂的研究主要集中 在添加其它磁性金属微粉等方面以提高材料的性能。 1 5 2 纳米吸波材料 纳米材料是指材料组分的特征尺寸在纳米量级( 1 1 0 0n m ) 的材料，纳米晶粒 和由此产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米材料的结构特征使其具有了 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和界面效应等特有的性质。因此纳米吸波剂作 为一种新型的吸波材料已成为各国研究的热点之- - 1 4 。金属、金属氧化物和某 些非金属材料的纳米微粉由于其自身的比表面大的特征，处于表面的原子比例 高，高浓度晶界和晶界原子的特殊结构导致材料在电磁场的辐射下，原子、电子 运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收 1 5 1 7 1 。 纳米颗粒表面大量的悬挂键使得界面极化，而高的比表面积造成多重散射，量子 尺寸效应使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于电磁波的量级 范围( 1 0 - 2 1 0 e v ) ，这为纳米吸波材料提供了新的吸收通道。纳米吸波材料的组 分特征尺寸在1 1 0 0n n l 之间。它具有吸波频带宽、兼容性好、质量轻、厚度薄 等特点，是一种很有发展前途的吸波材料。 目前国内外纳米吸波材料主要集中在纳米金属与合金吸波材料、纳米复合膜 吸波材料、纳米陶瓷吸波材料和纳米氧化物吸波材料等方面。美、俄、法、德、 日等国都把纳米吸波材料作为新一代雷达吸波材料进行探索与研究。美国己研制 出一种称作“超黑粉”的纳米吸波材料，其对雷达波的吸收率高达9 9 ，并成功应 用于b 2 隐形轰炸机 1 】，目前正在研究覆盖厘米波、t o n i 波、红外、可见光等波 段的纳米复合材料。l i 1 8 等人用化学气相沉积制备了0 【f e 洲) 纳米颗粒，在4 5 1 8 g h z 的范围内都得到了r l 2 0 d b 的值。当前，纳米材料作为吸波材料还有很多 不完善的地方，比如制粉设备特殊、价格昂贵、工艺复杂、成品率低，纳米尺度 的吸波机制、超细粉体的团聚等问题仍未找到答案。因而，在大规模应用之前， 还有许多工作要做。 1 5 3 多晶铁纤维吸波材料 多晶铁纤维吸波材料的研究始于上世纪8 0 年代中期，它包括f e 、n i 、c o 及 其合金纤维。以涡流损耗、磁滞损耗、介电损耗为损耗机理，多晶铁纤维独特的 形状各向异性决定了多晶铁纤维具有较高的磁导率，而电阻率却很小，因而将有 很强的涡流损耗。上述涡流损耗和磁滞损耗一起共同构成多晶铁纤维的磁损耗。 此外，多晶铁纤维还具有较强的介电损耗吸收。多晶铁纤维是良导体，在外界交 变电场的作用下，纤维内的自由电子发生振荡运动，产生振荡电流，将电磁波的 能量部分地转变为热能。多晶铁纤维具有独特的形状各向异性、层状排列，因而 对电磁波吸收强、兼具频带宽、面密度低、可吸收行波、吸收与入射角无关等特 点，能够克服大多数磁性吸收剂存在的严重缺点。目前在美国、法国等的军事装 备上己投入使用。美国3 m 公司研制的亚微米级多晶铁纤维吸波涂层，该涂层在 4 6g h z 频带内的反射率低于5d b ，在6 2 0g h z 频带内的反射率低于1 0d b ，在 1 0 5 1 3 5g h z 频带内的反射率低于2 0d b 。欧洲伽玛公司研制出一种采用多 晶铁纤维作为吸收剂的新型雷达波吸收涂层，这种吸波涂层可在很宽的频带内实 现高吸收效果，且质量较传统吸波材料减轻4 0 6 0 。据报道，该技术已成功 用于法国国家战略防御部队服役的导弹和载人飞行器。 1 5 4 新型纳米复合材料 新型纳米复合材料用来做吸波材料，是将传统的吸波材料，如羰基铁，镍， 铁氧体做成纳米材料，再在这种纳米材料的表面进行修饰，得到的一种新型纳米 复合材料。近年来也有一些研究人员在做这方面的工作。l i u x g 1 9 2 2 等人相 继研究了f c c c o y 2 0 3 ，f c c c o a 1 2 0 3 ，f e z n o ，f e c o a 1 2 0 3 以及n i z n o 等纳 米复合体系，在高频段下9 1 4g h z 均得到了比较好的微波吸收性能。本小组的 温福界 2 3 1 等人研究了n i 碳纳米管体系，分析了体系中的两种共振模式，指出 高频下，纳米颗粒的共振吸收除了自然共振吸收还有一种交换共振吸收模式。然 而，这种新型的纳米材料，由于吸波剂的纳米化，磁导率很低，并且由于表面效 应等纳米效应的影响，最小反射吸收值一般在8g h z 以上，在低频下( 1 - 4g h z ) 并没有没有很好的吸波性能。 9 微米级金属粉的微波磁导率较高，居里温度比较高。但作为雷达波吸收隐身 涂层。其缺点是抗氧化、耐酸耐碱能力差，远不如铁氧体；介电常数较大，且频 率特性差，低频段吸波能力差；密度较大。通过对磁性金属粉体进行表面改性， 可以改善其自身的缺点，能使其发挥最佳的吸波效果。 1 6 研究的主要目的及主要内容 1 6 1 本文的主要目的及意义 为了消除电磁波影响人们日常生活的问题，对电磁波吸收材料的研究变得越 来越重要，目前应用的吸收材料一般限于在3 0 4 0g h z 高频范围，或者有效频 段很窄等特点，为达到降低吸波材料响应频率，提高吸波强度、拓宽有效频段， 从而使它们能够作为微波吸收材料应用于较低的频段。为此本文做了相应的探索 工作，本课题的主要目的是拓宽吸波材料的应用频率，从调整材料电磁参数角度 入手，确定吸波材料的优化设计方案，开展对吸波剂吸收机理的研究；研究材料 制备工艺，材料的结构及成分对电磁参数和吸波性能影响规律，制备出有应用价 值的电磁波吸收材料。 为了提高微波吸收性能，在尽量宽频的范围内满足阻抗匹配。利用纳米材料 的特性以及微米铁的优良的磁性能，进行纳米微米材料复合，期望得到一种复 合材料满足以上条件以便得到宽、薄、轻、强的微波吸收材料。利用不同电介质 材料与微米铁的复合，初步实现频段可调节，制备出不同电磁参量的复合吸收剂。 通过电介质与微米铁的复合，降低材料的电导率，调节电介质的类型，复合 电损耗与磁损耗，提高吸收性能。改变微米铁表面特性，期望得到合适频段下的 有较强的吸波性能的新型复合材料。研究片状铁磁体体系中的静磁相互作用，讨 论静磁相互作用对高频磁谱的影响。 1 6 2 本文的主要内容 通过水热法制备铁的氧化物，再通过氢气还原的方法制备单质铁，在氢气还 原之前通过进行表面处理，此方法制备得到的片状磁性材料应该没有应力，或许 有更高的磁导率，从磁损耗的角度通过提高样品的磁导率试图提高材料的微波吸 1 0 收性能。 将球磨得到的片状羰基铁颗粒进行表面包覆，通过包覆z n o 及s i 0 2 改善了 羰基铁表面的电磁参数，调节体系的阻抗匹配，实现微米羰基铁的高磁导率和其 它多种损耗机制的复合得到更强吸收的复合材料。 通过微磁学模拟了片状铁磁性材料的高频磁性，讨论了两片状铁磁体之间的 相互作用对磁谱的影响，发现片与片之间存在的偶极相互作用会使体系的自然共 振频率向高频略微移动，并且对体系的边缘共振模式有较明显的影响。 参考文献 1 2 1 】胡传忻主编，隐身涂层技术，化学工业出版社。 2 】康青编著，新型微波吸收材料，科学出版社。 【3 】刘顺华刘军民董星龙等编著，电磁波屏蔽及吸波材料，化学工业出 版社。 4 】廖绍彬， 铁磁学( 下册) ，科学出版社。 5 】宛德福，马兴隆，磁性物理学，电子工业出版社。 6 】近角聪信( 著) ，葛世慧( 译) ，铁磁性物理，兰州大学出版社。 7 】a a h a r o n i ，j a p p l p h y s 6 9 ，7 7 6 2 7 7 6 4 ( 1 9 9 1 ) 8 】o a c h e r ，j o u r n a lo f m a g n e t i s ma n dm a g n e t i cm a t e r i a l s3 2 1 ( 1 4 ) ，2 0 3 3 2 0 3 4 ( 2 0 0 9 ) 【9 j l s n o e k ，n a t u r e16 0 ( 4 0 5 5 ) ，9 0 ( 19 4 7 ) 【10 d s x u e ，f s l i ，x l f a na n df s w e n ，c h i n e s ep h y s i c sl e t t e r s2 5 ( 1 1 ) ，4 1 2 0 - 4 1 2 3 ( 2 0 0 8 ) 1 1 m e s h r a mmr ，a g r a w a ln ks i n h ab ，e ta1 j o u r n a lo fm a g n e t i s ma n d m a g n e t i cm a t e r i a l s ，2 7 1 ，2 0 7 ( 2 0 0 4 ) 。 【1 2 】徐劲峰，郭方方，徐政，磁性材料及器件，3 6 ( 1 ) ，( 2 0 0 5 ) 。 【1 3 】j j l e e ，y k h o n g , s b a e ，j j a l l i ，g s a b o ，w m s e o n u g , w g a h n ， s h p a r k ，c j c h o ia n dj g l e e ，i e e et r a n s a c t i o n so nm a g n e t i c s4 5 ( 10 ) ， 4 2 3 0 ( 2 0 0 9 ) 14 n v u k a d i n o v i c ，j o u r n a lo fm a g n e t i s ma n dm a g n e t i cm a t e r i a l s3 21 ( 14 ) ， 2 0 7 4 ( 2 0 0 9 ) 1 5 焦桓，罗发，周万成宇航材料工艺，3 l ( 5 ) ：9 11 , ( 2 0 0 1 ) 。 1 6 秦嵘，陈雷宇航材料工艺，2 7 ( 4 ) ：1 7 1 9 ，( 1 9 9 7 ) 。 1 7 】丘慧中，宇航材料工艺，2 6 ( 2 ) ：7 1 2 ( 1 9 9 6 ) 。 1 8 d l i ，c j c h o i ，z h a n ，x g l i u ，w j h u ，j l ia n dz d z h a n g ， j o u r n a lo fm a g n e t i s ma n dm a g n e t i cm a t e r i a l s3 21 ( 2 4 ) ，4 0 81 ( 2 0 0 9 ) 【1 9 x g l i u ，j j j i a n g ，d y g e n g ，b q l i ，z h a n ，w l i ua n dz d z h a n g ，a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s9 4 ( 5 ) ，0 5 3119 ( 2 0 0 9 ) 2 0 】x g l i u ，d y g e n g ，h m e n g ，w b c u i ，f y a n g ，d j k a n ga n d z d z h a n g ，s o l i ds t a t ec o m m u n i c a t i o n s1 4 9 ( 1 2 ) ，6 4 ( 2 0 0 9 ) 21 】x g l i u ，d y g e n ga n dz d z h a n g ，a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s9 2 ( 2 4 ) ， 3 ( 2 0 0 8 ) 2 2 x g l i u ，d y g e n g ，h m e n g ，p j s h a n ga n dz d z h a n g ，a p p l i e d p h y s i c sl e t t e r s9 2 ( 1 7 ) ，1 7 3 11 7 ( 2 0 0 8 ) 2 3 f u s h e n gw e n ，h a i b oy i ，l i a n gq i a o ，h o n gz h e n g , d o n gz h o u ，f a s h e nl i ， a p p l i e dp h y s i cl e t t e r s9 2 ，0 4 2 5 0 7 ( 2 0 0 8 ) 1 3 2 1 动态磁性理论 第二章理论基础 2 1 1 复数磁导率【1 3 l 各向同性的铁磁材料在外加交变磁场的作用下，由于存在阻碍磁矩运动的各 项阻尼作用，磁感应强度b 将落后于外加交变磁场h 一定的相位角6 ，称之为 损耗角，设外加交变磁场( 振幅为h m ，频率为0 ) ) 的形式为 日= 以产 ( 2 1 ) 则磁感应强度可表示为： b = 吃删 ( 2 2 ) 根据定义，磁感应强度b 和外加磁场h 的比值即为复数磁导率。根据方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，铁磁材料在外加交变磁场中的复数磁导率为 = 者= 胪b r n 。e - m = i , l - 以” ( 2 3 ) 。 “o hhm 磁导率的实部和虚部旷分别为 “r ：l c o s o c n v - 4 ) “= 。一 一r ， p o hm “一：生s i n 6( 2 5 ) o 爿。 铁磁材料的复数磁导率表达式表明：在外加交变磁场的作用下，铁磁体内既有磁 能的存储，又有磁能的损耗。铁磁体内部存储的能量w 和复数磁导率的实部相关： ：i 1 w 日： ( 2 6 ) 2 ：月m 、厶u 7 铁磁体在外加交变磁场作用下损耗的能量p 和复数磁导率p ”相关： 尸= 去够心h m ( 2 7 ) 铁磁材料的损耗角正切定义为复数磁导率的虚部和实部的比值： 留占：譬 ( 2 8 ) 它表示铁磁材料在交变磁场中每周期损耗的能量与存储的能量之比。 2 1 2 材料的高频损耗机制 2 1 2 1 涡流损耗与趋肤深