鐵氧體復合材料研究進展

曲茉莉 郭鳳英（黑龍江省環境保護科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150000）

鐵氧體復合材料研究進展

曲茉莉 郭鳳英
（黑龍江省環境保護科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150000）

本文重點介紹了幾種材料對鐵氧體靜磁性能和微波吸收性能的影響。綜述了鐵氧體復合材料的國內外研究進展，并對復合鐵氧體吸波材料的發展前景進行了展望。

鐵氧體；復合材料；靜磁性能；微波吸收性能

中國四大發明之一的指南針就是利用天然鐵氧體Fe3O4制成。鐵氧體微波吸收材料在電磁屏蔽、微波暗室和軍事隱身技術上也發揮著非常重要的作用。

隨著工業技術和電子科技的迅速發展，精密儀器所用元器件不僅要性能優越，還要具有多功能化和小型化的技術特點，因此對鐵氧體材料的性能提出了更高的要求，單一的鐵氧體材料已不能滿足電子科技領域對材料性能的特殊要求，于是鐵氧體的制備技術和化學組成方面的研究得到廣泛發展，為了兼容不同材料的性能優點，鐵氧體復合材料得到重點開發。

美國的F-19偵察機機身就是采用鐵氧體復合微波吸收材料制成。鐵氧體復合材料它不僅具有鐵氧體高的電磁性能，同時可兼具其它材料的特性，可滿足新興技術要求，具有良好的開發前景。

1 鐵氧體復合材料的靜磁性能

鐵氧體的磁性來源于其組成原子未充滿殼層中的電子產生的自旋動量矩和軌道動量矩相結合的磁矩。鐵氧體的飽和磁化強度是由兩個反向平行磁矩的矢量差值決定的。

由于鐵氧體材料內部存在各種雜質和不規則應力，會產生摩擦性阻抗，使鐵氧體產生剩余磁化強度。而鐵氧體的矯頑力主要是由磁疇的不可逆壁移和不可逆疇轉造成的。它與鐵氧體的多種各向異性機制有關，還與內稟特性和化學組成有密切關系。

在以往的研究中，多是通過采用不同的制備技術或改變化學組成等方法來調節鐵氧體的靜磁性能。

而近些年來，將不同性質的材料與鐵氧體相結合制備鐵氧體復合材料，通過調節材料與鐵氧體之間的比例，不僅可以實現材料靜磁性能的可控性，同時實現材料的多功能性。

日本學者采用簡單的共沉淀法制備了天然橡膠-BaFe12O19復合材料。該復合材料的飽和磁化強度隨著BaFe12O19的含量的增加而逐漸升高。而復合材料的矯頑力在鐵氧體百分含量低于50%時，沒有顯著變化。這是由于鐵氧體粒子在天然橡膠中高度分散，且BaFe12O19的粒子尺寸較大，排列方向各異，降低了材料的表面能量。這種天然橡膠-BaFe12O19復合材料的質量輕，價格低，既具有橡膠的柔韌性同時具有良好的磁性能。

鐵氧體磁性材料在醫學領域也有潛在的應用，韓國學者將藻朊酸鹽與鋇鐵氧體結合，合成了藻朊酸鈉- BaFe12O19生物復合材料。該生物復合材料具有良好的磁性能，通過調節BaFe12O19的含量，復合材料的飽和磁化強度可以從11.0 emu/g升高到46.2 emu/g，同時能保持較高的矯頑力3.6 Oe左右。磁性鐵氧體與生物功能材料的有機結合，在磁性靶向給藥、藥物治療技術和惡性腫瘤熱治療等領域具有潛在的優勢作用。多壁碳納米管的比表面積非常高，將其與鐵氧體結合，有效的加強材料的界面極化作用，從而影響材料的靜磁性能和電磁性能。

中國學者就利用多壁碳納米管的這一特點，制備了聚苯胺-鍶鐵氧體-多壁碳納米管復合材料，研究發現復合材料的飽和磁化強度較單相鍶鐵氧體的飽和磁化強度降低較多，而矯頑力卻有顯著提高，從單相鍶鐵氧體的6145.6 Oe升高到7457.17 Oe。矯頑力的大小不僅與材料的性質有關，也與材料的結構有著重要的聯系，聚苯胺和多壁碳納米管與鍶鐵氧體的結合改變了鍶鐵氧體粒子之間的排列結構，影響了疇壁結構從而使復合材料的矯頑力升高。

2 鐵氧體復合材料的微波吸收性能

現代科技的進步使電子信息工業蓬勃發展，先進的電子設備創造了巨大物質文明，同時也把電磁輻射污染問題悄然帶到人類身邊。

研究顯示，電磁輻射不僅會干擾飛機，衛星信號和各種精密儀器的正常運行，更可怕的是，過多的電磁輻射不僅會影響人體的神經系統的正常傳導，還會破壞人體造血系統的功能，損害人類健康。

針對電磁輻射問題，人們已經開發出了多種微波吸收材料廣泛應用在電磁防護和微波暗室等領域。鐵氧體被稱作“雙復介質”，它既是磁性材料，同時也是介電材料，是一種性能優良的微波吸收材料。它在微波暗室，電磁屏蔽和軍事隱身等領域，都占據著不可小覷的地位。根據最近的研究資料顯示，鐵氧體微波吸收材料正向著性能多樣化、組成復合化和功能兼容化的趨勢上發展。

微波吸收材料對電磁波的吸收主要是通過磁損耗tanδM和介電損耗tanδe來實現的。鐵氧體微波吸收材料既是磁損耗型材料，同時也是介電損耗型材料，具有穩定性高、適用頻段廣等特點。但鐵氧體微波吸收材料也有其無法忽視的缺點，如材料密度高、質量重、介電損耗小等，這又限制了其在實際當中的應用。

近年來對介電材料的研究發現，許多高分子聚合物對電磁波也有一定的衰減作用，同時它們價格低廉，合成簡便，密度低質量輕，形貌可控，容易壓制成型。開發鐵氧體與高分子聚合物的復合材料，不僅可以提高鐵氧體微波吸收材料的微波吸收性能，還可以減輕微波吸收材料的質量，達到現代工業對微波吸收材料“輕質、高效、小型化”的要求。

中國學者李良超采用原位聚合法合成聚吡咯/聚苯胺-Zn0.6Cu0.4Cr0.5Fe1.46Sm0.04O4，當聚苯胺（聚吡咯）含量為20wt%時，復合材料的反射損耗為-22.46 dB （-20.90 dB），比單相鐵氧體反射損耗（-16.60 dB）略有提高。單相鐵氧體的吸收帶寬僅為5.16GHz，而復合材料的吸收帶寬為11.15 GHz（11.30 GHz），得到顯著的提高，拓寬了材料的應用頻帶。

臺灣學者研究了聚苯胺-鎳鋅鐵氧體復合材料在2-40GHz頻率范圍內的微波吸收性能，發現復合材料的反射損耗較單相的鎳鋅鐵氧體在高頻段有了非常顯著的提高，在2-18GHz頻段，聚苯胺-鎳鋅鐵氧體（75wt%）的反射損耗從單相鎳鋅鐵氧體的-13dB提高到-20dB，在18-40GHz頻段也從-8.5dB提高到-12dB，同時發現，出現最大吸收的頻率會隨著聚苯胺含量的增加逐漸向高頻段移動。作者徐平對聚吡咯-BaFe12O19復合材料的反射損耗研究也發現了同樣的結果，隨著聚吡咯含量的變化，當聚吡咯含量達到86.5wt%時復合材料的反射損耗最大。微波吸收層厚度也是影響材料微波吸收性能的重要參數。

作者徐平合成了聚苯胺-BaFe12O19復合材料研究了聚苯胺含量及吸收層厚度對反射損耗的影響。聚苯胺/BaFe12O19質量比為2：1時在14.6GHz產生最大吸收為19.7dB，吸收層厚度從2.0mm增加的4.0mm時，此最大吸收位置逐漸向低頻段移動，從14.6GHz逐漸移動到7.3GHz左右。

唐鑫對聚苯胺-M型鋇鐵氧體復合材料吸收層厚度的研究也發現，在吸收層厚度為2.5mm時復合材料的反射損耗最大。以上的研究說明鐵氧體復合材料的微波吸收性能得到有效的提高，拓寬的了鐵氧體的應用領域。

結語

綜上所述，利用不同組分材料的性能特點，開發的多功能新型鐵氧體復合材料，通過對其組分的控制，不僅可以調節復合材料的飽和磁化強度和矯頑力等磁性能參數，改善鐵氧體的靜磁性能，拓寬鐵氧體的應用領域。同時也滿足了現代科技領域對微波吸收劑“高吸收，輕質量，寬頻帶”的技術要求。而且實現了組分之間的優勢互補，使鐵氧體復合材料向著多功能化，小型化的方向發展。

然而被利用來研究復合材料的鐵氧體種類還僅限于如Fe3O4、尖晶石型鐵氧體和M型磁鉛石鐵氧體，而其他磁鉛石型鐵氧體如Y型、U型和Z型磁鉛石鐵氧體以及石榴石型鐵氧體的復合材料還少有研究，這些種類的鐵氧體與尖晶石型鐵氧體和M型鐵氧體相比結構更加復雜，但具有其所不具有的特殊性能。因此可以預見，開發此種類型鐵氧體的復合材料，有望在材料科學領域成為新的研究熱點。[

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TM27

A鐵氧體是一種性能優良的磁性材料，同時也是一種有效的微波吸收材料。鐵氧體作為磁性材料可應用于各種記憶元件、計算機磁性存儲設備和衛星通訊中。

感謝《黑龍江省環境污染損害鑒定評估能力建設》項目資助。