吸波填料W型六角晶系鍶鐵氧體對甲基乙烯基硅橡膠吸波性能的影響

李淑環(huán)，鄒 華

（1.北京橡膠工業(yè)研究設計院，北京 100143；2.北京化工大學 北京市新型高分子材料制備與加工重點實驗室，北京 100029）

微波吸收材料作為有效的雷達隱身介質(zhì)和高靈敏度的抗電磁波干擾材料越來越受到重視[1]。目前高分子基吸波材料的研究主要集中于吸波涂料和吸波樹脂兩種材料，以橡膠等彈性體為主體材料的吸波材料研究甚少。而橡膠基微波吸波材料除了具有優(yōu)良的吸波性能外，還具有柔軟、質(zhì)量小、彈性好、可以任意彎曲和剪裁、使用方便等優(yōu)點，倍受研究人員的關注[2-4]。

鐵氧體是亞鐵磁性的吸波劑，通過磁疇的自然共振在雷達波段（頻率大于108 Hz）具有良好的吸波性能。當交變電磁場角頻率與鐵氧體共振頻率相等時，鐵氧體可以大量吸收電磁波能量。鐵氧體的共振頻率由其磁晶各向異性場強度決定，磁晶各向異性場強度大時鐵氧體的共振頻率向高頻移動，磁晶各向異性場強度小時向低頻移動[5]。與尖晶石系鐵氧體相比，六角晶系鐵氧體的磁晶各向異性場強度較大，因此六角晶系鐵氧體可以作為厘米波甚至毫米波的吸收劑。其中，W型六角晶系鍶鐵氧體（即磁鉛石型鐵氧體）的吸波性能較優(yōu)異[6]，其分子通式為SrMe2Fe16O27（Me為Zn，Co，Mg，Cu，F(xiàn)e，Mn，Ni）。

本工作以甲基乙烯基硅橡膠（MVQ）為主體材料，研究不同W型六角晶系鍶鐵氧體作吸波填料對MVQ吸波性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

MVQ，中昊晨光化工研究院有限公司產(chǎn)品；W型六角晶系鍶鐵氧體（BMA-PX，WPS，WPX），自制；硫化劑雙25（2，5-二甲基-2，5-二叔丁基過氧化己烷），江蘇強盛化工有限公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑A151（乙烯基三乙氧基硅烷），化學純，北京化學試劑公司產(chǎn)品。

1.2 主要設備與儀器

Φ160 mm×320 mm雙輥開煉機，廣東湛江機械廠產(chǎn)品；平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產(chǎn)品；XL-30型場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM），美國FEI公司產(chǎn)品；D/Max 2500 VB2+/PC型X射線衍射儀（XRD），日本理學公司產(chǎn)品；Vantage ESI數(shù)字X射線顯微分析儀（EDS），美國Thermo NORAN公司產(chǎn)品；基于N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀的反射率測量系統(tǒng)和基于PNA E 868B矢量網(wǎng)絡分析儀的電磁參數(shù)測量系統(tǒng)，美國Agileat公司產(chǎn)品。

1.3 膠料配方

MVQ 100，W型六角晶系鍶鐵氧體（變品種）300，硫化劑雙25 4，偶聯(lián)劑A151 6。

1.4 試樣制備

膠料在開煉機上混煉。MVQ與經(jīng)偶聯(lián)劑A151處理的W型六角晶系鍶鐵氧體和硫化劑雙25混煉均勻，混煉膠薄通數(shù)次后出片。

試樣在平板硫化機上硫化（165 ℃/10 MPa×15 min）。長度為180 mm、寬度為180 mm、厚度為1.3 mm的硫化試樣用于測試反射率，外徑為7 mm、內(nèi)徑為3 mm、厚度為2 mm的同軸環(huán)狀硫化試樣用于測試電磁參數(shù)。

1.5 性能測試

ESEM測試：用ESEM觀察吸波填料的粒徑和形貌。

XRD測試：用XRD觀察吸波填料的晶格結(jié)構(gòu)，CuKαX射線源（波長為0.154 nm），掃描角度（2θ）為3～90°。

EDS測試：用EDS測試吸波填料的元素組成。采用Si（Li）探測器，活性區(qū)面積為30 mm2，分辨率為138 eV，可檢測Be～U之間全部元素。

電磁參數(shù)測試：通過基于矢量網(wǎng)絡分析儀的電磁參數(shù)測量系統(tǒng)，采用同軸法測量電磁參數(shù)，掃描頻率為2～18 GHz。

反射率測試：通過基于矢量網(wǎng)絡分析儀的反射率測量系統(tǒng)，采用弓形法測量反射率。以金屬鋁板為襯板，電磁波垂直入射，掃描頻率為2～18 GHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 W型六角晶系鍶鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)和相分析

3種W型六角晶系鍶鐵氧體的ESEM照片見圖1。從圖1可以看出：3種W型六角晶系鍶鐵氧體的形貌都是無規(guī)則的碎石狀顆粒。其中，BMA-PX粒徑分布極不均一，大部分粒徑為5～10 μm；WPS的粒徑分布不均一，大部分粒徑為1～10 μm，平均粒徑約為3 μm；WPX的粒徑分布較均一，大部分粒徑約為5 μm。

圖1 W型六角晶系鍶鐵氧體的ESEM照片

3種W型六角晶系鍶鐵氧體的XRD譜見圖2。與數(shù)據(jù)庫中的標準譜對比，3種W型六角晶系鍶鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)與SrMe2Fe16O27晶體結(jié)構(gòu)相同，證明其為W型六角晶系結(jié)構(gòu)。

圖2 W型六角晶系鍶鐵氧體的XRD譜

3種W型六角晶系鍶鐵氧體的EDS譜見圖3。從圖3可以看出：這3種W型六角晶系鍶鐵氧體都摻雜了Zn和Co兩種元素，只是摻雜比例不同，可以推斷這3種鐵氧體是由Fe2O3，SrO，ZnO和CoO這4種氧化物以不同比例通過陶瓷燒結(jié)而成。計算譜線峰面積得出，BMA-PX的Fe元素質(zhì)量分數(shù)最大，WPS次之，WPX最小；WPX的O元素質(zhì)量分數(shù)最大，WPS次之，BMA-PX最小。

圖3 W型六角晶系鍶鐵氧體的EDS譜

2.2 吸波MVQ的電磁參數(shù)

3種W型六角晶系鍶鐵氧體吸波MVQ的復介電常數(shù)（εr）=ε′-jε″，復磁導率（μr）=μ′-jμ″，介電損耗（tanδe）=ε″/ε′，磁損耗（tanδm）=μ″/μ′。吸波MVQ的ε′和ε″，μ′和μ″，tanδe以及tanδm見圖4。從圖4（a）可以看出，3種W型六角晶系鍶鐵氧體吸波MVQ的介電性能差別不大，ε″都在6～7之間，添加WPS和WPX的吸波MVQ的ε′幾乎為0，添加BMA-PX的吸波MVQ的ε′在0～1之間。從圖4（c）可以看出，添加WPS和WPX的吸波MVQ的tanδe較小，接近0，而添加BMA-PX的吸波MVQ在中低頻的tanδe較大，在頻率10 GHz附近出現(xiàn)介電損耗峰；但3種W型六角晶系鍶鐵氧體吸波MVQ的tanδe均比相應的tanδm[圖4（d）]小得多，這進一步證明了W型六角晶系鍶鐵氧體主要以磁損耗吸收電磁波。從圖4（d）可以看出，添加WPS的吸波MVQ在低頻下的tanδm較大，添加WPX和BMA-PX的吸波MVQ在高頻下的tanδm較大，添加BMA-PX的吸波MVQ的tanδm以及μr[圖4（b)]在中高頻較大，說明添加BMA-PX的吸波MVQ不僅容易實現(xiàn)阻抗匹配，而且內(nèi)部磁損耗也大，所以其吸波性能較好。

圖4 吸波MVQ的電磁參數(shù)

2.3 吸波MVQ的電磁波反射率

3種W型六角晶系鍶鐵氧體吸波MVQ的電磁波反射率見圖5。從圖5可以看出：添加WPS的吸波MVQ電磁波反射率較大，吸波性能最差，雖然其在低頻下有一定的磁損耗，但低頻的吸波材料需要較大的厚度才能實現(xiàn)阻抗匹配，而添加WPS的厚度為1.3 mm以上的吸波MVQ幾乎沒有使用價值。

圖5 吸波MVQ的電磁波反射率

從圖5還可以看出：添加BMA-PX和WPX的吸波MVQ電磁波反射率走勢相似，都是隨頻率增大而降低，吸波性能增強，電磁波反射率絕對值的最大值都超出了本工作研究頻率（18 GHz以上）。在頻率為4～18 GHz時，與添加WPX的吸波MVQ相比，添加BMA-PX的吸波MVQ的電磁波反射率較小，吸波性能較好，這與電磁參數(shù)一致；添加BMA-PX的吸波MVQ的電磁波反射率在中高頻下較低，在頻率為12～18 GHz時小于-10 dB，適用于Ku波段吸收。

3 結(jié)論

W型六角晶系鍶鐵氧體BMA-PX，WPS和WPX均為無規(guī)的碎石狀顆粒，由于元素組成不同，3種W型六角晶系鍶鐵氧體的吸波性能差異較大。其中，F(xiàn)e元素質(zhì)量分數(shù)較大的BMA-PX吸波MVQ磁損耗較大，容易實現(xiàn)阻抗匹配，在中高頻下的電磁波反射率低，吸波性能優(yōu)異。