鐵基金屬復合材料吸波技術研究進展

劉 博，周 巖，張瑩瑩，孫連來，時 卓

（遼寧省輕工科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110012）

隨著無線電通信設備的廣泛應用，電磁干擾和輻射問題已經引起了人們的廣泛關注[1]。電磁輻射不僅會給電子設備和器件帶來干擾，也會給人類帶來健康上的危害[2]，目前常用解決電磁污染問題的方法是采用電磁波吸收材料[3]。其中最常用吸波材料是鐵基金屬軟磁類材料，這種材料具有較好吸波性能，但是具有比重大，填充率高，耐腐蝕性差等缺點，通過將鐵基金屬類軟磁材料與其他材料復合，是其制備改性一個重要方向。

鐵基金屬復合材料是采用物理或者化學方法將鐵基金屬吸波材料與其他材料通過包覆、填充、摻雜等一系列方法合成具有優良性能的復合材料。復合材料具有較大的磁矩、磁化率和較低的矯頑力兼顧更低的相對密度和高的電阻率，同時良好的抗氧化性，耐腐蝕性。目前鐵基金屬復合材料在吸波技術研究方面，主要圍繞復合材料種類分成三個類型：鐵基金屬與碳復合材料，鐵基金屬與氧化物復合材料，鐵基金屬與其它材料的復合材料。

1 鐵基金屬與碳復合材料的研究

鐵基金屬材料與碳材料復合近些年成為人們研究的熱點，一方面由于碳材料的低密度（～1.76 g/cm-3）在吸波材料減重方面巨大優勢，另一方面碳材料具有略高于金屬材料的電阻率，能夠與磁性金屬材料產生界面效應二有利于空間阻抗匹配，同時碳材料具有良好熱穩定性和耐腐蝕性能夠提高整體復合材料的穩定性。

Liu 等人通電弧放電技術制備多種鐵基金屬與碳的復合材料，具體包括(Fe，Ni)/C、.FeNiMo/C、FeNi3/C 等納米膠囊核殼結構的復合材料，其中鐵基金屬納米顆粒作為核，外部包覆一層碳層外殼。對比吸波性能可以發現，(Fe，Ni)/C 這種材料40%摻雜濃度復合材料時在2mm 厚度下，在整個Ku 波段（12.4-18 GHz）具有低于-10dB 的吸波效果，而且材料厚度在1.87-2.1mm變化時，吸波性能不會發生明顯變化；而FeNiMo/C 納米膠囊復合材料具有更加良好的高頻吸波性能，復合材料厚度達到1.7mm，吸波材料反射率在（13-17.8 GHz）具有低于-20 dB 的吸波效果，在2mm 厚度時候具有覆蓋整個X（8.2-12.4GHz）和Ku（12.4-18 GHz）低于-10dB 的吸波效果。FeNi3/C 納米膠囊復合材料，通過納米核殼結構復合技術，吸波特性得到了明顯的提升，復合材料的吸波性能相比單一FeNi3 金屬吸波劑其在相同厚度下的吸波峰值由原來-20dB 達到-30dB。

Li 等采用水熱和冷凍干燥技術合成多元復合鐵基復合吸波材料FeNi/CS/rGO（多孔碳基微球包覆鐵鎳合金與還原氧化石墨烯復合材料），其在1.5mm 厚度下復合材料在15GHz 頻率位置吸波強度可以達到-45.2dB 最大吸波強度, 吸波峰寬度低于-10 dB頻率范圍達到5GHz，具有低厚度，寬吸收，高吸收強度的特點。

Chen 等合成一種HWCNTS/Fe@Fe3O4三元吸波復合材料，該復合材料采用前驅體熱處理技術將磁性核殼形Fe@Fe3O4納米顆粒修飾在H2O2處理的碳納米管(HCNTS) 制備而成，這種材料在1.5mm 厚度下，可達-10dB 的吸收頻率寬度可以達到5.4GHz，具有導電損耗、介電損耗和磁損耗多種電磁波損耗形式，表現出優良的吸波性能。

Zuo 等采用靜電紡絲，穩定化和碳化工藝合成了一種鐵摻雜碳纖維復合材料(P-CNF/Fe)，通過引入多孔結構，降低了納米碳纖維的低頻介電常數，實現了納米碳纖維介電常數和磁導率的阻抗匹配，其在4.42GHz 時，最小反射系數達到了-44.86dB，通過厚度匹配最寬吸波頻率達到3.28GHz，覆蓋頻率范圍（12.96GHz~16.24GHz）。

Jia 等人通過水熱合成、低溫液相混合和高溫惰性熱處理三步法合成一種鐵顆粒包覆氮摻雜無定型碳微球的復合磁性材料，他們發現這種材料在1.2mm 具有-30dB 的電磁屏蔽性能，更重要的是這種反射系數可以降低到-2.3dB，其認為這種材料低反射理想的屏蔽機制源于氮摻雜和磁性成分作用帶來的損耗性能的增強和阻抗匹配條件的優化。

Lou 等人采用預制的Fe3O4/ 木纖維在1000℃原位碳化制備多孔結構C/Fe 復合材料，其發現在匹配厚度為2.2mm，9.86GHz下的最大電磁波損耗值為-32.67dB，同時其具有寬響應吸收頻率，其低于-10dB 的吸收頻率范圍覆蓋3.5GHz 到18GHz 頻率范圍，測試研究認為這種多孔C/Fe 復合材料是一種具有高效寬頻的電磁波吸波材料。

2 鐵基金屬與氧化物復合材料的研究

鐵基金屬與氧化物復合材料也是近年研究一個熱點，氧化物通常具有質量輕、化學穩定性好的優點，其與鐵金屬復合一方面能降低吸波材料整體質量，提高材料的化學穩定性，同時能夠降低鐵基技術表面的電導率，降低渦流效應，提高材料整體阻抗匹配條件。

Liu 等采用電弧放電技術合成自組裝氧化鋁包覆FeCo 納米膠囊復合材料，研究發現這種材料在吸收層厚度為2.0 mm，11.4 GHz 具有最低-30.8db 的反射損耗，他們認為該材料納米顆粒的各項異性與增強的自然共振作用賦予這種材料優良的吸波特性。

Lim 等人采用一種簡單超聲噴霧熱解法合成Fe/MgO 復合材料，他們通過采用超聲噴霧熱解和氫還原法合成了氧化鎂（MgO）基體并將熱解還原的納米鐵粉嵌入其中，研究發現這種材料在1.5mm 的厚度下，其電磁波屏蔽效能能夠達到-65.6dB，小于-20dB 的頻率寬度可以達到約為7.8GHz。同時他們認為這種材料制備方法可推廣到磁性復合材料，用于實驗和工業生產定制具有定制的高帶寬吸收頻率具有可控含量和有效絕緣的磁性顆粒具有重要意義。

Li 等人采用前驅體水解與還原氣氛退火的方法，在納米介孔CoFe 合金表面包覆SiO2制備納米膠囊復合材料。研究發現厚度為2 mm，在13.37GHz 器具有最小的-19.93 dB 的吸波損耗，同時其可獲得4.29GHz 的吸收帶寬（RL<10.0db）。

Wei 等人采用溶膠凝膠技術結合前驅體還原氣氛熱處理技術合成Fe/SiO2復合材料，測試發現這種復合材料在微波波段具有優良的電磁參數性能，其最大反射損耗可以達到-70dB 以上，同時在2mm 左右厚度條件下，其具有寬度達到5GHz 以上（低于-10dB）寬頻吸收性能，是一種潛在高效吸波材料。

Ge 等人采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法合成了核殼結構的CeO2@Fe 復合材料，研究發現這個鐵- 氧化鈰復合材料，在70%wt 的摻雜濃度下在9.6GHz（厚度2.54mm）下，其具有最小反射損耗（RL）-17dB。當摻雜濃度為80%wt，其具有最寬損耗頻段4.24GHz(RL ≤-10 dB)，對應厚度1.24mm。其認為德拜弛豫和界面極化引起的介電損耗和自然共振引起的磁損耗的協同效應是這種復合材料具有高吸波性能的原因。

Xiang 等人采用液相法合成棒狀的MnO2/Fe 二元復合材料，研究發現通過控制復合材料Fe 的合適的比例可以實現調節材料不同吸波性能，在1.5 mm 厚度下，其最小反射損耗值（RLmin）可達-35dB，有效頻率吸收區（fE）為5.6GHz，他們認為呈棒狀復合材料易于形成導電網絡，能夠有效增加介電損耗，從而進一步提高材料的吸波性能。

Javid 等人采用電弧等離子體放電一步合成Fe@ZrO2 納米膠囊鏈復合材料，這種核殼結構的納米結構具有很好的熱穩定性，在437℃空氣中能夠保持穩定。研究發現這種復合材料在3mm 的厚度下，具有反射損耗（RL）-45.36dB 的最小值，在1.5mm 厚度下這種材料RL 小于-10dB 有效吸波頻帶覆蓋10.0GHz~18.0GHz。他們認為這種材料優良的微波吸收能力歸因于多元共振和介電極化，以及合適的電磁匹配。

Li 等人采用電弧放電法合成SnO 包覆FeNi 合金納米膠囊復合材料。研究發現SnO 包覆的FeNi 納米膠囊的自然共振頻率為14.0GHz。在匹配厚度1.95mm，反射損耗在14.8GHz 時達到最大值-46.1db，反射損耗超過-20dB 在13.6GHz~16.7GHz范圍內反射損耗超過-20db，低于-10db 覆蓋整個Ku 頻段（12.4GHz~18GHz）。

3 鐵基金屬與其它復合材料的研究

隨著吸波材料技術研究不斷發展，一些新型的吸波材料不斷發展產生，一些MAX 相陶瓷吸波劑和金屬氮化物等材料引起了研究人員廣泛興趣，而一些研究人員隨之開展其與鐵基金屬復合材料復合技術。

Liu 等人采用碳熱還原法制備Ti3SiC2/Co3Fe7復合粉體，研究發現Ti3SiC2/Co3Fe7粉末在8.2GHz~12.4 GHz（X 波段）頻率范圍內具有良好的吸波性能。厚度為2.4 mm 的樣品的有效吸收帶寬（反射損耗低于-10dB）為.8GHz~11.9 GHz，在10.0GHz 時的最小值為-31.2dB 研究認為這種粉體具有良好的高溫穩定性，可以作為一種潛在高溫吸波材料應用。

Ye 等人采用熱解Sm2Fe17N3粉末技術成功制備了SmN/Fe/Sm2Fe17N3復合材料。研究發現這種材料在0.7-3.2mm 的厚度范圍內均具有超過-20dB 的反射損耗，且其在3.2mm 具有最低-33dB 的反射損耗。由于其優良的電磁性能在未來輕質和超薄電磁波吸波材料方面具有潛在應用。

4 結語

隨著吸波材料技術的不斷發展，新型鐵基復合吸波材料不斷出現，材料從輕質化、穩定性和整體的吸波性能方面均有明顯的提高。然而目前大部分新型材料制備技術大部分基于實驗室研究階段，一些材料制備技術如電弧放電法、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法、液相合成法，從材料制備設備技術角度決定其制備成本價格，短期也難以推廣市場應用，一些簡易的制備技術如機械合金，高溫熱還原法存在產物不穩定，實驗結果重復性差等問題，總之吸波材料研究技術雖然取得長足的進步，但其距離市場化應用仍存在巨大的距離，仍有待于不斷完善和發展。