磁性吸波材料与应用

磁性吸波材料与应用Magnetic Electromagnetic Wave Absorbing Materials and Applications余声明中国西南应用磁学研究所四川绵阳105信箱621000摘要本文论述了磁性吸波材料的基本原理、种类、应用及其发展。

关键词磁性吸波材料应用发展1前言隐身技术是一门新兴边缘科学，涉及多个学科与技术领域，应用十分广泛。

从各种武器装备、飞行器的隐身到现代电子信息设备的抗干扰系统都是不可缺少的实用技术和组成部分。

就武器而言，隐身技术是通过降低电器、武器或飞行器的光、电、热可探性而达到隐身目的的一种技术；或者说是采用多种技术措施，降低对外来信号(光、电、磁波、红外线等)的反射，使反射信号与它所处的背景信号难以区别，最大限度地减弱自身的特征信号，以达到自身隐蔽的效果。

隐身技术可分为有源隐身技术和无源隐身技术。

所谓有源是利用计算机分析外来探测信号，并及时主动发射相应的干扰信号，以达到自身的隐蔽。

而无源隐身技术是一种被动隐身技术，它包括隐身结构技术和隐身材料技术。

隐身结构技术是在尽量不影响功能的条件下降低自身特征信号，并设法减少雷达反射截面积，这在军事上显得特别重要。

可见隐身结构技术和隐身材料技术是隐身技术不可分割的两部分，而隐身材料在实现隐身中起着重要作用，也是研究隐身技术的主要内容之一。

随着电子技术的飞速发展，电子产品特别是移动通讯、计算机、家用电器的普及，人们生存环境遭受到电磁波严重污染，城市高层建筑的增多又引起电子环境的恶化，如何降低电磁波干扰已成为全世界电子行业普遍关注的问题。

隐身材料也是解决电子产品抗电磁干扰的有效方法之一。

隐身材料又称之为吸波材料，其作用把外来的电磁波能量转换为热能，降低反射波的强度，达到隐身或抗干扰的效果。

按吸波材料损耗机理可分为：电阻型、电介质型和磁介质型。

为了达到最佳的隐身效果，常常把多种吸波材料结合起来，构成复合型吸波材料，广泛用于雷达、航天、微波通讯及电子对抗、电子兼容的吸收屏蔽等领域。

本文专门介绍磁性介质主要是铁氧体吸波材料的概貌、应用情况及其发展。

2磁性吸波材料2.1吸波材料工作的基本原理所谓吸波就是吸收电磁波，吸波材料的工作基本原理是：对于一般材料，材料的介电常数ε与磁导率μ可写成以下复数形式：µ′′−µ′=µε′′−ε′=ε∗∗j ;j （1）式中：ε′和μ′分别为吸波材料在电场或磁场作用下产生的极化和磁化强度的变量，而ε″为在外加磁场作用下，材料电偶矩产生重排引起损耗的度量，μ″为在外加磁场作用下，材料磁偶矩产生重排引起损耗的度量。

对介质而言，承担着对电磁波吸波功能的是ε″和μ″，它们引起能量的损耗，损耗因子为tanδ可由下式表示：µ′µ′′+ε′ε′′=δ+δ=δµεtan tan tan （2）可见，tan δ随ε″和μ″的增大而增大。

设计吸波材料除了尽可能提高损耗外，还要考虑另一关键因素，即波阻抗匹配问题，使介质表面对波的反射系数（γ）为0或最小，电磁波入射到介质进而被吸收。

反射系数γ的定义如式（3）所示：Zo Z Z Z in oin +−=γ（3）当波阻抗为Zo 的平面电磁波由自由空间（μ0、ε0）垂直入射到磁导率为μr、介电常数为εr 的吸收媒质时，界面上就会发生反射和透射。

吸收媒质对电磁波的反射损耗我们用R 来表示，单位是dB ：Oin oin Z Z Z Z log 20R +−=（4）式中，Z0一自由空间波阻抗,o oo Z εµ=Zin 一输入波阻抗,rr in Z εµ=式中,μr，εr 分别为材料的相对磁导率，相对介电率。

要获得反射损耗为零（实际上不可能而只能达到最小），吸收媒质的波阻抗必须与自由空间的波阻抗相匹配，即Zin =Z o，这时反射损耗最小，说明电磁波能量被媒质所吸收。

对于有限厚度的吸收媒质，输入波阻抗可表示为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡µε⎟⎠⎞⎜⎝⎛πεµ=r r o o o in c df 2j th Z Z （5）式中，f—电磁波频率：d—吸收媒质的厚度；c—光速。

将(5)式代入(4)式，反射损耗等式就变成一个复数超越函数，它表示反射损耗与媒质的电磁参数存在着复杂的函数关系，只有特定的边界条件才能得到有效解。

对于吸收媒质厚度d 为无限大时，输入波阻抗，要满足反射损耗最小则要求：o o r r εµ=εµ（6）实际上一般媒质的εr 和μr 值相差甚远，只有采用特定的媒质和特殊的工艺设计来调节εr 和μr，才能达到吸收媒质的波阻抗与自由空间的波阻抗相匹配。

如铁氧体粉末要提高它的吸收性能就采用与导电聚合物复合来降低铁氧体的介电常数，而金属磁性粉末则加绝缘树脂来提高介电常数，或改变粉末的外形、尺寸来调整εr 和μr，以满足（6）式要求，从而降低反射损耗提高吸收性能。

实际操作相当复杂，但对于一般通讯设备，只要反射损耗小于20dB ，电磁波即被媒质99%吸收。

铁氧体吸波材料的匹配条件为：1d 2j th r r r r →⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡λµεπεµ（7）式中：λ为自由空间中电磁波长；d 为吸收体的厚度。

由此可见，要获得性能优良的吸波材料必须满足以下要求：(1)入射波最大限度地进入材料内部，而不在其前表面上反射，即材料的匹配特性；(2)进入材料内部的电磁波能迅速地被材料吸收衰减掉，即材料的衰减特性。

但正如许多工程问题一样，这两个要求经常是互相矛盾的。

2.2磁性吸波材料的分类与特性通常说来，具有吸波特性的磁性材料（介质）可分为金属与非金属（铁氧体）两大类，下面予以介绍。

2.2.1铁氧体吸波材料铁氧体吸波材料是应用最早、最多且较成熟的一类磁性材料，即使在低频、厚度薄的情况下仍有良好的吸波性能。

它的基本原理是铁氧体材料的铁磁自然共振吸收。

在不加外恒磁场的情况下，当入射的交变磁场的角频率和晶体的磁各向异性等效场Hk 所决定的本征角频率相等时，铁氧体吸波材料将大量吸收电磁波能量。

本征角频率ωk 由ωk =γHk 确定，γ为旋磁比。

在米波至厘米波范围内，可使反射能量衰减17～20DdB，从50年代至今仍被广泛使用。

按微观结构的不同，可分为六角晶系、尖晶石型、石榴石型和磁铅石型铁氧体。

作为吸波材料应用最广泛的是六角晶系和尖晶石晶系，因为六角晶系具有片状结构，而片状结构是吸收剂的最佳形状。

尖晶石型铁氧体的介电常数ε′和磁导率μ′比较低，用纯铁氧体粉末分散在非磁性体中而制成的复合铁氧体，则可通过铁氧体粉末的粒径、铁氧体粉末与非磁性体的混合比例及铁氧体组成来控制其电磁参数。

目前已研制并广泛应用的有Ni-Zn、Li-Zn、Ni-Mg-Zn 、Li-Cd、Ni-Cd、Co-Ni-Zn 、Mg-Cu-Zn 等铁氧体。

铁氧体吸收材料是利用磁性材料在高频下磁损耗和磁导率的频散来吸收电磁波能量的，从磁导率的频散曲线(图1)可以看出曲线分为5个区域，这五个区域出现的吸收机理各不相同。

图中μ'为磁导率的实数部分，μ"为磁导率的虚数部分。

在低频区域(I)f<104Hz 时，μ'几乎不随频率而改变，μ"的变化也很小；在区域(II)f 为l04～106Hz 时，μ'和μ"的变化也很小，但μ"出现峰值，该峰值是由样品的尺寸共振所引起的吸收，由样品的几何尺寸与传播的电磁波的半波长相而产生的驻波所引起的共振吸收，与材料特性无关；在区域(HI)f 为l06～l08Hz 时，μ'急剧下降，μ"迅速增加，此时磁损耗迅速增大出现共振吸收，这主要是畴壁位移引起的共振吸收；在区域(IV)f 为l08～l011Hz 时，μ'继续下降，而μ"在此区域又出现峰值，这是由于磁畴内磁矩转动所引起的自然共振吸收；在极高频区域(V)f>1010Hz 时，属于自然交换共振，实验观察并不多见。

对于铁氧体粉末材料来说吸波机理主要是自然共振。

不同结构的铁氧体其自然共振频率不同。

传统的立方晶系尖晶石型的铁氧体(Zn —Ni ，Li —Zn ，体)其共振频率可表达为：1M 484.1f r sc −µπ=（8）从公式中可见其自然共振频率与材料的Ms 成正比，与磁导率μr 成反比，即磁化强度高的材料fc 高，磁导率高的材料fc 低，对于尖晶石型铁氧体一般只能在小于3GHz 频段使用。

共振频率还与磁各向异性有关，如对于平面六方晶系铁氧体，有强的单轴各向异性，如Co2Z 型的Ba3Co2Fe24O41铁氧体，其共振频率可表达为：θφφφθ+γ=−µk k k k s r c H H H H M 32)1(f （9）其中θk H 为与轴向夹角θ的磁各向异性场；φk H 为与轴向夹角φ的磁各向异性场，θk H 比φk H 大二个数量级。

表1示出了两种晶系共振频率的比较，可以看出磁导率高的共振频率低，六角晶系共振频率比立方晶系高2～3个数量级，适合于做超高频吸收材料。

2..2.2新型铁氧体吸波材料1）金属磁性超微粉吸波材料隐身技术始于第二次世界大战。

作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段，已被当今世界各国视为重点开发的军事高新技术，尤其是随着雷达探测技术的发展，原有的隐身技术面临着很大的挑战，迫切需要厚度薄、质量轻、频带宽、功能多的新型隐身材料。

新型吸波材料要求薄、轻、宽、强，即要求密度小，重量轻，吸收频率宽，吸收能力强。

如果把相关数据代人（4），那么材料的吸收损耗就表示为r r f d 31.1R σµ=（10）式中，R 为材料的吸收损耗，σr 为材料的导电常数，μr 为材料的磁导率。

由于铁氧体材料的σr、μr 要比金属材料低，所以提高铁氧体材料吸收损耗只有增加材料的厚度d，显然这将影响它的应用。

从理论上讲，金属材料因居里点高(770K)而耐高温，Ms 可达铁氧体的3～4倍，从公式(9)看出，金属自然共振频率比铁氧体高得多，有更好的吸收性能，但块状金属吸波材料会受到金属趋肤效应的限制。

随着金属或合金的粒径减小，材料对电磁波的吸收性能逐步增加，反射性能逐渐减弱。

法国巴黎大学研究指出，微米级Ni 、Co 磁粉在1～8GH z 时有强的吸收性能。

金属超细粉吸波材料，又称为磁介质吸波材料。

国内外对金属微粉研究认为磁性金属微粉的吸波能力优于普通金属，这是因为除了有电子吸收外，还存在磁损和频散，而且棒状、片状、纤维状等形状各向异性的磁性粉末优于颗粒状的磁性粉末，可见金属超微粉是及其重要的吸收材料，可以弥补铁氧体的重量重、高频特性不理想的缺点。

2）磁性纳米吸波材料近年来，随着多学科的交叉研究，吸波材料在材料的选择上有了更大的空间，特别是与具有不同特性材料的复合，使吸波材料的性能有了更大进展。