铁氧体吸波材料研究进展

铁氧体吸波材料的研究进展

物理科学与技术学院凝聚态物理罗衡102211013

摘要：铁氧体吸波材料是既具有磁吸收的磁介质又具有电吸收的电介质，是性能极佳的一类吸波材料。本文对铁氧体吸波材料的工作原理、研究进展作了系统的介绍，并指出了铁氧体吸波材料的发展趋势。

关键词：铁氧体吸波材料研究进展

0 引言

近年来，随着电磁技术的快速发展，电磁波辐射也越来越多的充斥于我们的生活空间，电磁波辐射已成为继噪声污染、大气污染、水污染、固体废物污染之后的又一大公害。如电磁波辐射产生的电磁干扰(EMI)不仅会影响各种电子设备的正常运行，而且对身体健康也有危害。在军事高科技领域，随着世界各国防御体系的探测、跟踪、攻击能力越来越强，陆，海、空各军兵种军事目标的生存力，突防能力日益受到严重威胁；作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段之一的隐身技术，正逐渐成为集陆、海、空、天、电、磁五位一体之立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术手段。

目前一般采用的手段是利用电磁屏蔽材料的技术，来进行抗电磁干扰和电磁兼容设计，但是屏蔽材料对电磁波有反射作用，可能造成二次电磁辐射污染和干扰，所以最好的解决办法是采用吸波材料技术，因为吸波材料可以将投射到它表面的电磁波能量吸收，并使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量消耗而不反射[1-3]。

用于隐身技术的雷达吸波材料已达十几种之多，与透波材料相比，吸波材料研究得更为成熟，其中应用较广的几类吸波材料有铁氧体、金属微粉、纳米吸波材料、导电高聚物和铁电吸波材料等。在众多吸波材料中，磁性吸波材料具有明显优势，而且将是主要的研究对象。磁性吸波材料主要包括铁氧体、超细金属粉、多晶铁纤维等几类。其中金属吸收剂具有使用温度高、饱和磁化强度和磁损耗能力大等特点，但也存在一些自身的缺点：如频率展宽有一定难度，这主要是由于其磁损耗不够大，磁导率随频率的升高而降低比较慢的缘故；化学稳定性差；耐腐蚀性能不如铁氧体等[4]；而对于铁氧体来说，除了具有吸收强、吸收频带宽、成本低廉、制备工艺简单等优点外，还因为具有较好的频率特性(其相对磁导率较大，而相对介电常较小)，更适合制作匹配层，相对于高介电常数高磁导率的金属粉，在低频率拓宽频带方面，更具有良好的应用前景[5-8]。

本文针对铁氧体吸波材料的工作原理、研究进展作系统的介绍，并指出了铁

氧体吸波材料的发展趋势。

1 铁氧体吸波材料的工作原理

铁氧体吸波材料既是具有磁吸收的磁介质又是具有电吸收的电介质，是性能

极佳的一类吸波材料。在低频段，主要来源于磁滞效应、涡流效应及磁后效的损

耗造成铁氧体对电磁波的损耗；在高频段，铁氧体对电磁波的损耗则主要来源于

自然共振损耗、畴壁共振损耗及介电损耗[9-10]。

1.1 电损耗机制

介电损耗是微波铁氧体中电损耗的主要原因，电荷不能像导体那样通过处于

电场中的电介质，但在电场作用下电荷质点会发生相互位移，使得正负电荷中心

分离，形成许多电偶极子，此过程即为极化。在发生极化的过程中，以热的形式

损耗掉的部分电荷即产生电损耗。一般认为多晶电磁介质的极化主要来源于电子

极化、离子极化、固有电偶极子取向极化和界面极化四种机制[11-12]。

晶格空位、介电体的不均匀性以及高导电性(如++⇔23Fe Fe )的存在是固有

电偶取向极化引起介电损耗的主要原因；由界面极化引起介电损耗的主要原因是

高电导率的零相弥散分布[13]。铁氧体的介电损耗基本上是由于两种价态铁的存

在（即+3Fe 和+2Fe ）所造成的电子过剩，则电子会从一种铁离子跑到另一种铁

离子上去，在此过程中会造成一些传导和介电损耗。

1.2 磁损耗机制

磁损耗即为磁性材料在交变磁场中产生的能量损耗，主要由磁滞损耗、涡流

损耗和剩余损耗引起。

1.2.1 磁滞损耗

磁滞损耗是指在不可逆跃变的动态磁化过程中，克服各种阻尼作用而损

耗了外磁场供给的一部分能量。磁滞回线的面积在数值上等于每磁化一周的磁滞

损耗的数值，即：

⎰=HdB W a

降低磁滞损耗的方法是减小铁磁材料的矫顽力

c H ，矫顽力c H 降低使磁滞回线变窄，它所谓的面积减小，从而降低磁滞损耗。

1.2.2 涡流损耗 将导体放置于变化的磁场时，在导体内部会产生感应电流即涡流，涡流不能

像导线中的电流那样输送出去，而是使磁芯发热造成能量损耗，即涡流损耗。若

材料的厚度为d ，电阻率为ρ，引入常数a ，则一个周期内材料的涡流损耗e W 可

表示：

ρ

/22m B afd We =

可以看出，涡流损耗e W 与交变磁场频率f 成正比，与厚度d 的平方成正比，

与电阻率ρ成反比。由于W 型六角晶系铁氧体材料具有很高的电阻率，因此其涡

流损耗系数很小，此外，频率对铁氧体涡流损耗的影响也不大。

3、剩余损耗

剩余损耗是指除了涡流损耗和磁滞损耗以外的其它所有损耗，来自磁化弛豫

过程。不同材料在不同的频率范围，剩余损耗的机理不同由于其磁化弛豫过程的

机理不同。在低频弱场中，剩余损耗主要是磁后效损耗。在高频情况下，尺寸共

振损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗等均属于剩余损耗的范畴。

综上所述，要得到高损耗的铁氧体吸收剂，途径有：

1) 增大铁磁体的饱和磁化强度Ms ；

2) 增大阻抗系数λ；

3) 减小磁晶各向异性场ϕK H ； 由于共振频率与磁晶各向异性场成正比，所以可以通过改变铁磁体的磁晶向

异性场，来实现对材料吸收波段的控制，在实际制备操作过程中可以通过改变材

料的成分和制备工艺加以控制。

2 铁氧体吸波材料的研究进展

吸波材料的研究始于20世纪30年代，荷兰人e Machinerie V N ..发明了第一种

吸波材料，五十年代，美国、苏联等国家开始研究将吸波材料应用于导弹、战斗

机、轰炸机等飞行器上，到了七、八十年代，吸波材料已经开始广泛应用在军事

领域。我国于六十年代末开始涉足微波吸收材料的研究，虽然在此方面的研究工

作起步较晚，但也步入了世界的先进行列。在上世纪八十年代，铁氧体吸收剂研

究成为微波吸收材料的前沿聚焦[14]。

在众多吸波材料中，具有优良频响特性的W 型铁氧体是一种被广泛应用的

铁氧体材料，已广泛应用于隐身技术，即使在低频、厚度薄的情况下仍有良好的

吸波性能，具有吸收强、频带较宽及成本低的特点，使大批量生产磁性材料器件

不受原材料限制，在米波至厘米波范围内，可使反射能量衰减17-20dB ，从50年

代至今仍被广泛使用，成为人们近年来研究的重点。首先因为六角晶系磁铅石型

铁氧体具有片状结构，而片状是吸收剂的最佳形状[15-18]；其次是它具有较高的磁

晶各向异性等效场，比M 型高10%左右，因而其自然共振频率比较高，同时在

共振频率附近，还具有较高的'μ和''μ，并且调整材料的成分可以在很大程度上

改变s M 和A H ；所以，W 型铁氧体被认为是最具有发展前途的铁氧体吸收剂

[19-24]。