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]。

到目前，铁氧体是研究得较多且比较成熟的一类吸波材料，并且已经在实际中得到了广泛的应用。

为了进一步增强铁氧体的微波吸收性能，人们正在继续通过各种制备方式(如复合、掺杂、纳米化等)对其改性修饰，国内外对此相关的研究报道比较多。

Meena S R ..[25]等使用固相反应法制备了60362421)(O Fe Co La Ba x x -，其中，由于+2Ba 被+3La 的取代，所以研究了+3La 含量及样品匹配厚度的变化，对样品在X 波段微波磁特性的影响，结果表明，当X =0.10,匹配厚度为1.8mm 时，样品有最优良的微波吸收特性。

TDK 公司为了克服在UHF 频段中，信号线上电磁干扰噪声的问题，大力开发能应用于高频的六角铁氧体材料[26]；采用NiO 、ZnO 、MgO 置换会出现Z 相和Y 相的混合物，采用MnO 置换则样品成单相，虽然经过离子取代，Z Co 2材料的磁导率没有变坏，但是其高频特性仍然不够理想，目前正在开发性能更好，能用于更高频的低温烧结铁氧体材料[27]；为了扩展应用频宽和提高材料性能，国内外对W Co 2材料也进行了多方面的研究和应用。

SongJie [28]用传统的固相反应法制备出427.03.0O Dy Fe Zn Mn x x -（0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04），研究发现，当03.0≤x 时形成单一晶相，并且当匹配厚度为2.7mm 时，小于-10dB 的带宽为3.5GHz ，最大吸收峰值达-20.5dB 。

文献[29-31]用柠檬酸溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成掺杂稀土元素镧的M 型六角钡铁氧体191215.05.0)(O Fe Ba Na La x x -和191215.05.0)(O Fe Ba K La x x -以及尖晶石型锂铁氧体45.25.0O Fe La Li x x -,研究了镧含量对它们的电磁参数的影响。

结果表明，添加适量的稀土镧能显著地改善它们的吸波性能，掺杂量为3.0=x 的样品微波性能最佳。

此外，在离子的取代过程中，有一类特殊的元素越来越受到人们的重视---稀土元素，稀土元素由于具有被最外层电子屏蔽的未成对f 4电子，因而具有特殊的电磁性能，实验证明一定量稀土元素添加到含铁或锰的铁氧体氧化物时，吸波材料的吸波性能得到较好的改善 [32]。

掺入少量稀土元素后，铁氧体的微波电磁参数得到有效调整，使自然共振频率移向高频，明显提高样品的高频弛豫特征，同时也减小复介电常数，以利于阻抗匹配。

近期各国的研究工作者更多的集中在六角晶系铁氧体材料用少量的稀土离子取代，并且取得一定的成就 [33-34]。

虽然相对于其他类型的铁氧体材料，W 型铁氧体吸波材料有一定的性能优势，但其对制备条件要求也相对较高，为此国内外学者通过不断改进制备方法，以达到在相对简单的制备工艺条件下，获得性能优异的材料。

slovenia 的研究者Darja Lisjak 等通过采用一次煅烧和两部热处理法分别制备同一种W NiZn -六角晶系铁氧体，研究结果表明，用溶胶凝胶法能够成功制备出微波吸收特性良好的铁氧体吸波材料。

该方法的优势如下：(1) 高纯度成品；(2) 良好的化学均匀性，产物粒径小；(3) 掺杂分布均匀；(4)合成温度低； (6) 由于凝胶中含有大量的液相或气孔，在热处理过程中不易使颗粒团聚，得到的产物分散性好等特点。

采取较高温度的一次煅烧法制备出的单一W 相六角晶系铁氧体产物中仍有部分其他相产生，而采用两部热处理法即先升温到某一值进行预热处理，再次升温煅烧结果得到的产物即为单一W 相六角晶系铁氧体，且成相温度也有一定程度的降低[35]。

目前已研制并广泛应用的有Zn Ni -、Zn Li -、Zn Mg Ni --、Cd Li -、Cd Ni -、Zn Ni Co --、Zn Cu Mg --等W 型铁氧体[10-11]，既有亚铁磁性又有介电性能的W 型铁氧体是研究较多且较成熟的一类吸波材料，可以同时产生介电损耗和磁损耗，吸波性能优异，然而也存在密度较大，高温特性差、吸收频带较窄等缺点，限制了其在隐身飞行器中的应用，为了克服这些不足, 一般通过将铁氧体与磁性合金或金属、羰基铁粉、金属氧化物、碳材料、高分子和其它磁损耗吸收剂复合等多种制备手段满足其性能要求[12]。