[科普中國]-鐵氧體吸收材料

吸波機(jī)理

當(dāng)電磁波入射到材料表面時(shí)，由于介質(zhì)的共振吸收和極化弛豫損耗，電磁波被吸收導(dǎo)致其衰減或者消失， 這種將電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能或其他能量的材料稱為吸波材料。鐵氧體具介電損耗和磁損耗。鐵氧體吸波材料電磁特性的兩個(gè)基本參數(shù)復(fù)磁導(dǎo)率 (μ) 和復(fù)介電常數(shù) (ε)，其復(fù)數(shù)形式：

ε = ε′ - jε″ μ = μ′ - jμ″

實(shí)部 ε′代表吸波材料在交變電場作用下發(fā)生的極化程度，表征儲(chǔ)存電荷或能量的能力；虛部 ε″為材料在交變場下，材料電偶極矩發(fā)生重排引起能量損耗的量度；實(shí)部 μ′代表吸波材料在外加磁場作用下發(fā)生極化或者磁化的程度，虛部 μ″代表材料磁偶矩發(fā)生重排引起的損耗量度。因此，磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的虛部μ″和ε″ 共同決定著材料的吸波性能，因此我們期望制備的鐵氧體材料具有較大的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率虛部。通常鐵氧體具備較大的 ε″和 μ″值，且價(jià)格低廉、吸收頻段高、 匹配厚度薄和吸收效率高，因此在微波吸收領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2

鐵氧體的制備化學(xué)共沉淀法

化學(xué)共沉淀法是指將多種金屬鹽混合在一起，然后加入沉淀劑（一般為堿性）反應(yīng)，產(chǎn)物有經(jīng)過陳化、 洗滌、干燥、研磨、過篩，最終得到相應(yīng)的鐵氧體粉體。Li 等采用共沉淀法制備了 Ni-B/Fe3O4 納米復(fù)合材料，研究結(jié)果顯示在 2 ～ 18GHz 頻段內(nèi)復(fù)合材料的最大反射損耗為 -28.38dB，其中小于 -10dB 的頻段為 4.6GHz。共沉淀法雖然制備工藝簡單、成本低、便于操作、設(shè)備要求低，可大批量生產(chǎn)，產(chǎn)物純度高，但是制備的一般為前驅(qū)體，要經(jīng)過高溫煅燒，并且制備過程中要加入表面活性劑，易引入其他雜質(zhì)離子，因此運(yùn)用 并不廣泛。

水熱法

水熱法是在高溫、高壓密閉環(huán)境中，采用水作為反應(yīng)介質(zhì)，使物質(zhì)溶解在水中，進(jìn)行重結(jié)晶，生成想要得到的產(chǎn)物，制備的鐵氧體晶粒細(xì)小，晶格發(fā)育好，粒徑分布均勻，不易團(tuán)聚，不需高溫?zé)Y(jié)；水熱反應(yīng)快速、能耗低，是應(yīng)用前景良好的綠色化學(xué)反應(yīng)。Gong 等采用水熱法制備出尖晶石型鎳鐵氧體納米磁性粉體，樣品厚度為 2.1mm，復(fù)合材料的最大反射損耗高達(dá) -70dB。但是這種方法對(duì)原材料質(zhì)量和設(shè)備的要求比較高，成本較高，且由于水熱反應(yīng)體系是一個(gè)密封體系，不能即時(shí)觀察到反應(yīng)現(xiàn)象。

溶膠凝膠法

溶膠凝膠法作為新工藝，通常將化學(xué)組分相對(duì)較高的化合物作為前驅(qū)體，在液相條件下將這些原料均勻混 合，通過水解、縮合、干燥、燒結(jié)固化處理之后得到產(chǎn)物， 反應(yīng)容易進(jìn)行，合成溫度較低、操作簡單、對(duì)設(shè)備要求低、 反應(yīng)物之間能在分子水平上被均勻地混合，同時(shí)該方法也較容易控制產(chǎn)物的微粒形貌，得到的粉體純度高且不易團(tuán)聚。汪濱等采用溶膠 - 凝膠法制備了單相鋇鐵氧體粉體，其矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到最大值。但是該 方法添加的有機(jī)溶劑有毒性，反應(yīng)時(shí)間較長，樣品烘干后容易出現(xiàn)硬團(tuán)聚，不易分離。

其他方法

此外，制備鐵氧體復(fù)及其復(fù)合材料的方法還包括高能球磨法、自蔓延燃燒法、溶劑熱法、噴霧熱解法、沸騰回流法、硬模板法、原位聚合法等其他方法。3

吸波性能影響因素粒徑

鐵氧體的粒徑對(duì)其吸波性能有著重要影響。相對(duì)于微米級(jí)的鐵氧體材料，納米尺寸的鐵氧體吸收能力更強(qiáng)，頻帶更寬。在一定范圍內(nèi)，隨粒徑的減小，鐵氧體材料的吸收能力增強(qiáng)。在傳統(tǒng)的鐵氧體吸波頻帶和吸收能力受限的情況下，通過改變鐵氧體材料的顆粒尺寸，制備超細(xì)鐵氧體粉來改變其電磁性能，成為提高鐵氧體吸波性能的一個(gè)新方向。

相組成

鐵氧體材料的相組成對(duì)其吸波性能有很大的影響。影響鐵氧體相組成的因素有成分、制備工藝、 熱處理?xiàng)l件等。在鐵氧體材料的制備過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)雜相、過渡相、中間產(chǎn)物等，會(huì)損害鐵氧體的吸波性能。因此，如何消除這些不良產(chǎn)物，獲得純凈的鐵氧體相成為研究的重點(diǎn)。

形貌

鐵氧體的形貌一般可分為針狀、棒狀、片狀、 球狀等，與制備方法和工藝條件有關(guān)。材料的電磁性能很大程度上依賴于自身的微結(jié)構(gòu)。改變鐵氧體的制備方法及改進(jìn)工藝條件等來獲取不同形貌的鐵氧體材料都是為了獲得更好的電磁性能。

針狀鐵氧體不易成形，易團(tuán)聚，性能上沒有片狀、球狀的鐵氧體優(yōu)良，相關(guān)研究不多。棒狀鐵氧體，具有一定的各向異性，磁性能比針狀鐵氧體有 了很大提高，特別是納米級(jí)的棒狀鐵氧體。片狀結(jié)構(gòu)是電磁吸波材料的最佳形狀，六方晶系磁鉛石型鐵氧體是性能最好的吸波材料，既具有片狀結(jié)構(gòu)，又有較高的磁損耗正切角，還具有較高的磁晶各向異性等效場。片狀鐵氧體材料具有很好的應(yīng)用前景，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

晶體結(jié)構(gòu)

鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度和磁晶各向異性與其晶體結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，晶體結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致疇壁共振和自然共振的效果不同，進(jìn)而對(duì)吸波性能產(chǎn)生很大影響，并且單一結(jié)構(gòu)的鐵氧體能力有限。鐵氧體材料按其晶體結(jié)構(gòu)劃分，大致可以分為立方晶系尖晶石型、石榴石型和六角晶系磁鉛石型三個(gè)主要系列。它們的晶體結(jié)構(gòu)各不相同，性能差別也較大。它們的靜磁性和不同微波頻率下的電磁特性各有特點(diǎn)，在吸波領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍也各不相同。因此根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的要求，適當(dāng)?shù)卦撟児に嚕M(jìn)行摻雜和代替，來得到吸波性能優(yōu)良的晶型產(chǎn)物，是今后的一個(gè)研究課題。4

展望作為目前發(fā)展最為成熟的吸波材料 , 鐵氧體以其優(yōu)異的吸收性能、低廉的價(jià)格成為電磁兼容用吸波材料的首選。目前研究方向主要圍繞吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)” 特性。未來鐵氧體吸波材料將圍繞以下幾個(gè)方面展開研究：（1）納米化：鐵氧體顆粒為納米尺寸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)小尺寸效應(yīng)、宏觀隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)， 在一定程度上增加其對(duì)電磁波的衰減能力，顯著提高鐵氧體的微波吸收能力；（2）復(fù)合化：將鐵氧體磁性材料與其他材料如碳納米管、石墨烯、導(dǎo)電聚合物、金屬粉末復(fù)合，使鐵氧體復(fù)合材料介電電損耗增加，同時(shí)兼具磁損耗，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，復(fù)合材料的吸波性能顯著提高；（3）控制形貌：鐵氧體形貌對(duì)鐵氧體性能有著重要的影響。目前對(duì)多孔或者空心鐵氧體比較關(guān)注，這也是其未來的一個(gè)重要研究方向；（4）薄膜化：鐵氧體薄膜具有較高的磁晶各向異性及合適的飽和磁化強(qiáng)度，相對(duì)于粉體材料，其質(zhì)輕、厚度小，應(yīng)用潛力巨大。5