鐵氧體吸收材料

鐵氧體吸收材料是利用鐵氧體磁損耗對電磁波進行吸收的原理製成的材料。比其它介質的吸收材料具有頻率高、頻頻寬、塗層薄等優點。幾乎所有鐵氧體軟磁材料均可用作吸收材料，常用的有錳鋅、鎳銅鋅、鎂銅鋅、鎳鎂鋅以及平面型六角晶系的超高頻軟磁鐵氧體等。由它們製成的吸收體，磁導率可在7～10⁴間變化，頻率由幾十MHz直至微波頻段(104MHz)，厚度5～10mm。常把鐵氧體(燒結溫度宜採取損耗增大的高溫區)粉末與氯丁橡膠、泡沫塑膠等混合，製成帶狀、瓦狀、海綿狀吸收體，或直接用粉末塗敷。主要用於製作電波暗室吸收壁、微波系統匹配負載，以及為防止雷達發現而塗敷飛機、軍事目標建築等。

基本介紹

• 中文名：鐵氧體吸收材料
• 外文名：ferrite absorbent materials
• 機理：將電磁波能量轉換為熱能或其他能
• 製備：化學共沉法、水熱法等
• 影響因素：粒徑、相組成、晶體結構等
• 優點：頻率高、頻頻寬、塗層薄等

吸波機理

當電磁波入射到材料表面時，由於介質的共振吸收和極化弛豫損耗，電磁波被吸收導致其衰減或者消失， 這種將電磁波能量轉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基本參數復磁導率 (μ) 和復介電常數 (ε)，其複數形式：

ε = ε′ - jε″ μ = μ′ - jμ″

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

鐵氧體的製備

化學共沉澱法

化學共沉澱法是指將多種金屬鹽混合在一起，然後加入沉澱劑（一般為鹼性）反應，產物有經過陳化、 洗滌、乾燥、研磨、過篩，最終得到相應的鐵氧體粉體。Li 等採用共沉澱法製備了 Ni-B/Fe₃O₄ 納米複合材料，研究結果顯示在 2 ～ 18GHz 頻段內複合材料的最大反射損耗為 -28.38dB，其中小於 -10dB 的頻段為 4.6GHz。共沉澱法雖然製備工藝簡單、成本低、便於操作、設備要求低，可大批量生產，產物純度高，但是製備的一般為前驅體，要經過高溫煅燒，並且製備過程中要加入表面活性劑，易引入其他雜質離子，因此運用 並不廣泛。

水熱法

水熱法是在高溫、高壓密閉環境中，採用水作為反應介質，使物質溶解在水中，進行重結晶，生成想要得到的產物，製備的鐵氧體晶粒細小，晶格發育好，粒徑分布均勻，不易團聚，不需高溫燒結；水熱反應快速、能耗低，是套用前景良好的綠色化學反應。Gong 等採用水熱法製備出尖晶石型鎳鐵氧體納米磁性粉體，樣品厚度為 2.1mm，複合材料的最大反射損耗高達 -70dB。但是這種方法對原材料質量和設備的要求比較高，成本較高，且由於水熱反應體系是一個密封體系，不能即時觀察到反應現象。

溶膠凝膠法

溶膠凝膠法作為新工藝，通常將化學組分相對較高的化合物作為前驅體，在液相條件下將這些原料均勻混 合，通過水解、縮合、乾燥、燒結固化處理之後得到產物， 反應容易進行，合成溫度較低、操作簡單、對設備要求低、 反應物之間能在分子水平上被均勻地混合，同時該方法也較容易控制產物的微粒形貌，得到的粉體純度高且不易團聚。汪濱等採用溶膠 - 凝膠法製備了單相鋇鐵氧體粉體，其矯頑力和飽和磁化強度達到最大值。但是該 方法添加的有機溶劑有毒性，反應時間較長，樣品烘乾後容易出現硬團聚，不易分離。

其他方法

此外，製備鐵氧體復及其複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。

吸波性能影響因素

粒徑

鐵氧體的粒徑對其吸波性能有著重要影響。相對於微米級的鐵氧體材料，納米尺寸的鐵氧體吸收能力更強，頻帶更寬。在一定範圍內，隨粒徑的減小，鐵氧體材料的吸收能力增強。在傳統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，製備超細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新方向。

相組成

鐵氧體材料的相組成對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、製備工藝、 熱處理條件等。在鐵氧體材料的製備過程中不可避免會出現雜相、過渡相、中間產物等，會損害鐵氧體的吸波性能。因此，如何消除這些不良產物，獲得純淨的鐵氧體相成為研究的重點。

形貌

鐵氧體的形貌一般可分為針狀、棒狀、片狀、 球狀等，與製備方法和工藝條件有關。材料的電磁性能很大程度上依賴於自身的微結構。改變鐵氧體的製備方法及改進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，易團聚，性能上沒有片狀、球狀的鐵氧體優良，相關研究不多。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，特別是納米級的棒狀鐵氧體。片狀結構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，既具有片狀結構，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套用前景，是當前研究的熱點。

晶體結構

鐵氧體的飽和磁化強度和磁晶各向異性與其晶體結構有很大關係，晶體結構不同導致疇壁共振和自然共振的效果不同，進而對吸波性能產生很大影響，並且單一結構的鐵氧體能力有限。鐵氧體材料按其晶體結構劃分，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主要系列。它們的晶體結構各不相同，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，在吸波領域中的套用範圍也各不相同。因此根據目標產物的要求，適當地該變工藝，進行摻雜和代替，來得到吸波性能優良的晶型產物，是今後的一個研究課題。

展望

作為目前發展最為成熟的吸波材料 , 鐵氧體以其優異的吸收性能、低廉的價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” 特性。未來鐵氧體吸波材料將圍繞以下幾個方面展開研究：（1）納米化：鐵氧體顆粒為納米尺寸時，會出現小尺寸效應、巨觀隧道效應、表面效應和量子尺寸效應， 在一定程度上增加其對電磁波的衰減能力，顯著提高鐵氧體的微波吸收能力；（2）複合化：將鐵氧體磁性材料與其他材料如碳納米管、石墨烯、導電聚合物、金屬粉末複合，使鐵氧體複合材料介電電損耗增加，同時兼具磁損耗，可以優勢互補，複合材料的吸波性能顯著提高；（3）控制形貌：鐵氧體形貌對鐵氧體性能有著重要的影響。目前對多孔或者空心鐵氧體比較關注，這也是其未來的一個重要研究方向；（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度，相對於粉體材料，其質輕、厚度小，套用潛力巨大。