纳米晶铁基片状材料的制备与微波电磁性能研究

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纳米晶片状磁性金属及合金颗粒具有高的饱和磁化强度和强的形状各向异性,在高频微波波段有较高磁导率,成为高效的微波吸收剂。然而由于片状材料大的表面积,其介电常数较高,不利于阻抗匹配,且由于涡流损耗和自然共振,其磁导率在高频下降较快。基于此,本课题对如何在降低介电常数的同时保持高磁导率和提高高频磁导率进行了深入研究。本文首先研究了湿磨时间对片状铁粉形貌及微波电磁参数的影响。结果表明,随着湿磨时间延长到36 h,片的宽度逐渐变大,厚度逐渐变小。继续湿磨到48 h,铁粉破碎,片的宽度减小,此时厚度变化不大,约为220 nm。片的宽厚比在36 h出现最大值。电磁参数分析表明:随着湿磨时间的延长,介电常数实部ε’和介电常数虚部ε"逐渐增大;低频磁导率和磁损耗先上升后下降,在36 h出现最大值,与宽厚比变化规律一致,高频磁导率则反之。与球形铁粉相比,片状铁粉在2-18 GHz出现明显的自然共振峰,且随湿磨时间延长共振宽度减小且共振频率向低频移动。然后,为了降低片状铁粉的介电常数同时保持高磁导率,采用先干磨后湿磨的方法制备纳米晶片状铁粉。利用干磨细化晶粒作用,使铁粉经短时间的湿磨就能得到大而薄的片状结构;进一步延长湿磨时间,一方面干磨产生的内应力会使片状结构破碎,较小其宽度,另一方面会继续变薄,从而制备出宽厚比大、宽度相对小的片状铁粉。该片状铁粉同时具有高的磁导率和较低的介电常数,用其组成的环氧树脂基复合材料在体积分数为20%,厚度为1.5 mm时小于-10 dB反射率的带宽为8.2 GHz,最低反射率为-14.6 dB。最后,系统研究了Ni元素添加对片状Fe粉形貌及电磁参数的影响。随着Ni含量的增加,片状材料的宽度变小,碎片增多。电磁参数分析表明Ni含量的增加使介电常数增加,低频磁导率下降,而高频磁导率上升,且共振频率向低频移动。对同一组成的片状FeNi合金粉,形貌对微波磁导率有很大影响。完全合金化的片状Fe85Nil5粉由于形貌的不均一性,与片状Fe粉相比,仅在13.6-18GHz范围内提高磁导率。而将Fe85Ni15混合粉干磨10 h后再湿磨制备出的形貌均一的片状材料,具有较好的磁频散特性,在5.52-18 GHz范围内使磁导率提高。用其组成的环氧树脂基复合材料在体积分数为15%时反射率小于-10 dB的带宽较大,11-18 GHz的反射率较小且损耗峰值从-11.8dB降到-16.8 dB。
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